CN105247106B

CN105247106B - 用于电解池的复合流板

Info

Publication number: CN105247106B
Application number: CN201480005003.2A
Authority: CN
Inventors: 卡斯滕·亨尼勃格·罗默; 乔根·斯其杰宁·隆德斯格德; 佩尔·维滕霍夫; 大卫·摩根·汤姆斯
Original assignee: Ewii Ovonic Fuel Cell Co
Current assignee: Wuhan Troowin Power System Technology Co ltd; IRD Fuel Cells LLC
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: EP2954097A1; CN105247106A; US20160002798A1; WO2014122304A1; US9828685B2; JP2016509634A; EP2954097B1; CA2818176A1; CA2818176C; JP6272911B2; ES2629208T3

Abstract

提供了一种在用于从水中产生氢的电解池中用作阳极电流收集器的流板。该流板包含通道板和盖板。通道板的正面具有由与抬高部分交替的凹陷部分界定的开口通道的流场图案。盖板由在水电解的阳极环境中耐腐蚀的材料制作。盖板被平行地布置在通道板之上并和它的正面电接触。盖板还具有与闭合部分交替的贯穿孔的图案，且闭合部分至少覆盖通道板的抬高部分。

Description

用于电解池的复合流板

技术领域

在一个方面，本发明涉及一种在电解池中用作阳极电流收集器的流板。在另一个方面，本发明涉及一种电解池。在又一个方面，本发明涉及一种在堆叠池电解槽中用作双极电流收集器的双极分离器板，在又一个方面，本发明涉及一种堆叠池电解槽。更具体地，该流板、双极分离器板、电解池和堆叠池电解槽用于通过电解从水中产生氢。

背景技术

在由可持续和环境可适的替代手段取代基于烃和碳的电力生产中，例如在氢动力燃料电池中，氢是重要的元素。为了这个目的，可以通过使用诸如大气或光伏电源的可变能源产生氢，以产生和存储用于在需要时转为电力的氢。这消除了对安装替代的可再生电源的一个主要的异议，即电力常在不适当的时候产生且不能符合每日的电力需求变化。因此，一直在大力发展利于基于氢的能量产生和存储的技术。

在基于氢的能量概念中，一个重要的元素是电化学装置，其能将存储在氢中的化学能转换为电能(氢燃料电池)及反之地，通过由电解(水电解槽)从水中产生氢将电能转换为化学能以存储。

就提供商业可行设计和生产方法而言，这些年基于固态电解质的燃料电池已经相当成熟。发展的一个方面是朝向设计具有改进的双极分离器板的燃料电池堆，其中双极分离器板用作为阳极/阴极电流收集器和作为用于处理阴极侧及阳极侧流体流动的流板。这种双极流板以商业可行的成本制作，例如由基于碳/石墨的可模压的混合物制作。例如，欧洲专利EP1726061B1公开了一种用在基于固态聚合物电解质的燃料电池堆中的双功能双极分离器板。该双极分离器板在前面上具有阳极流场，在后面上具有阴极流场。该双极分离器板能利于反应物和热在反应表面的往复输送以维持电解转换过程以及排出反应产物。如该文献中所进一步地讨论地，在固态电解质技术的背景中，用于燃料电池的分离元件典型地由碳复合材料制作。

然而如上面提到的，基于氢的能量产生和存储的概念还要求用于通过产生氢来存储以将电能转换为化学能的合适的电解槽。氢以高压存储在气体存储器中，例如用于日后作为氢燃料电池中的燃料而使用。因此电解槽系统包含用于压缩由电解槽产生的氢的装置。在最优选的配置中，修改所谓的高压电解槽以直接产生高压氢，因此允许将电解槽排出的氢直接传输到存储容器中而不需要外部的压缩装置。由此能量转换系统的整体效率提高了。

虽然通过成熟的技术成功地降低了燃料电池堆的生产成本，但是相同的技术不能以直接的方式用到具有固态聚合物电解质的电解装置。相反，对用于通过电解从水中产生氢的电解装置的重新关注显示了对用于这种电解装置中的材料的无数挑战。例如，在水电解槽中阳极侧环境在水中包含氧的混合物，其在具有施加的电压的电池的工作环境下对大多数材料是强腐蚀的。特别地，通常用于PEM燃料电池中的上面提到的基于碳/石墨的流板根本不适合这种强腐蚀的阳极流体环境。因此不能仅仅以相反的模式操作现有的燃料堆来实现水电解。一种解决方法中，由耐腐蚀材料，诸如钛，取代基于碳/石墨的材料。然而，这种解决方法非常昂贵，除非特别专门的利基应用，其在大规模应用上不是商业可行的。而且，将钛成型为非常复杂的三维图案的流板是昂贵且费时的工作。这增加了成本且直接抵触于生产商业可行的装置要求的降低成本。

美国专利US4214969公开了一种用于堆叠电池水电解槽的双极分离器板。该双极分离器板由基于碳/石墨的混合物制作，且在分离器板的两侧具有用于分布和收集流体/气体的开口通道。双极分离器板的阳极侧表面由金属保护箔密封。粘贴该箔或以其他方式应用该箔以适应于包括突出部分、通道侧壁和通道底部的表面形貌。通过电解池的足够的水流量会要求流体通道有一定的横截面积。通过扩大通道能够实现这一要求。然而，宽的这种通道可能不能提供对MEA的足够的机械支持，特别当出现比阳极侧的压力高的阴极侧的压力时。而且，将厚度约为25μm的薄的金属箔适用在具有深且窄的通道形貌的流场图案上而不弄破该箔会是繁重并由此高花费的工作。而且，该公开的流场没有在MEA的表面上提供令人满意的水的分布，这引起热点和/或干斑，影响电解池的效率和寿命。

