专利名称：含金属丝的双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双极板，尤其是使用于电化学过程的双极板。本发明还涉及这种双极板的制造方法。
背景技术：
已知双极板使用于电化学过程，例如燃料电池。电化学过程的反应器可以包括一个阳极室和一个阴极室，它们彼此借助一种液体或气体密封阻挡层隔离。同时，一个导电的电极设置在该阳极室和阴极室内。双极板可以作为一个液体和气体阻挡层设置在阳极和阴极之间。
在某些情况下，位于阳极侧和阴极侧的电极彼此处于电接触。专利申请EP 229473 B1描述这样一种双极板，该双极板包括一个聚合物壁以及一个第一电极和一个第二电极，每个电极在聚合物壁的一侧上。电极设置为使用一个波纹的、可能是带孔的金属板或一个纺织结构形式的一个波纹的丝网。电极部分地埋置在聚合物壁内，以及使它们在聚合物壁内彼此电接触。
带孔的金属板的刚性以及要在聚合物壁内固定的大量金属使得在聚合物壁内埋置电极相当困难，引起在聚合物壁内有关两个电极必须接触方面的不确定性。存在如此大量的金属板材导致必须用于在电极内分布的气体的抽空的显著的压力降。它还会导致板材具有一个相当大的重量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种双极板，该双极板是现有技术已知的双极板的一个代替。本发明的另一目的是便于在聚合物壁内电极的埋置。本发明的另一目的是提供一种双极板，该双极板具有在聚合物壁内电极改进的固定。本发明的另一目的是提供一种双极板，该双极板具有在聚合物壁内两个电极的更稳定的接触。本发明的另一目的是提供一种双极板，该双极板改进作为电化学反应结果得到的气体的抽空。本发明的另一目的是便于气体的分布，这些气体是越过电极的整个表面的电化学反应产生的。本发明的另一目的是获得一种双极板，该双极板带有电化学反应用的液体的改进的分布。本发明还有另一个目的是提供一种双极板，该双极板的制造费用较低。
作为本发明的一个主题的一种双极板包括一个聚合物壁以及一个第一和一个第二电极。第一电极定位在聚合物壁的一个第一侧面上，而第二电极定位在聚合物壁的一个第二侧面上。两个电极部分地埋置在聚合物壁内，使它们在聚合物壁内彼此电接触。作为本发明的一个主题的双极板的特征在于，至少一个第一电极或第二电极包括金属丝编织的织物，该织物部分地埋置在聚合物壁内。可能两个电极都包括金属丝编织的织物，该织物部分地埋置在聚合物壁内。电极甚至可以由金属丝编织的织物组成。有可能每个电极包括多于一层的金属丝编织的织物，全部层是一层叠加在另一层的顶上。最接近聚合物壁的那一层部分地埋置在聚合物壁内。
还发现，使用金属丝编织的织物，织物的埋置方便，以及能够以更精确的方式进行。还发现，使用金属丝编织的织物，它部分地埋置在聚合物壁内，提供电极在聚合物壁内一个改进的固定。如果两个电极都部分地埋置在聚合物壁内，以及使它们在聚合物壁内电接触，这种改进的固定导致在两电极之间长时间更稳定的电接触。还发现，当作为本发明的主题的双极板包括的电极每个有可能由多于一层金属丝编织的织物组成时，它们使用于电化学过程，由于化学反应得到的气体可以更容易地和以较小的压力降从电极抽空。还发现，在气体作为反应剂的情况下，这些气体在整个电极体积内更容易和更均匀地分布，要求较小的分布压力。还发现，在电化学反应时使用的液体在整个电极体积内更容易和更均匀地分布。因为与波纹板或类似板比较，该电极需要的金属体积较小，所以双极板重量较轻。含有较小金属体积的事实可以降低双极板的生产价格。
用于提供作为本发明的主题的双极板用的金属丝编织的织物，不像现有技术双极板那样需要制成波纹的。因此，在双极板的生产中制波纹的一个步骤可以省略，这进一步降低了生产成本。
具有直径在0.05mm至0.5mm范围的金属丝可以使用于制造金属丝编织的织物。优选地，金属丝具有直径在0.05mm至0.3mm的范围内，比如在0.05mm至0.25mm的范围内，或在0.05mm至0.1mm的范围内可以使用。作为金属丝可以使用镍和镍合金的金属丝。代替地可以使用钛、钛合金、或不锈钢，比如使用AISI 300系列或AISI 400系列的不锈钢，例如AISI 302、AISI 304、AISI 310、AISI 316、AISI316L、AISI 347、AISI 430、AISI 434或AISI 444。
