本公開涉及一種用于電解器的層系統(tǒng)和相應的電解器。

背景技術：

1、電解器是用于通過電解過程將水分解為其組成部分(即，氫氣和氧氣)的設備。該技術已經(jīng)被廣泛研究并且在應用范圍內(nèi)實現(xiàn)，包括作為燃料的氫氣的生產(chǎn)、用于醫(yī)療和工業(yè)目的的氧氣的生成、以及去除水中的雜質(zhì)。

2、近年來，由于電解器有助于向更可持續(xù)的能源系統(tǒng)過渡的潛力，因此對電解器越來越感興趣。電解器可以使用諸如風能和太陽能之類的可再生能源來產(chǎn)生氫氣，然后將其作為清潔且多功能的能源載體來使用。此外，電解器可以用于儲存多余的能量，允許將間歇性可再生能源并入到電網(wǎng)中。

3、盡管有這些優(yōu)勢，但仍然存在需要解決的挑戰(zhàn)。特別是當考慮當前電解器的層系統(tǒng)的設計時。電解器的層系統(tǒng)主要確定電解器的制造、組裝和/或維護的難易程度。此外，層系統(tǒng)對于電解器的效率和耐用性至關重要。

4、然而，現(xiàn)有的層系統(tǒng)通常難以制造、組裝和/或維護，特別是由于現(xiàn)有的層系統(tǒng)的復雜設計常常涉及多個單獨的部件。此外，現(xiàn)有的電解器的層系統(tǒng)通常是材料密集型的，并且因此也很昂貴。特別是對于堿性電解器的層系統(tǒng)，如ep?2862960b1中的示例所示，確定了需要簡化的層系統(tǒng)。

5、因此，本公開的目的是提供至少部分地克服前述缺點的用于電解器的層系統(tǒng)和相應的電解器。具體地，本發(fā)明旨在提供一種用于電解器、特別是堿性電解器的更簡單的層系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、該目的至少部分地通過如獨立權利要求中限定的用于電解器的層系統(tǒng)和相應的電解器來實現(xiàn)。本公開的其他方面在從屬權利要求中限定。

2、具體地，該目的通過用于電解器的層系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中，該層系統(tǒng)包括具有以下給定順序的層的基底層堆疊：(i)具有多個穿孔的第一穿孔層；(ii)第一雙極層；以及(iii)具有多個穿孔的第二穿孔層。第一雙極層包括在第一表面上的第一間隔裝置，以將第一穿孔層和第一雙極層間隔開。此外，第一雙極層包括在與第一表面相對的第二表面上的第二間隔裝置，以將第二穿孔層和第一雙極層間隔開。

3、第一穿孔層可以被配置為陰極和/或陽極。此外，第二穿孔層也可以被配置為陰極和/或陽極。應當理解，當?shù)谝淮┛讓颖慌渲脼殛枠O時，第二穿孔層則被配置為陰極，反之亦然。第一穿孔層和/或第二穿孔層可以具有落入0.3mm至1.5mm、優(yōu)選為0.5至1mm、并且進一步優(yōu)選為0.7mm至0.8mm的范圍內(nèi)的厚度。已經(jīng)表明，這些厚度提供了足夠的穩(wěn)定性，同時避免了過多的材料。

4、第一穿孔層和/或第二穿孔層的穿孔可以包括圓形通孔、矩形通孔和/或任何其他形狀的通孔。此外，第一穿孔層和/或第二穿孔層的穿孔可以被布置為規(guī)則的圖案。

5、第一雙極層的第一表面和/或第二表面可以被定義為第一雙極層的與相應的間隔裝置相鄰的表面。示例性地，如果第一雙極層是片狀金屬，并且第一間隔裝置是壓印到該片狀金屬中的球形元件，則第一表面可以被定義為與壓印的球形元件相鄰并且面向第一穿孔層的未變形表面。

6、根據(jù)本公開的層系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比具有不同的優(yōu)點，其中，以下示例性地闡述其中的兩個優(yōu)點。