因此需要改进用于通过电解从水中产生氢的电解装置，其优选地被改为在高压下工作，其能可靠地长时间地工作，且其能以商业可行的成本生产。

本发明的一个目的是克服上面提到的已知的流板的缺点，或至少提供替代。

通过如独立权利要求1的流板实现该目的，其中优选的实施例由以下讨论的从属权利要求界定。

贯穿本申请，术语“横向”指平行于平面元件的主平面的方向，在此该平面元件为流板，术语“竖直”指垂直于平面元件的主平面的方向，在此该平面元件为流板。术语“流体”指气体和液体或它们的混合物。缩写PEM代表高分子电解膜，缩写MEA代表平面膜电极组件。

发明内容

根据本发明的一个方面，流板在用于从水中产生氢的电解池中用作阳极电流收集器。该流板包含通道板，其中通道板的正面具有由与抬高部分交替的凹陷部分界定的开口通道的流场图案，和由在水电解的阳极环境中耐腐蚀的材料制作的盖板，其中盖板被平行地布置在通道板之上且和通道板的正面电接触，其中盖板具有与闭合部分交替的贯穿孔的图案，其中贯穿孔的图案与凹陷部分对齐，且其中闭合部分至少覆盖通道板的抬高部分。

通过提供如包含两部分，即用于输送流体流量的通道板和用于应付阳极处的化学侵蚀环境的盖板的复合组件，获得了流板的便宜且可行的工业规模的生产，同时对流板提供了足够的腐蚀保护。

通道板是由不昂贵的材料制作的整个部分，其中以控制良好且不昂贵的工艺将通道形成为三维的表面。通道板的抬高部分在一个共同平面上并界定了通道板的上平面。凹陷部分形成通道底面和向上延伸至邻近的抬高部分的侧壁。通道在上平面处开口。由此，界定了开口通道。通道形成的流场图案经过各个歧管连接到输入和排出口。使盖板适应于防止通道板材料遭受腐蚀环境。因此通道板的材料的选择限制较少，能够使用较便宜的材料，其比用于盖板的材料更易于成型以提供开口通道的流场图案。这样的通道板材料的示例为可塑形的碳/石墨混合物，其能在工业规模较低成本地以高精度成型，例如通过模压。如美国专利US7615308中所公开的，这样的材料常规地用于在PEM燃料电池中保护双极分离器板，但已知当其直接暴露在基于PEM的水电解槽中的阳极环境时，其没有足够的抗腐蚀性。作为另一个示例，能够由导电碳复合材料和复合物制作通道板，这些材料和复合物是市售的，可以从Bulk Molding Compounds公司(伊利诺斯州西芝加哥Powis街1600号，60185)获得，例如数据表BMC 940-13905或BMC 940-14868中的模压等级为专业级的乙烯基酯双极板材料。这样的材料适于通过常规压制成型工艺生产通道板。

在电解池的横向周界内，盖板的闭合部分靠在抬高部分之上且至少覆盖第一通道板的抬高部分。相应地，盖板的贯穿孔横向地与其下通道板的正面上的通道对齐。在电解池中将复合流板用作电流收集器意味着通道板和盖板由导电材料制作且两者间电接触良好。

盖板可以是相对薄的片状材料，其适应于抵抗水电解槽的阳极侧处的强腐蚀环境。这种材料的示例为不锈钢AISI 316、二级钛、七级及等级7H的钛合金，或类似的抗腐蚀金属。片的厚度可以小于1mm，例如约为0.7mm，或甚至约为0.5mm。片的厚度由两方面确定，一方面为对通过尽可能减小厚度来降低材料成本、重量和体积的考虑，另一方面机械稳定性的需求会决定该厚度的下限。可以在工业规模较低成本地在薄片材料中提供高精度的管穿孔，例如通过激光切割或水射流切割。既然盖板只是具有贯穿孔的薄片材料，与在块件的这种材料中通道的深度敏感的三维成型相比，材料成本和图案形成步骤的制作成本都显著降低。

当复合流板要用于电解池中时，盖板的背离通道板的正面要通过流体分布媒介与MEA的阳极侧接触，该媒介典型地为多孔、导电且耐腐蚀的媒介，例如钛毡(titaniumfelt)。通过输入口进入电解池的水由流场分布到MEA的阳极侧表面上，这样给电解过程供应反应物(在此为水)以及向过程提供冷却能力。反应产物和过剩的反应物，即氧和过剩的水，经由流场通过排出口排出电解池。水的足量供应有两个主要目的，即确保给电解反应过程充分供应水和用过剩的水带走过多的热，由此冷却水解槽。过多的热可能，例如由于电能的电阻损耗，由经过水解槽的电流引起。外流的流体还携带阳极侧反应产物，即MEA的阳极处的电解过程产生的氧。