聚合物壁优选地是一种聚合物板材。聚合物壁的厚度优选地大于0.5mm，但小于5mm。厚度的选择可以影响聚合物壁的气体和液体渗透性，以及影响通过聚合物壁的气体分子的扩散系数。
关于聚合物壁，制造聚合物壁使用的聚合物优选地由下列的组选择，该组包括氟聚合物，比如聚四氟乙烯；聚烯烃，比如聚丙烯；聚乙烯；高密度聚乙烯；聚缩醛或聚砜。优选地，聚合物壁是一种借助挤压过程获得的聚合物板材。挤压的聚合物板材保证一个较大的气体和液体密封性程度。
两个电极，至少其中一个包括金属丝编织的织物，所述的电极部分地埋置在聚合物壁内，优选地，金属丝编织的织物与聚合物壁层压到一起，该聚合物壁优选地是一种聚合物板材。电极的一个金属丝编织的织物的埋置深度以这样一种方式选择，使得在聚合物壁内的两个电极彼此接触，从而提供两个电极之间的电接触。
为了在聚合物壁的两个侧面保留金属丝编织的织物的一部分未被埋入，金属丝编织的织物的厚度应大于聚合物壁厚度的一半。
优选地，金属丝编织的织物具有一个小于5mm的厚度。
金属丝编织的织物的密度最好小于10％。
电极可以包括附加的元件在部分埋置的金属丝编织的织物的旁边，例如，隔离元件或催化剂携带元件。作为用于提供电极足够的体积，或者用于提供电极的其它元件的实例，对于每个电极可以使用多于一层金属丝编织的织物，一层叠置在另一层的顶上。
在一个或两个电极上可以带有一种电化学反应用的催化剂，例如，可以使用由下列一组选择的一种催化剂，该组包括Rh、Ru、Pt、Pd、Ir、Ag、Ni、Cu、WC、Au或它们的组合。在第一电极上的催化剂可以与在第二电极上的催化剂是相同的或不同的。
催化剂可以仅存在于电极上的某一区域内。作为一个实例，催化剂可以仅存在于远离聚合物壁的电极的侧面上。
作为一个实例，一个电极可以包括一个第一金属丝编织的织物，部分地埋置在聚合物壁内，作为本发明的一个主题。一个第二金属丝编织的织物，其功能是作为在第一金属丝编织的织物和催化剂载体之间的隔离层，存在于第一金属丝编织的织物的顶部上，一个涂覆催化剂的第三金属丝编织的织物，其功能是作为催化剂载体设置在第二金属丝编织的织物的顶部。
作为本发明的主题的双极板可以使用于全部种类的电化学反应器，比如燃料电池，电解槽或生产H2的装置。
在电极包括多于一层金属丝编织的织物的情况下，仅有某些层可以涂覆催化剂。优选地，在聚合物壁内部分地埋置的金属丝编织的织物是不涂覆催化剂的。
本发明的另一目的是提供一种制造双极板的方法，该方法包括下列步骤—提供一个聚合物壁；—提供一个第一电极，该电极包括一种金属丝编织的织物；—提供一个第二电极，该电极包括一种金属丝编织的织物；—设置第一电极在聚合物壁的一个第一侧面上；—设置第二电极在上述的聚合物壁的一个第二侧面上；—层压上述的第一和第二电极和聚合物壁。
这种方法以一种更经济的方式制造双极板，并且该方法易于控制，因为某些处理参数，例如层压时的压力是较不重要的。后者是由于金属丝编织的织物在垂直于其表面的方向上具有弹性。
作为本发明的一个主题的一种双极板的制造方法有可能还包括一个用一种催化剂涂覆一个或两个金属丝编织的织物的步骤。
一种双极板的制造方法有可能还包括在层压之前或之后添加不同层的金属丝编织的织物一层在另一层的顶部，以获得包括多于一层金属丝编织的织物的电极的步骤。
下面将参照附图更详细地说明本发明，附图中图1示出作为本发明的一个主题的双极板的一个侧视图；图2示出按照图1的作为本发明的一个主题的双极板沿平面AA’的一个横剖面图；图3和图4示出作为本发明的一个主题的代替的双极板的一个横剖面图。
具体实施例方式
作为本发明的一个主题的一个双极板110的侧视图示于图1内。一个聚合物壁120具有两个外表面，以及至少在一个表面121上，作为一个电极的一部分的一种金属丝编织的织物130是部分地埋置在聚合物壁120内。在聚合物壁120的另一个侧面122上有可能另一个金属丝编织的织物140(为了清晰起见在图1内未示出)，作为位于另一个侧面122上的电极的一部分部分地埋置在聚合物壁120内。
图2示出双极板110的一个横剖面图，该双极板110具有两个电极，电极包括金属丝编织的织物(130和140)，各在聚合物壁120的一个侧面上。