7、首先，間隔裝置一方面可以用于支撐彼此抵靠的穿孔層，并且另一方面確保在穿孔層之間產(chǎn)生體積(例如，以接納電解質(zhì))。相應地，第一雙極層集成了多種功能，使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有較少單獨組件的簡單且緊湊的配置。因此，可以有利于制造、組裝和/或維護。

8、其次，根據(jù)本公開的層系統(tǒng)的配置允許基底層堆疊的各層可以在沒有外部框架和/或保持器結構的情況下彼此疊置。特別是由于第一雙極層的間隔裝置。示例性地，基底層堆疊的各層可以彼此疊置，僅密封元件和/或隔離元件布置在層之間。因此，與現(xiàn)有的層系統(tǒng)相比，可以減少材料和/或單獨部件的使用。此外，特別是能夠有利于組裝和維護。

9、應當理解，這些優(yōu)點也可以以不同的表述應用于下文，其中，當研究下面的描述時，附加的優(yōu)點將變得明顯。

10、優(yōu)選地，第一間隔裝置鄰接第一穿孔層，和/或其中，第二間隔裝置鄰接第二穿孔層。因此，雙極層可以在第一穿孔層和第二穿孔層之間建立可靠的電接觸。

11、從第一雙極層的第一表面測量的第一間隔裝置的最大高度可以對應于從第一雙極層的第二表面測量的第二間隔裝置的最大高度乘以落入0.2至0.8、優(yōu)選為0.3至0.7、并且進一步優(yōu)選為0.4至0.6的范圍內(nèi)的值。已經(jīng)表明這些比率至少部分地對應于電解過程中氧和氫的比率。相應地，層系統(tǒng)的設計可以做得特別緊湊。應當理解，對于上述間隔裝置的配置，將在與第一雙極層的第一表面相鄰處產(chǎn)生氧氣，其中，將在與第一雙極層的第二表面相鄰處產(chǎn)生氫氣。

12、第一間隔裝置和/或第二間隔裝置可以均包括與第一雙極層一體地形成的多個突起，其中優(yōu)選地，所述多個突起包括球形段、截錐體、肋形和/或銷形，其中進一步優(yōu)選地，該多個突起被布置為規(guī)則圖案，其中更進一步優(yōu)選地，該多個突起形成沿第一雙極層的流動通道。在這方面，“一體地形成”可以指代在間隔裝置和第一雙極層之間可以識別出沒有材料邊界的方面。通過將多個突起與第一雙極層一體地形成，可以簡化組裝和/或制造。此外，可以實現(xiàn)特別穩(wěn)健的設計。優(yōu)選地，第一間隔裝置和第二間隔裝置每個均包括至少一百個突起。在特定實施例中，第一雙極層是片狀金屬，其中，突起被沖壓到片狀金屬中。備選地，突起可以焊接到所述片狀金屬上。

13、層系統(tǒng)可以包括壓縮在第一穿孔層和第一雙極層之間使得這些層之間的空間被橫向密封的第一圓周墊圈、和/或壓縮在第二穿孔層和第一雙極層之間使得這些層之間的空間被橫向密封的第二圓周墊圈。所述層之間的空間被橫向密封使得流體僅能夠經(jīng)由穿孔層的穿孔、和/或經(jīng)由相應的流體入口/出口傳送到層之間的空間中。此外，墊圈用于支撐層系統(tǒng)的彼此抵靠的層。因此，第一圓周墊圈和/或第二圓周墊圈可以允許不需要額外支撐結構來支撐彼此抵靠的層的層配置。相應地，層設計可以特別簡單，從而易于制造和/或組裝。然而，應當理解，可能需要用于壓縮彼此抵靠的層的裝置。優(yōu)選地，第一圓周墊圈和/或第二圓周墊圈包括丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、丁基橡膠和/或氟橡膠。已經(jīng)表明，這些材料一方面允許足夠的密封，并且另一方面提供足夠的機械穩(wěn)定性以穩(wěn)定地支撐層系統(tǒng)的彼此抵靠的層。

14、第一雙極層可以具有落入1mm至2mm、優(yōu)選為1.3至1.7mm、并且進一步優(yōu)選為1.4mm至1.6mm的范圍內(nèi)的厚度。優(yōu)選地，該厚度是從第一雙極層的第一表面到第一雙極層的第二表面測量的。已經(jīng)表明，這些厚度提供了足夠的穩(wěn)定性，同時避免了過量的材料，并且同時增強了電性能。