本发明的一个优点是这样一种考量，即通过用相对薄的抗腐蚀材料片覆盖通道板的抬高部分以及通过将通道的内表面与阳极隔开一段最小的距离来抑制对通道板的腐蚀作用，其中通道的内表面即侧壁和通道底部，其暴露于阳极流体；该最小的距离适应于抑制对通道板的腐蚀。这样对于包括根据本发明的流板的一个给定的电解池设计，通道截面的几何形状和/或盖板截面的几何形状可以适应于取得对通道板材料的腐蚀作用的足够的抑制。例如，对于给定的盖板厚度和电解池中的流体分布媒介，可以通过选择在通道板的正面上的通道的足够的深度来获得这一点。同样地对于给定的通道厚度和电解池中的流体分布媒介，可以通过选择盖板的足够的厚度来获得这一点。而且，为了避免对通道侧壁的腐蚀作用，优选地通过使通道侧壁相对于盖板中的孔的边沿向内凹，以使上平面处的通道比盖板中对应的孔宽，来获得这一点。

另外根据一个实施例，通道板上的流场图案是输入和排出通道的交指型(inter-digitized)的系统，其中每个输入通道具有通过至少一个输入歧管连接到至少一个输入口的上游端，以及具有终止在通道板上的下游端，其中每个排出通道具有终止在通道板上的上游端和通过至少一个排出歧管连接到至少一个排出口的下游端，以及其中盖板中的孔被布置为输入孔和排出孔的交指型的图案，该输入孔和排出孔的交指型的图案对应于输入通道和排出通道的交指型的图案。

该交指型的流场图案促进了反应物流体沿MEA的活性电解区平面的稳定流分布。由此提升了反应流体的供应和用于冷却MEA和用于对工作的PEM加湿的过剩的流体的供应。因此，在MEA的区域上的电解过程的工作环境的均匀性被提升，引起电解槽的效率和寿命的提升。

沿着每一个输入通道布置有排出通道以形成输入和排出通道的交指型的图案。既然输入和排出通道都终止在通道板上，输入通道只能在抬高部分上和排出通道连通。通道板的正面由盖板保护。盖板具有对应于通道板上的输入和排出通道的交指型的图案的输入和排出孔的交指型的图案。盖板的孔和界定了通道板的输入和排出通道的凹陷部分对齐，而抬高部分被在盖板的闭合部分中的材料覆盖。盖板中的孔适应于在其下的通道和流体分布媒介之间以大致地沿各个输入和排出通道的整体长度分布的方式提供流体流通。分布在底下的通道的长度上的一些孤立的穿孔，由闭合部分的长的部分彼此间隔开，倾向于在穿孔附近及穿孔之间留下滞流区域，因此通常不适合本目的。在这样的由和贯穿下面的通道的支撑桥交替的穿孔形成的“虚线”设计的孔中，沿通道的长度看，孔应该高居桥之上。优选地，沿通道的长度方向看，任何一个这样的桥的尺寸不超过通道宽度。

当在电解池中使用时，盖板的背离通道板的正面与在电解池的阳极侧上的流体分布媒介接触。该流体分布媒介被夹在流板和MEA之间。通过输入口供应到流板的流体经过上游端处的输入歧管进入输入通道；在流板上流体以横向的方向流经通道板中的输入通道；通过盖板中对应的输入孔，流体被沿竖直方向注入流体分布媒介；注入沿输入通道的长度以分布的方式发生；流体以横向片流的形式通过多孔的流体分布媒介以接触阳极、催化剂和电解质，它在那里经历电解过程；反应产物和过剩的流体沿竖直方向被从流体分布媒介收集通过盖板中的排出孔的任何一侧的一个或多个邻近的排出孔以进入底下的排出通道，携带有反应产物的过剩的流体从那里经由排出歧管和排出口排出。这样交指型的流场产生了沿MEA的表面的受迫片流的图案，其中邻近的片流具有相反的方向。由此，实现了反应物向用于电解的活性区域的充足供应和改进的分布，同时充分排出阳极侧反应产物和过多的热。

本发明的流板特别好地适合于提供足够的交指型的流图案。通道板中的通道的宽度(和深度)能适应于仅仅想到的输入和排出流要求的粗糙体积。另外，将盖板中的输入和排出孔的宽度改为与底下的输入和排出通道的宽度和/或深度无关是可能的。由此，为了优化沿MEA的表面的受控片流中的局域精细分布，简单地改变流板设计是可能的。通过改变流板设计，能够调整反应物流体从输入通道到多孔流体分布媒介的注入以及后续的流体和携带的反应产物从多孔媒介到排除通道的收集。

另外根据流板的一个实施例，盖板中的孔的宽度小于底下的通道板中的通道的宽度。在本申请的文本中，通道的宽度指取作横跨该通道的横越尺寸，即在垂直于通道的方向的横向方向上。相应地，盖板中的对应的孔的宽度指取作横跨该通道的盖板中的开口的横越尺寸。通过提供比底下的通道窄的孔，通道壁中的通道的侧壁相对于盖板的孔向内凹。除了上述的这种通道/孔的几何形状的优点，其具有获得宽的通道形貌的优点，该形貌适应于支持较高的流体吞吐量并降低通道的流阻。由此在工作时，降低了沿通道的压力降，这引起在MEA表面上的流体分布的改进的均匀性。同时，通过使孔保持狭窄，维持了MEA的良好的机械支持。这允许在阴极侧压力超过阳极侧压力的级差压力下操作电解池，而MEA不会下陷到通道中。这对高压水电解槽特别有意义，该高压水电解槽被配置为在10bar以上的压力下在阴极侧直接产生氢，优选地在50bar以上，或甚至在100bar以上，同时阳极侧压力保持在10bar一下，典型地约为5bar。

