本發(fā)明涉及一種用于電解器的隔板和制造用于電解器的隔板的方法。

背景技術(shù)：

1、例如，電解器通過施加電勢從水中產(chǎn)生氫氣和氧氣，并且同時可以壓縮所產(chǎn)生的氣體中的至少一種氣體。

2、常規(guī)的電解器通常由成堆疊的單個電池單體構(gòu)成，每個電池單體具有一系列的層，該一系列的層帶有隔板、兩個介質(zhì)擴散結(jié)構(gòu)以及膜電極組件(mea)，兩個介質(zhì)擴散結(jié)構(gòu)特別是(一個或多個)多孔傳輸層(ptl)和/或氣體擴散層(gdl)。由于以相對于外部壓力的超壓將介質(zhì)引導于電池單體內(nèi)，因此該電化學電池單體堆必須相對于外部密封。為此，對于彼此堆疊形成電解器的每個單個電化學電池單體，電解器通常具有圍繞電化學電池單體的外邊緣延伸的電池單體框架。成堆疊的各單個電池單體例如借助于螺釘被壓在兩個端板之間。在各單個電池單體框架之間和在電池單體框架與布置在電池單體框架之間的隔板或膜電極組件之間，電化學電池單體的堆疊具有密封元件，該密封元件沿外周周向地延伸，但通常位于外周的向內(nèi)的一定距離處。

3、組合以形成堆疊的單個電池單體各自通過隔板分開，隔板一方面用于分隔開介質(zhì)，另一方面用于將電流或電壓從單個電池單體傳輸?shù)絾蝹€電池單體，具體是由于流體引導通道之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與mea(可能地間接地)接觸。隔板通常在它們的表面上具有流場，流場帶有布置成供應和排出流體的通道結(jié)構(gòu)。流場或流場的通道結(jié)構(gòu)的任務是確保介質(zhì)在表面上的分布。這種隔板也被稱為雙極板，因為它們同時形成了第一電池單體的陽極和與第一電池單體相鄰的電池單體的陰極。

4、介質(zhì)，即許多情況下為水、氧氣和氫氣，通常經(jīng)由形成于隔板中的貫通開口供應或排出。成堆疊的隔板的貫通開口以重疊的方式布置，使它們形成流體管線。

5、在電解器中，周圍環(huán)境與電化學電池單體內(nèi)部之間的壓力差可能超過20巴。例如，產(chǎn)品側(cè)、例如h2側(cè)上的壓力可高達40巴，而反應物側(cè)、例如h2o側(cè)上的壓力僅至多2巴。因此，重要的是將流場相對于周圍環(huán)境以及在電化學系統(tǒng)內(nèi)密封隔開。為此目的，通常會設置圍繞流場布置的密封元件和/或圍繞貫通開口布置的密封元件。

6、通常使用模制到隔板中的凸邊(bead)、模制到隔板的金屬層上的彈性密封件或它們的組合來密封流場和/或貫通開口。為避免泄漏，重要的是彈性體密封件與金屬層牢固連結(jié)。為了確保彈性體密封件盡可能地附接至隔板的金屬層，在施用彈性體密封件之前，通常會用單層附接促進劑或底漆和附接促進劑的雙層組合來處理金屬層的一個表面。底漆和附接促進劑通常都由溶劑混合物中的活性聚合物構(gòu)成。通常情況下，金屬層的整個表面上都涂覆附接促進劑和/或底漆，例如在含溶劑浴槽中，盡管只有該層的個別區(qū)域設有彈性體，該層只需在這些區(qū)域涂覆附接促進劑。另外，隔板的激活區(qū)域中的連結(jié)劑或底漆會影響必要的導電性，且因此通常必須在激活區(qū)域中，即在流場中再次移除。

7、因此，目前需要盡可能密封隔板的載液區(qū)域，使其與環(huán)境密封或在電解器內(nèi)密封。已經(jīng)設計了本發(fā)明來至少部分地解決以上問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的隔板和方法限定。進一步發(fā)展將在從屬權(quán)利要求和下文說明中描述。