15、第一穿孔層、第二穿孔層和/或第一雙極層優(yōu)選地分別由片狀金屬制成，其中進一步優(yōu)選地，所述片狀金屬選自鍍鎳碳鋼、不銹鋼316l、合金200、合金201、和/或合金59。通過使用片狀金屬，能夠?qū)崿F(xiàn)簡化的制造。示例性地，由于加工片狀金屬的高效工藝。此外，所提及的材料已經(jīng)被證明在其電氣和機械性能方面特別有利。

16、第一穿孔層和/或第二穿孔層可以被電極涂覆，和/或其中，第一雙極層被鎳涂覆。已經(jīng)表明，因此能夠?qū)崿F(xiàn)電解器內(nèi)的層系統(tǒng)的性能改善。

17、優(yōu)選地，第一雙極層不具有附接到其上的單獨的和/或圓周的金屬框架。在這方面，“單獨”指代框架不與相應的雙極層一體地形成的方面。通常，雙極層(特別是在堿性電解器的層系統(tǒng)中)設置有附接到其上的單獨的且圓周的金屬框架，用于穩(wěn)定和/或分離的目的。通過提供沒有附接到其上的單獨的和/或圓周的金屬框架的第一雙極層，能夠?qū)崿F(xiàn)簡化的層系統(tǒng)，使得制造和/或組裝也不太復雜。應當理解，本公開中所描述的幾個方面可以促成不需要所述框架的事實。特別是間隔裝置和/或墊圈。

18、第一雙極層可以包括與雙極層的第一表面流體連接的第一氣體出口、以及與雙極層的第二表面流體連接的第二氣體出口。示例性地，氣體出口可以均是第一雙極層中的通孔。從而上述圓周墊圈可以確保第一氣體出口僅與第一表面流體連接，并且第二氣體出口僅與第二表面流體連接。

19、第一雙極層、第一穿孔層和/或第二穿孔層可以基本上是矩形的。已經(jīng)表明，因此更有效地使用材料是可能的。這是由于可以減少通常被設置為卷狀的基底材料的浪費。

20、層系統(tǒng)可以包括彼此疊置的兩個基底層堆疊，膜在兩個相鄰穿孔層之間。優(yōu)選地，第三圓周墊圈也布置在所述兩個相鄰穿孔層之間，使得這些層之間的空間被橫向密封。第三圓周墊圈優(yōu)選地被配置為使得僅能經(jīng)由膜進行通過相鄰穿孔層的流體傳送。第三圓周墊圈還可以用于穩(wěn)定穿孔層之間的膜。通過將膜布置在兩個相鄰穿孔層之間，膜可接近與所述穿孔層相鄰的流體，并且同時膜在穿孔層之間穩(wěn)定。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的層系統(tǒng)。在特別優(yōu)選的實施例中，所述兩個相鄰穿孔層通過第三圓周墊圈作為橡膠襯墊的方式層壓在一起。從而兩個相鄰穿孔層可以具有基本相同的形狀，這進一步有利于制造和/或組裝。更進一步地，在特別優(yōu)選的實施例中，兩個相鄰穿孔層之間的膜是嵌體。

21、所述膜可以包括(a)氧化鎳隔膜、(b)固體聚合物電解質(zhì)(spe)膜、(c)陶瓷膜、(d)可以由諸如聚乙烯、聚丙烯和/或聚乙烯醇之類的的材料制成的陰離子交換膜(aem)、(e)可以由全氟磺酸(pfsa)或聚苯并咪唑(pbi)制成的陽離子交換膜(cem)、和/或(f)通過組合兩種或更多種類型的膜(例如，spe和aem)制成的復合膜。

22、此外，該目的通過包括本文所描述的層系統(tǒng)的電解器來實現(xiàn)，其中，電解器優(yōu)選地為堿性電解器，其中進一步優(yōu)選地，堿性電解器包括koh或naoh。應當理解，關于層系統(tǒng)描述的特征和/或優(yōu)點也可以應用于電解器。