另外根据流板的一个实施例，盖板中的孔的宽度小于0.5mm，或在0.1mm到0.5mm之间，或约为0.3mm。0.5mm以下的孔宽度，优选地约为0.3mm，适应于在电解池中提供对MEA和中间的流体分布媒介的良好的机械支持，以及特别是当电解池工作在上述阴极侧和阳极侧之间的横跨MEA的高压力差下时。

另外根据流板的一个实施例，盖板的厚度至少为0.2mm，或在0.2mm到3mm之间，可替换地在0.3mm到2mm之间，可替换地在0.5mm到1mm之间，或者约为0.7mm。流板是电解池的一个部分，其中如以下详述地，通常将多个这样的池以竖直堆叠的池配置组装。盖板厚度的选择为以下两方面的权衡，一方面是材料成本(越薄越好)，另一方面是通道板到阳极电势的间隔和/或以对在级差压力负载下的MEA提供足够支持的机械稳定性(越厚越好)。盖板的厚度应该选为足够厚以通过将通道的内表面与阳极电势隔开一段最小流体连接距离来抑制对通道底部和侧壁的腐蚀作用，其中最小流体连接距离是在MEA和暴露于流体的通道板表面之间。而且，对于给定的电解池设计，选择的盖板的厚度应该足以在工作的级差压力下提供相联的流体分布媒介和MEA的足够的机械支持，特别当底下的通道的侧壁相对于孔向内凹时。

另外根据流板的一个实施例，盖板由不锈钢、钛，或钛合金制作。不锈钢具有比其他材料便宜的好处，但耐腐蚀力表现一般。钛和钛合金比不锈钢贵得多，但展露了比不锈钢强的耐腐蚀力。这样的盖板材料的示例包括AISI级别316不锈钢，和二级钛，已发现它们能抵抗在包含根据本发明的一个实施例的流板的基于PEM的水电解槽的阳极侧的腐蚀环境。

另外根据流板的一个实施例，正面的通道的深度在0.3mm到1mm之间，或约为0.5mm。将由通道板凹陷部分界定的通道底部到由抬高部分界定的上平面的距离作为通道深度测量。

另外根据流板的一个实施例，在上平面处通道的宽度在0.3mm到3mm之间，优选地约为1mm。通道可以具有例如矩形、梯形、U形或V形的横截面形貌。具有至少一些外倾的侧壁的开口通道形貌具有的好处是改善模具的移除。典型的通道横截面积可以在0.1mm²到1mm²的范围内，或者例如约为0.5mm²。通道宽度超过通道长度的固定的纵横比是特别优选的。

另外根据一个优选的实施例，流板是用在堆叠池电解槽中的双极分离器板，其中盖板和通道板的正面是阳极电流收集器，通道板的背面是阴极电流收集器。该双极分离器板用在竖直堆叠的电解槽配置中以将邻近电解池彼此串联地电连接，同时将处理阴极侧流体和处理邻近电解池的阳极侧流体彼此分隔开。每个双极分离器板在其正面具有通道的阳极侧流场图案，该图案被上述的盖板覆盖，且在其背面具有通道的阴极侧流场图案。

通过在每一个双极分离器板上的各个阳极输入口并行地给堆叠的池的阳极侧上的流场提供反应物流体。携带着反应产物和过多的热的过剩的流体并行地通过各个阳极排出口排出。堆叠的池的阴极侧上的流场通过阴极侧收集口收集携带着阴极侧反应产物的过剩的流体。当在水电解槽中工作时，反应物流体典型地为纯净的去离子水，其电导率低于20μS/cm，优选地低于15μS/cm，进一步地优选地低于10μS/cm，更优选地在1-5μS/cm的范围内，或者典型地在1-3μS/cm之间。阳极侧反应产物为氧，阴极侧反应产物为氢。

这样，双极分离板是包含通道板和盖板的复合板，其中盖板被如上所述地布置在阳极侧流场之上。该双极分离器板的总厚度是通道板厚度和阳极侧盖板厚度之和。通道板厚度是以下两方面的权衡：一方面关于标准池/串联堆叠电阻、池/堆叠重量和体积(越薄越好)，另一方面关于竖直地作用在双极板上的级差压力的机械稳定性(越厚越好)。而且，通道板具有允许在阳极和阴极侧流场都提供足够通道深度的最小厚度。通道板厚度的典型值可大致地为5mm。

另外根据双极分离器板的一个实施例，通道板的背面具有由和抬高部分交替的凹陷部分界定的开口通道的流场图案。这阴极侧流场用于从MEA的阴极侧手机氢和水。既然阴极侧没有特别的腐蚀问题，阴极侧流场可以直接形成在通道板的背面而无需特定的腐蚀保护措施。可以在同一步骤中，例如如上面描述的，通过模压基于碳/石墨的混合物，成型正面和背面上的通道。

另外根据流板的一个实施例，至少一个输入歧管和至少一个排出歧管被布置在通道板的边缘的相对的部分上，与通道板的边缘部分相比，在中心部分通道板的正面上的交指型的流场中的邻近的输入和排出通道之间的横向距离更小。由此，与通道板的边缘部分相比，在中心部分通道板的正面上的交指型的流场图案的通道密度更高。