一个双极板110包括一个聚合物壁120，其厚度221为，例如2mm。在聚合物壁的两侧面121和122上，一种金属丝编织的织物130和140是部分地埋置越过一个深度稍大于聚合物壁120的厚度221的一半，优选地，聚合物壁为一种挤压的高密度聚丙烯(HDPP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚砜或聚缩醛板材。应该理解，金属丝编织的织物的厚度233，234基本上大于聚合物壁120的厚度221的一半，以便给电极提供一个充分的体积，该体积不埋置在聚合物壁内，和给电极提供空隙体积，用于供给的反应气体或反应液体的抽空。
有可能，金属丝编织的织物130可以涂覆一种Pt和Ru基的催化剂。金属丝编织的织物140可以涂覆一种Pt和Ir基的催化剂。
金属丝编织的织物130和140可以是使用一个5号机器量具(针床每英寸5针)的、双床编织的结构(或者纬线编织的卷)。可以使用一种直径250μm的镍丝。
金属丝编织的织物优选地借助使金属丝编织的织物层压在聚合物板材内，而埋置在聚合物壁内，聚合物壁优选地是一种聚合物板材。
图3示出作为本发明的一个目的的一个代替的双极板的横剖面图。双极板310包括一个聚合物壁320，该聚合物壁320是一种挤压的聚合物板材，材料为高密度聚丙烯(HDPP)、聚砜、聚缩醛、或高密度聚乙烯(HDPE)。聚合物板材的厚度321为约1mm。在聚合物壁311的一个侧面放置一个第一电极330，该第一电极330包括两层金属丝编织的织物331和332，最接近聚合物壁320的一层金属丝编织的织物331部分地埋置在聚合物壁320内。电极333的厚度是金属丝编织的织物层331和332的厚度，并且约为7mm，其中每一层织物层331和332各具有厚度约3.5mm。
织物层331埋置入聚合物壁内越过一个深度稍大于0.5mm。
在聚合物壁的另一侧面312放置一个第二电极340，该第二电极包括两层金属丝编织的织物341和342，最接近聚合物壁320的一层金属丝编织的织物341部分地埋置在聚合物壁320内。电极343的厚度是金属丝编织的织物层341和342的厚度，并且约为7mm，其中每一层织物层341和342各具有厚度约3.5mm。织物层341埋置入聚合物壁内越过一个稍大于0.5mm的深度。
由于两个金属丝编织的织物331和341是使用稍大于聚合物壁的厚度321的一半的深度埋置的，从而保证在两个金属丝编织的织物331和341之间，以及因此在两个电极330和340之间的电接触。
作为一个实例，金属丝编织的织物331，332、341、342可以是使用一个5号机器量具(针床每英寸5针)的、单平针编织的结构。可以使用一种直径250μm的镍丝，提供一种金属丝编织的织物，具有一个厚度为约3.5mm，具有一个重量为47.5g/m2和密度为1.7％。
织物层332可以涂覆一种Pt和In基的催化剂。织物层342可以涂覆一种Pt和Ir基的催化剂。
图4示出作为本发明的一个主题的一个代替的双极板的横剖面图。双极板410包括一个聚合物壁420，该聚合物壁420是一种挤压的聚合物板材，材料为高密度聚丙烯(HDPP)、聚砜、聚缩醛、或高密度聚乙烯(HDPE)。聚合物板材的厚度为约1mm。在聚合物壁420的一个侧面，放置一个第一电极430，该第一电极包括三层金属丝编织的织物层431，432和433，最接近聚合物壁420的一层金属丝编织的织物层431部分地埋置在聚合物壁420内。电极的厚度434是金属丝编织的织物层431，432和433的厚度总和，并且约为10.5mm，其中每一层织物层431，432和433各具有厚度约3.5mm。织物层431埋置入聚合物壁内越过一个稍大于0.5mm的深度。
在聚合物壁的另一个侧面放置一个第二电极440，该第二电极440包括三层金属丝编织的织物层441，442和443，最接近聚合物壁420的一层金属丝编织的织物层441部分地埋置入聚合物壁420内。电极444的厚度是金属丝编织的织物层441，442和443的厚度总和，并且约为10.5mm，其中每一层织物层441，442和443具有一个厚度为约3.5mm。织物层441埋置入聚合物壁内越过一个稍大于0.5mm的深度。