2、根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種用于電解器的隔板。隔板包括金屬層，該金屬層具有成部段的表面結(jié)構(gòu)，其中，表面結(jié)構(gòu)包括通過激光表面處理產(chǎn)生的大量通道狀凹陷部。另外，隔板具有被設計作為密封元件的彈性體涂層，彈性體涂層施用至金屬層以密封隔板的至少一個區(qū)域。彈性體涂層至少布置在表面結(jié)構(gòu)上的一些區(qū)域中。

3、在優(yōu)選實施例中，表面結(jié)構(gòu)設計成改進彈性體涂層與金屬層的附接。由于附接得到改進，因此可以省去用附接促進劑和/或底漆進行預處理，從而避免使用對環(huán)境有害的化學品。另外，作為激光表面結(jié)構(gòu)形成的表面結(jié)構(gòu)可以通過激光精確地引入到金屬層的材料中，特別地可以只在需要的地方在金屬層中提供。例如，表面結(jié)構(gòu)可以只在存在彈性體涂層的區(qū)域中進行。反之，彈性體涂層可以只位于表面結(jié)構(gòu)區(qū)域中，其中，彈性體涂層的側(cè)向突起應具有至多3mm。

4、隔板還可以具有施用至金屬層的pvd涂層，至少在一些區(qū)域中在pvd涂層上布置彈性體涂層。pvd是“物理氣相沉積(physical?vapor?deposition)”的縮寫。通常，pvd利用物理過程將起始材料轉(zhuǎn)化到氣相中。然后，氣態(tài)材料被引導至待涂覆基底——在這種情況下為金屬層——其在該處凝結(jié)并形成目標層。在此不對pvd進行詳細描述，因為使用商用機器進行該工藝已有一段時間。

5、可以設置pvd涂層和表面結(jié)構(gòu)在重疊區(qū)域中彼此重疊，并且彈性體涂層至少或僅在pvd涂層和表面結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)域中設置。pvd涂層30還可以導致彈性體涂層20的附接的進一步改進。

6、根據(jù)一個示例，pvd涂層布置在表面結(jié)構(gòu)上。在這種情況下，可以首先生成表面結(jié)構(gòu)，然后將pvd涂層施用至表面結(jié)構(gòu)。在另一個示例中，表面結(jié)構(gòu)的通道狀凹陷部在pvd涂層中至少形成部分中斷處。在這種情況下，金屬層可以涂覆有pvd涂層，然后用激光生成通道狀凹陷部。

7、通道狀凹陷部可以是例如線形的，優(yōu)選是直線形的。特別地，通道狀凹陷部可以至少成部段地彼此平行地運行、相交和/或形成菱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。替代地，凹陷部可以是環(huán)形或螺旋形的。

8、在這種情況下，通道狀凹陷部的長度有利地大于寬度，至少是5倍，有利地是10倍。

9、通道狀凹陷部通常形成金屬層的宏觀結(jié)構(gòu)，其中，金屬層在通道狀凹陷部內(nèi)具有微觀結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)和/或微觀結(jié)構(gòu)可以增加金屬層的表面積，允許彈性體涂層更好地附接至金屬層。還可以在通道狀凹陷部內(nèi)形成切削部(undercut)，例如蘑菇狀切削部，彈性體涂層可以滲入到其中。通過彈性體涂層與切削部的局部形式配合可以進一步改進附接。切削部可以是微觀結(jié)構(gòu)的一部分。

10、在一個實施例中，通道狀凹陷部至少部分地被突起環(huán)繞，特別是側(cè)向地被環(huán)繞，這些突起形成于通道狀凹陷部的相應周向邊緣上。相應突起可以隨后突出到金屬層的未處理表面上方，且特別地由從通道狀凹陷部中移出的材料所形成。在一些實施例中，突起優(yōu)選地還可以具有微觀結(jié)構(gòu)。例如，相對于金屬層的未處理表面，突起的高度是至多30μm或至多20μm?？梢栽O置通道狀凹陷部相對于金屬層的未處理表面的深度是至少7μm和/或至多50μm，并且/或者其中，通道狀凹陷部的寬度是至少35μm和/或至多150μm，并且/或者其中，pvd涂層的層厚是至少100nm和/或至多1μm，并且/或者其中，彈性體涂層的層厚是至少10μm和/或至多3mm。平行凹陷部的寬度可以為凹陷部的寬度的至少1.5倍，并且/或者至多相距3mm。如果兩個或多個通道狀凹陷部相交，凹陷部的相交處的深度可以更大，例如是單個通道狀凹陷部的深度的至少1.5倍，例如2倍。