如上所述地，在流体与流体分布媒介连通中的输入和排出通道的交指型的布置中，通过片流将受迫流体输送从输入通道穿过流体分布媒介驱动到排出通道。沿输入通道的长度，以分布的方式通过输入孔将液体注入。由于液体动力学效应，该注入，以及由此通过液体分布媒介的流量沿输入通道的长度而变化。例如，在经由多孔媒介连接的平行且直的通道之间的受迫片流中，沿通道的长度介乎注入的起点和终点之间观察到典型的最小流量。通过弯曲输入和/或排出通道以使它们中部比端部更接近彼此地改变通道间的距离，能对抗该效应，由此提高了产生的层流的均匀性。

根据本发明的更广泛的方面，在想要受迫层流的平坦的分布的地方，例如用于通道板直接接触流体分布媒介而没有盖板做中介的燃料电池或电解槽中的流板上，交指型的流场图案的横向布置通常也是有利的。

相应地，一种输入和排出通道的交指型的流场，其中通过多孔媒介和/或受限的层流，输入和排出通道沿输入和排出通道的长度以分布的方式连通彼此，邻近的输入和排出通道之间的距离沿这些输入和排出通道的长度而变化。由此可以对抗由液体动力学效应导致的沿输入和排出通道的方向的在多孔媒介/片流中的不均匀的流速分布，获得了多孔媒介/片流中的流速分布的改进的均匀性。

有利地，当多孔媒介(或片流)具有均匀分布的流阻时，通过如下地改变输入和排出通道之间的距离实现对流体动力学效应的补偿。优选地在本实施例中，介乎输入和排出管的端部之间的距离最小，即在沿输入和排出通道从中间向输入和排出通道的端部的两个方向上，输入和排出通道之间的距离渐渐增加。

另外根据一个实施例，从竖直方向看，流板大致是圆的。在高压力工作的堆叠池电解槽中使用流板时，圆形具有机械稳定的优点。

根据一个具有圆形几何形状的流板的实施例，有利地，提供了输入和排出通道的交指型的阵列。边缘的每个输入和排出通道连接到各自的输入和排出歧管，这些输入和排出歧管彼此相对地布置在流板边缘的任意一半上。从通道连接到歧管的地方沿着通道，通道朝向中心径向向内地延伸，但再次被弯曲以使通道终点的指向径向相外，其中随着通道到圆心的距离增加，它们越来越弯。这样邻近的输入和排出通道在中部比在任何一个端部更为接近彼此。

以下公开一种电解池和堆叠池电解槽，其包含根据任何一个上述的实施例的流板。相应地，就流板的不同实施例而言，对这些装置获得了如上所述的相同的好处。

根据本发明的另外的方面，提供了用于通过电解从水中生产氢的电解池。该电解池包含具有被夹在阳极和阴极之间的高分子电解膜(PEM)的平面膜电极组件(MEA)；在阳极侧，与阳极接触的阳极侧流体分布媒介，与阳极侧流体分布媒介接触的阳极电流收集器；和在阴极侧，与阴极接触的阴极侧流体分布媒介，和与阴极侧流体分布媒介接触的阴极电流收集器；其中阳极电流收集器是根据前面任何一个提到的实施例的流板。

另外根据电解池的一个实施例，阳极电流收集器和阴极电流收集器在各自的根据前面任何一个提到的实施例的双极分离器板上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于通过电解从水中产生氢的堆叠池电解槽。该堆叠池电解槽形成为一叠如前面提到的电解池。

附图说明

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的，包含流板的电解池的横截面的细节。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的，具有交指型的流场图案的布置的通道板的上视图。