由于两个金属丝编织的织物层431和441是使用稍大于聚合物壁的厚度421的一半的深度埋置的，从而保证在两个金属丝编织的织物层431和441之间以及因此在两个电极430和440之间的电接触。
金属丝编织的织物层441，442，443，432和433可以是与图3内实施例使用的相同的。
金属丝编织的织物层432和442的功能是作为第一金属丝编织的织物层431和441与第三金属丝编织的织物层433和443之间的隔离层，其中金属丝编织的织物层433可以涂覆一种Pt和In基的催化剂，以及金属丝编织的织物层443可以涂覆一种Pt和Ir基的催化剂。
权利要求
1.一种双极板，包括一个聚合物壁，该聚合物壁具有一个第一侧面和一个第二侧面，上述的双极板还包括一个第一和一个第二电极，上述的第一电极定位在上述的聚合物壁的上述的第一侧面，上述的第二电极定位在上述的聚合物壁的上述的第二侧面，上述的第一电极和第二电极部分地埋置在上述的聚合物壁内，上述的第一电极和上述的第二电极在上述的聚合物壁内成为彼此电接触，其特征在于，至少上述的第一电极或第二电极中的一个包括一种金属丝编织的织物，部分地埋置在上述的聚合物壁内。
2.按照权利要求1的双极板，其特征在于，上述的第一电极和上述的第二电极都包括一种金属丝编织的织物，部分地埋置在上述的聚合物壁内。
3.按照权利要求1或2任何一项的双极板，其特征在于，上述的电极是由金属丝编织的织物组成的。
4.按照权利要求1至3中任何一项的双极板，其特征在于，上述的第一和上述的第二电极包括多于一层金属丝编织的织物层，仅有上述的各电极的仅仅一层的上述的金属丝编织的织物层是部分地埋置在上述的聚合物壁内。
5.按照权利要求1至4中任何一项的双极板，其特征在于，上述的金属丝编织的织物层具有一个小于10％的密度。
6.按照权利要求1至5中任何一项的双极板，其特征在于，上述的聚合物壁是一种聚合物板材。
7.按照权利要求6的双极板，其特征在于，上述的聚合物板材是一种挤压的聚合物板材。
8.按照权利要求1至7中任何一项的双极板，其特征在于，上述的金属丝编织的织物使用镍或镍合金的金属丝。
9.按照权利要求1至8中任何一项的双极板，其特征在于，上述的金属丝编织的织物包括具有一个直径小于0.5mm的金属丝。
10.按照权利要求1至9中任何一项的双极板，其特征在于，上述的聚合物壁使用的聚合物材料从包括氟聚合物、聚烯烃、聚缩醛或聚砜的一组中选出。
11.按照权利要求1至10中任何一项的双极板，其特征在于，上述的聚合物壁具有一个大于0.5mm和小于5mm的厚度。
12.按照权利要求1至11中任何一项的双极板，其特征在于，上述的第一电极和上述的第二电极每一个具有一个厚度大于上述的聚合物壁厚度的一半。
13.按照权利要求1至12中任何一项的双极板，其特征在于，上述的第一电极和/或上述的第二电极包括一种催化剂。
14.按照权利要求1至13中任何一项的双极板，其特征在于，上述的第二电极包括一种催化剂，所述的催化剂选自下列组，该组包括Rh、Ru、Pt、Pd、Ir、Ag、Ni、Cu、WC、Au或它们的组合。
15.一种双极板的制造方法，包括下列步骤—提供一个聚合物壁；—提供一个第一电极，该电极包括金属丝编织的织物；—提供一个第二电极，该电极包括金属丝编织的织物；—设置上述的第一电极在上述的聚合物壁的一个第一侧面上；—设置上述的第二电极在上述的聚合物壁的一个第二侧面上；—层压上述的第一和上述的第二电极和聚合物壁。
16.按照权利要求1至14的一种双极板在电化学反应器内的使用。
17.按照权利要求1至14中的一种双极板在H2的生产中的使用。
全文摘要
作为本发明的一个主题的一种双极板，包括一个聚合物壁(420)以及一个第一电极(430)和一个第二电极(440)。第一电极定位在聚合物壁的一个第一侧面上，以及第二电极定位在聚合物壁的一个第二侧面上。第一电极和第二电极部分地埋置在聚合物壁内，使它们在聚合物壁内成为彼此电接触。至少两个电极之一包括一部分地埋置在聚合物壁内的金属丝编织的织物。
文档编号H01M8/02GK1771354SQ03826389
公开日2006年5月10日 申请日期2003年4月29日 优先权日2003年4月29日
发明者L·阿纳弗 申请人:贝克特股份有限公司