11、金屬層通常由鈦或不銹鋼制成，例如不銹鋼1.4404或1.4541。金屬層可以至少主要或完全由這些材料制成。然而，本發(fā)明不限于這些材料。

12、pvd涂層可包括至少一層，例如兩層。如果設置不止一層，則各層在它們的材料方面通常不同。pvd涂層可包括或由以下材料中的至少一種構(gòu)成：鈦、鎳、鈮、鉭、碳、鉑、鋯、碳化物、氮化鈦、氮化鈦鋁和/或碳氮化鈦。然而，本發(fā)明不限于這些材料。

13、彈性體涂層還可以包括或由以下材料構(gòu)成：fkm(氟橡膠)、硅橡膠或nbr橡膠(丁腈橡膠)、pur(聚氨酯)、nr(天然橡膠)、ffkm(全氟橡膠)、sbr(丁苯橡膠)、br(丁二烯橡膠)、fvmq(氟硅橡膠)、csm(氯磺化聚乙烯)、hnbr(氫化丁腈橡膠)、acm(丙烯酸酯橡膠)、aem(丙烯酸酯-乙烯橡膠)、epdm(乙烯-丙烯-二烯橡膠)、iir(丁基橡膠)或前述物質(zhì)的混合。然而，本發(fā)明不限于這些材料。

14、隔板通常具有至少一個用于反應介質(zhì)或產(chǎn)品介質(zhì)通行的貫通開口，和/或至少一個用于沿隔板引導反應介質(zhì)或產(chǎn)品介質(zhì)的流場。通常情況下，彈性體涂層圍繞貫通開口和/或流場布置，以密封貫通開口或流場。期望的電解反應通常在流場的區(qū)域中發(fā)生，例如將水分解成氫氣和氧氣。流場可選地具有通道結(jié)構(gòu)。流場的通道結(jié)構(gòu)通常是在隔板中整體形成的，例如借助于凸壓、水壓成形或深拉。

15、隔板特別地可以設計作為雙極板。換言之，成系列連接的電化學電池單體的堆疊中的隔板可以在一側(cè)上形成第一電化學電池單體的陽極，在另一側(cè)上形成與第一電化學電池單體相鄰的第二電化學電池單體的陰極。

16、根據(jù)另一個方面，提出了一種電解器，其中該電解器包括多個成堆疊的上述類型的隔板。還可以為每個隔板提供布置在mea與隔板之間的膜電極組件(mea)和/或多孔傳輸層(ptl)或氣體擴散層(gdl)。

17、根據(jù)另一個方面，提供了一種用于制造用于電解器的隔板的方法。該方法至少包括以下步驟：

18、-通過用激光照射金屬層，在金屬層中生成表面結(jié)構(gòu)，其中，表面結(jié)構(gòu)包括多個通道狀凹陷部，

19、-至少在表面結(jié)構(gòu)的區(qū)域中施用彈性體涂層至金屬層。

20、彈性體涂層被設計作為密封元件，用于密封隔板的至少一個區(qū)域。

21、該方法還可以具有另外的步驟：施用pvd涂層至金屬層，其中，在pvd涂層的區(qū)域中施用彈性體涂層至金屬層。

22、表面結(jié)構(gòu)和pvd涂層可以在重疊區(qū)域中彼此重疊。彈性體涂層通常至少施用至重疊區(qū)域。在一個實施例中，金屬層首先設有pvd涂層，然后至少在該區(qū)中中進行激光表面處理，以生成表面結(jié)構(gòu)。替代地，首先對金屬層進行激光表面處理，以形成表面結(jié)構(gòu)。然后，至少在該區(qū)域中，在金屬層上設置pvd涂層。

23、在此描述的方法特別適用于生產(chǎn)上述隔板，或為此目的而設計。僅描述與隔板有關(guān)的特征可與方法相結(jié)合，并且反之亦然。