图3显示了根据本发明的另一个实施例的，双极分离器板的下视图。

图4示意性地显示了堆叠池电解槽的横截面的细节，且描绘了阳极侧交指型的流体流动。

图5示意性地显示了用于CFD模拟交指型的流动的模型系统。

图6是显示了从图5的模型系统的CFD模拟获得的沿x轴的片流速度分布图。

图7显示了根据本发明的还有一个实施例的，具有交指型的流场图案布置的通道板的上视图。

图8显示了沿图7中的线A-A的通道板的截面的细节。

图9显示了对应于图7的通道板，具有交指型的流场图案的盖板的上视图。

图10显示了沿图9中的线B-B的盖板的截面的细节。

具体实施方式

图1示意性地显示了，贯穿基于高分子电解膜(PEM)的电解池的横截面的细节该电解池包含复合流板1，该复合流板1具有例如由导电的碳/石墨混合物制作通道板2和例如由钛制作的盖板3，其中盖板3被布置在通道板2之上且和通道板2电接触良好。通道板2在正面上具有在抬高部分23之间的凹陷部分21。凹陷部分21界定了具有底部(凹陷部分21)和从底部21向抬高部分23延伸的侧壁22的开口通道20。抬高部分23在一个共同平面上并界定了通道板2的上平面。通道20在该上平面处开口。盖板3包含闭合部分41之间的孔40。孔40与底下的通道20对齐，其中孔40比通道20窄，这样通道20的侧壁22相对于对应的孔40向内凹。在背离通道板2的表面上，盖板和阳极侧流体分布媒介4机械接触且电接触，该阳极侧流体分布媒介4由多孔、导电且耐腐蚀的材料制作，该材料例如钛毡。阳极侧流体分布媒介4与平面膜电极组件(MEA)的阳极5机械接触且电接触，其中MEA包含被夹在阳极5和阴极7之间的PEM6。阴极7被导电的阴极侧流体分布媒介8接触，阴极侧流体分布媒介8例如碳毡(carbonfelt)，其继而被阴极板9接触。在工作中，电流沿竖直方向通过电解池，其中流板1作为阳极电流收集器，阴极板9作为阴极电流收集器。通道20被设计为具有足够的横截面积来通过通道板2中界定的流场图案将反应物水大致分布在电解池的阳极侧区域上。流体分布媒介4通过孔20与通道20流体连通并处理反应物水在MEA的阳极5的表面上的精细分布。发生在阳极处的电解反应产生原子态氧并引起对基于碳的材料的强腐蚀环境，基于碳的材料例如用于制作通道板的可模压的碳/石墨混合物。盖板3由在水电解的阳极环境中耐腐蚀的材料制作并被设计以保护底下的通道板2免于腐蚀，材料例如钛。盖板3的闭合部分41至少覆盖通道板2的抬高部分23，而孔40与通道20对齐。由此，仅有通道板2的通道20的内表面21、22暴露于潜在的腐蚀性的阳极侧流体。然而，为避免对这些表面的腐蚀，以下措施是足够的，即选择盖板2的厚度和具有足够横截面积的通道20的深度，以使阳极5与通道20的内表面21、22之间的距离超过最小长度。在基于PEM的电解池中在通过水电解产生氢的典型工作条件下，加载在阴极电流收集器9和阳极电流收集器1之间的电势差典型地在1.4V到2.0V之间。在这些条件下，令人惊讶地证明了超过1mm的，或典型地约为1.5mm的最小距离足以有效地抑制对通道板2材料的腐蚀。如一个成功的几何参数的示例，阳极侧流体分布媒介的典型厚度约为0.3mm，盖板2的厚度约为0.7mm，通道20的深度约为0.5mm，即阳极5和通道底部21之间的总距离约为1.5mm。在这个示例中，孔40的宽度约为0.3mm，通道20的宽度约为1mm，其中孔40相对于通道20中心对齐，这引起侧壁22相对于孔40向内凹约0.3-0.4mm。

图2显示了带有流场图案200的圆形通道板202的正面的上视图，该流场图案200具有和直排出通道220交替的直输入通道210的交指型的布置，以使邻近的输入和排出通道210、220被沿着彼此平行地布置横跨通道板202的表面。输入通道210的上游端通过输入歧管214连接到输入口215。相应地，排出通道220的下游端通过排出歧管224连接到排出口225。输入和排出歧管214、224被布置在通道板202的边缘处，且正好彼此相对。输入和排出口215、225被布置在通道板的边沿部分上，该边沿部分环绕流场图案200和歧管214、224。输入和排出通道210、220从它们各自的歧管210、224向相对的歧管224、214横跨通道板202且紧挨着相对的歧管224、214终止于通道板上。输入和排出通道210、220彼此不相接，但仅能通过通道210、220之间的抬高部分223上的开口连通。引起的受迫的交指型的流动将在下面参考图4描述。

图3显示了带有氢收集流场250的双极分离器板的阴极侧视图。氢收集通道251、252被以十字交叉的图案布置并通过边缘歧管连接到氢收集口253。该十字交叉图案是收集通道的一个合适的布置，但还可以构思其他的布置。流场作为阴极电流收集器要与电解池的阴极侧上的流体分布媒介接触。通道251、252从流体分布媒介收集在MEA的阴极处产生的氢并将氢引导到收集口253，氢在收集口253那里被排出以存储或作外用。如图3所显示的，阴极侧流场250可以被布置在通道板202的背面，其中通道板202的正面带有阳极侧流场200，如图2(或图7)所示的那样。氢收集口253被布置在边沿部分，该边沿部分还带有输入和排出口215、225。

图4示意性地显示了电解池的堆叠布置，其中每个池包含一个被夹在阳极侧流体分布媒介4和阴极侧流体分布媒介8之间的MEA。堆叠的池通过双极分离器板1串联地电连接，双极分离器板1的一侧作为一个池的阴极电流收集器，对面的一侧作为下一个池的阳极电流收集器。同时，双极分离器板是带有阴极侧流场和阳极侧流场的流板。由双极分离器板1将池的流场彼此分隔开。通过堆叠歧管将流场在池外连接，堆叠歧管用于输送反应物水用料、排出阳极侧流体和反应产物(水和氧)以及排出阴极侧流体和反应产物(水和氢)。堆叠歧管有利地形成在双极板1的边沿部分中。例如，在图2和3的实施例中，堆叠输入、堆叠排出和堆叠收集歧管可以通过将输入、排出和收集口215、225、253和堆叠中后面的双极分离器板的接合的输入、排出和收集口接合在一起形成。

在图4中示出的实施例的横截面细节中，阴极侧流场具有收集通道50，该收集通道50被布置以从阴极侧流体分布媒介8收集在MEA的阴极处产生的氢和存在于池的阴极侧的过剩的水，并且通过收集口排出氢和水。

阳极侧流场具有输入通道10和排出通道20，这些通道以相互数值化的如以上参考图2所描述的布置被布置。输入和排出通道10、20形成在通道板2的正面上，且通过在盖板3中各个输入孔30和排出孔40与阳极侧流体分布媒介4连通，如以上参考图1所描述的设计。

输入和排出通道的交指型的布置引起通过阳极侧流体分布媒介4的受迫流动，该流动如图4中的小箭头指示。通过一个池输入口(图4中未示出)将反应物水从共同的堆叠输入歧管供应到每个电解池；反应物水在上游端处经由池输入歧管进入输入通道10；反应物水沿横向方向经由输入通道10流过通道板2；从那里，反应物水通过盖板3中的对应的输入孔30沿竖直方向注入流体分布媒介4；注入以分布的方式沿输入通道10的长度发生；注入流分为两个横向片流，向在输入孔30的任何一侧的邻近的排出孔40通过多孔的流体分布媒介4；反应物水的片流接触MEA的阳极、催化剂和电解质，它在那里经历电解过程；每个排出孔40从来源于在排出孔40任一侧的输入孔30的两个片流收集反应产物(氧)和过剩的水；氧和过剩的水通过盖板中输入孔任一侧的一个或多个邻近的排出孔沿竖直方向离开流体分布媒介4以进入底下的排出通道，携带有氧的过剩的水从该排出通道经由排出歧管和排出口排出。这样交指型的流场产生沿MEA表面的受迫片流的图案，其中邻近片流具有相反的方向。由此，实现了反应物向用于电解的活性区域的充足供应和改进的分布，同时充分排出阳极侧反应产物和过多的热。

图5示出了模型系统500，其用于执行受迫片流的CFD模拟。模型系统500包含第一通道510和隔开一些布置的第二通道520，它们沿x坐标方向彼此平行。在上游端，第一通道510连接到水源。在下游端，第一通道510终止。在上游端，第二通道520终止。在下游端，第二通道520连接到水槽。两个通道510、520仅经由布置在通道510、520之上的多孔媒介504的受限层彼此流体连通。使用发生在上述类型的电解池中典型的几何参数执行模拟。源于第一通道510的水在第一通道510整个宽度上竖直地注入多孔层504。水沿垂直于x轴的方向，即沿y轴的方向，通过多孔媒介流向第二通道520，水在那里被收集并接着被输送到水槽。CFD模拟表明沿y方向的片流的速度大小Vs作为x坐标的函数而变化。图6显示了具有使用模型系统500执行的CFD模拟的结果的图。该图绘出了作为x轴的函数的片流速度大小Vs(x)，该片流速度大小为沿从第一通道510到第二通道520的方向通过多孔媒介的片流速度大小。观测到介乎两端之间的宣称的最小值。相应地，具有平行的输入和排出通道的交指型的阳极侧流场图案的电解池可能遭受在MEA表面上的反应物供应和冷却能力的不均匀分布。

转向图7-10，显示了流板的一个有利的实施例，其解决了沿输入和排出通道方向的不均匀的流动分布的问题，以上关于图5和6描述的CFD模拟说明了该不均匀的流动分布问题。图7和8显示了具有包含弯曲的输入和排出通道710、720的交指型的流场700的布置的通道板702，图9和10显示了相连的具有相应的输入和排出孔730、740的布置的盖板703。

图7显示了圆形通道板702的正面的上视图，该圆形通道板702类似于以上关于图2描述的通道板202。通道板702具有被布置在边沿部分上的输入、排出和收集口715、725、753，其中输入口715连接到输入歧管714，排出口连接到排出歧管724。输入和排出歧管相对于彼此被布置在带有相互数值化的输入和排出通道710、720的圆形流场700的边缘上。通道板702与图2的通道板202的不同之处在于流场图案700的布置，其中与边缘区域相比，在中心区域邻近的输入和排出通道710、720之间的横向距离较小。在通道710、720的中间部分，邻近的输入和排出通道710、720之间的距离最小，且该距离沿着通道从中间部分向任一端的方向增加。在圆形流场图案中这样的配置特别有利，但也能对其他形状，例如诸如矩形、正方形或六边形的多边形，相应地构思配置。在通道板702上的圆形流场700中，输入和排出通道710、720以一曲率弯曲，该曲率随着通道710、720到通道板702的中心的距离的增加而增加。有利地，通道径向向内/向外地指向外端，大致垂直于圆形边缘上的输入和排出通道，其中通过诸如样条曲线、圆弧或椭圆弧的弯曲轨迹将各端连接。

图7-10中示出的流板的实施例是用于堆叠池电解槽中的双极分离器板。因此通道板702背面具有收集通道751、752的阴极侧流场图案750，该收集通道751、752可以例如布置为如上面参考图3描述的十字交叉图案。经由边缘收集歧管，收集通道751、752连接到布置在通道板702的边沿部分上的收集口753。收集口753适应于用在堆叠池配置中，类似于欧洲专利EP 1726060B1中描述的用于燃料电池的双功能双极板。

图8显示了沿图7中的线A-A的通道板702的横截面的细节。在左端，可见穿过带有收集口753的边沿部分的横截面。向右，在通道板702的上面，输入通道710与排出通道720交替以形成交指型的图案。如上面提到的，在背面，具有收集通道751、752的流场图案750，其连接到收集口753。

图9显示了与参考图7、8描述的通道板702相连的盖板703，其中盖板703和通道板702一起形成用于堆叠的水电解槽中的双极分离器板。交替的输入孔730和排出孔740的孔的图案分别地对应于输入通道720和排出通道720的交替的图案。当组装的时候，将盖板703中的输入孔730与底下的通道板702的正面上的输入通道710对齐，将排出孔740与底下的排出通道720对齐。在电解池的横向边缘内，盖板703的闭合部分至少覆盖并由此保护通道板702的抬高部分，该抬高部分在通道710、720和歧管714、724之间并环绕它们。有利地如图9中所示出的，在输入歧管714的一侧，输入孔730略微延伸超过排出孔740以与输入歧管重叠。另外有利地，在排出歧管724的一侧，排出孔740延伸超过输入孔730以与排出歧管724重叠。

图10显示了沿图9中的线B-B的盖板703的横截面的细节。贯穿的输入孔730与贯穿的排出孔740交替，由此反射出了在通道板702上的输入和排出通道710、720的交指型的图案。由闭合部分741将邻近的输入和排出孔730、740分隔开。

Claims

1.一种在用于从水中产生氢的电解池中用作阳极电流收集器的流板，所述流板包含

通道板，其中所述通道板的正面具有由与抬高部分交替的凹陷部分界定的开口通道的流场图案，和

由在水电解的阳极环境中耐腐蚀的材料制作的盖板，其中所述盖板被平行地布置在所述通道板之上且和所述通道板的所述正面电接触，其中所述盖板具有与闭合部分交替的贯穿孔的图案，其中所述贯穿孔的图案与所述凹陷部分对齐，且其中所述闭合部分至少覆盖所述通道板的所述抬高部分。

2.如权利要求1所述的流板，其中所述通道板上的所述流场图案是交指型的输入通道和排出通道的系统，

其中每个所述输入通道具有通过至少一个输入歧管连接到至少一个输入口的上游端，以及具有终止在所述通道板上的下游端，

其中每个所述排出通道具有终止在所述通道板上的上游端和通过至少一个排出歧管连接到至少一个排出口的下游端，以及

其中所述盖板中的所述孔被布置为输入孔和排出孔的交指型的图案，所述输入孔和排出孔的交指型的图案对应于所述输入通道和排出通道的交指型的图案。

3.如权利要求1所述的流板，其中所述盖板中的所述孔的宽度小于底下的所述通道的宽度，所述底下的所述通道在所述通道板中。

4.如权利要求1所述的流板，其中所述盖板中的所述孔的宽度小于0.5mm。

5.如权利要求4所述的流板，其中所述盖板中的所述孔的所述宽度在0.1mm到0.5mm之间。

6.如权利要求5所述的流板，其中所述盖板的厚度至少为0.2mm。

7.如权利要求6所述的流板，其中所述盖板的厚度在0.2mm到3mm之间。

8.如权利要求7所述的流板，其中所述盖板的厚度在0.3mm到1.5mm之间。

9.如权利要求8所述的流板，其中所述盖板的厚度在0.5mm到1mm之间。

10.如权利要求1所述的流板，其中所述盖板是由不锈钢、钛或钛合金制作的。

11.如权利要求1所述的流板，其中在所述正面上的所述通道具有的深度为在0.3mm到1mm之间。

12.如权利要求1所述的流板，其中所述通道在上平面的宽度为在0.3mm到3mm之间。

13.如权利要求1所述的流板，其中所述流板是用在堆叠池电解槽中的双极分离器板，其中所述盖板和所述通道板的正面是所述阳极电流收集器，所述通道板的背面是阴极电流收集器。

14.如权利要求13所述的流板，其中所述通道板的所述背面具有由与抬高部分交替的凹陷部分界定的开口通道的流场图案。

15.如权利要求2所述的流板，其中所述至少一个输入歧管和所述至少一个排出歧管被布置在所述通道板的边缘的相对的部分上，以及其中与所述通道板的边缘部分相比，在中心部分所述通道板的所述正面上的交指型的流场中的邻近的输入通道和排出通道之间的横向距离更小。

16.如权利要求1所述的流板，其中所述流板从竖直方向上看大体是圆形的。

17.如权利要求1所述的流板，其中所述通道板由碳/石墨混合物制作。

18.用于通过电解从水中产生氢的电解池，所述电解池包含

具有被夹在阳极和阴极之间的高分子电解膜的平面膜电极组件，

在所述阳极侧，与所述阳极接触的阳极侧流体分布媒介，与所述阳极侧流体分布媒介接触的阳极电流收集器，和

在所述阴极侧，与所述阴极接触的阴极侧流体分布媒介，和与所述阴极侧流体分布媒介接触的阴极电流收集器，其中

所述阳极电流收集器是如前面任何一个权利要求所述的流板。

19.如权利要求18所述的电解池，其中所述阳极电流收集器和所述阴极电流收集器在各自的如权利要求13或14所述的双极分离器板上。

20.如权利要求18所述的电解池，其中所述阳极与所述通道板的所述通道的内表面之间的最小距离r超过1mm。

21.如权利要求19所述的电解池，其中所述阳极与所述通道板的所述通道的内表面之间的最小距离r超过1mm。

22.用于通过电解从水中产生氢的堆叠池电解槽，其中所述电解槽由一叠如权利要求19所述的电解池形成。

23.用于通过电解从水中产生氢的堆叠池电解槽，其中所述电解槽由一叠如权利要求20所述的电解池形成。

24.用于通过电解从水中产生氢的堆叠池电解槽，其中所述电解槽由一叠如权利要求21所述的电解池形成。