供在电极中使用的电流密度分布器的制造方法
【专利说明】供在电极中使用的电流密度分布器
[0001] 根据第一权利要求的前序部分，本发明涉及供与电极联用的网状、多孔电流密度 分布器，该电流密度分布器适于向电极的活性层提供电流，所述活性层被提供成接触电流 密度分布器的一个面，其中该电流密度分布器包括具有多个导电通路的多孔网，其中这些 导电通路中的至少一部分沿着电流密度分布器上的主要电流流动方向延伸。
[0002] 电化学反应器是已知的，诸如它们通常包括在双极布置或单极布置中布置的一个 或多个电连接电化学单电池单元，单极布置也被称为单极性布置。
[0003] 双极布置发现在固态聚合物电解液技术（例如，PEMFC和PEM电解槽）中的频繁使 用。在具有双极布置的电化学电池单元堆叠中，所谓的双极板是放置在两个电池单元之间 的导电元件。双极板串联地电连接各峨邻电池单元（"Encyclopedia of Electrochemical Power Sources(电化学电源百科全书）"，ISBN:978-0-444-52745-5)。在电极的活性层内 生成或消耗的电子以与电极的平面垂直的方向（y轴）流动，并通过位于一个电池单元的阳 极和毗邻电池单元的阴极之间的双极板，这些电子不必在电极的平面中流向在该电极的边 缘（接线片）处的（诸）收集点。
[0004] 在单极布置中，形成堆叠/电化学反应器的电化学电池单元被外部地连接。在具 有单极布置的原电池单元的电化学反应器/堆叠中，电池单元的阳极使用外部导电元件 (例如，电缆、金属线等）电连接到毗邻电池单元的阴极，该外部导电元件附连到沿着电极 的边缘或沿着那个边缘的一部分安装的电流馈电器条。电子是通过电流馈电器在阳极的边 缘处收集，外部电缆将阳极连接到峨邻电池单元的阴极（"Fuel cells: fundamentals and applications (燃料电池单元：基本原理和应用）"，ISBN 978-0-387-35402-6)。
[0005] 在具有单极布置的电解槽中，形成堆叠的多个交替的正电极和负电极由离子渗透 膜隔开。在具有单极设计的电解槽中，形成该堆叠的各电化学电池单元被外部地连接，各正 电极并联地电连接，且各负电极也并联地电连接。该装配被沉浸入电解液池或槽中。具有 单极布置的电池单元堆叠需要收集阳极处的电子以及外部地连接到下一电池单元的阴极。 电化学电池单元的单极布置发现广泛使用于低功率应用和在操作期间可需要替换出故障 的单个电池单元的特殊应用。也就是说，单电极布置准许简单和容易地标识出并替换掉出 故障的电池单元，而在双极堆叠中情况并不是这样的（"Fuel Cell Science and Enginee ring:Materials, Processes, Systems and Technology (燃料电池单元科学与工程：材料、 过程、系统和技术）"，ISBN :9783527650248)。在其中阳极和阴极之间的直接接触由于惰性 间隔材料的存在而被阻止的具有液体电解液的电化学电池单元的情况下，单极布置也是优 选的。然而，选择合适的间隔材料时需要小心，因为间隔材料可能会不必要地增加电池单元 的重量和尺寸。
[0006] 单极布置的主要限制在于其相对较高的成本以及电流密度分布器上的功率密度 分布可能不规律的事实，其结果是功率密度可能局部不足。在单极布置中，电子电流在电极 的平面上传输经过在该电极的相对侧之间的电极的长度，电极的平面连接该电极的电流馈 电和电流收集器。已观察到，并非所有电流都看似能够流过整个电极表面并到达沿着其收 集电流的边缘。结果，局部欧姆过电势可能相对较高，其会妨碍电解液电池单元的效率。
[0007] 常规的多孔电极和气体扩散电极没有显示出充足的内部导电性来准许在处于电 极的边缘的电流收集器处收集大部分电子的问题已通过合并对该电极结构的大部分导电 的电流密度分布器来解决。被频繁使用的电流密度分布器包括金属网，该金属网被合并到 该电极的在其中电化学反应被执行的有源多孔层中。该网以沿着主电流流动方向的方向及 其交叉方向将所需的平面内导电性添加到电极中，并向该电极的电化学活性层提供机械和 尺寸支持。由多种合金以厚度和开口区域的广泛组合制成的具有低电阻的金属网格或金属 网是商业上可用的。
[0008] 然而，现有的金属网式电流密度分布器尤其当在单电极中使用时存在若干缺点。 金属线十分昂贵，并由此大大促成了电极的成本。此外，金属线具有高密度，其结果是在设 想某一载流量的情况下，电极的重量可上升到十分高（参见"Fuel cells:fundamentals and applications (燃料电池单元：基本原理和应用）"，ISBN 978-0-387-35402-6， "Encyclopedia of Electrochemical Power Sources(电化学电源百科全书）"， ISBN:978-0-444-52745-5,"Fuel Cell Science and Engineering:Materials, Pro cesses, Systems and Technology (燃料电池单元科学和工程：材料、过程、系统和技 术）"，ISBN:9783527650248)。
[0009] ΕΡ0. 051. 437公开了一种电解液电池单元，该电解液电池单元用于从饱和的氯化 钠盐溶液生产氯气和氢氧化钠。虽然使用氧气（气体）阴极准许抑制阴极处的不期望的氢 分子形成，但氢分子形成仍占用于操作该电池单元的电能消耗的约25%。
[0010] ΕΡ0. 051. 437中公开的氧气阴极包括位于原纤维组成的炭黑-聚四氟乙烯的未烧 结网络内的银催化的活性炭颗粒的活性层。活性层的"工作"面覆盖有非对称编织丝网电 流密度分布器，该活性层的另一相对面覆盖有多孔、防潮基底材料（例如由PTFE制成）的 层。非对称编织丝网电流密度分布器已按以下方式设计：使得该电流密度分布器在一般垂 直于电流密度分布器的主电流馈电的方向中比在一般平行于主电流馈电的方向的方向中 具有更多导线。一般垂直的线跨越电极的狭窄的（较短的）导电通路。相对于具有0.005 英寸（0.127mm)的线厚度的常规对称编织丝网，非对称编织丝网电流密度分布器优选地具 有与平行线的从1. 5倍到3倍一样多的垂直线，具体有50股/英寸的垂直线和25股/英 寸的平行线。应解释成，由于丝网电流密度分布器的非对称结构，可实现在材料和编织成本 方面的大量节约，同时可实现高效电流分布和利用其得到的电流通路控制对电流行进方向 的控制。
[0011] 然而，ΕΡ0. 051. 437中公开的电流密度分布器存在以下缺点：如果要保证机械和 尺寸稳定性以及对活性层的足够支持，则仅在垂直方向中的线的有限部分可被移除。由此， 根据ΕΡ0. 051. 437,仅可实现有限的重量和成本减少。
[0012] 因此，需要供在电极中使用的电流密度分布器，该电流密度分布器具有与公知电 流密度分布器相比更低的重量，并且可以用降低的生产成本制造，而不会因此而不利地影 响该电流密度分布器的尺寸和机械稳定性。
[0013] 本发明因此寻求提供这样的一种电流密度分布器，该电流密度分布器具有与公知 的电流密度分布器相比更低的重量，并且可以用降低的成本制造，而且其示出良好的尺寸 和机械稳定性。
[0014] 根据本发明，这用示出第一权利要求的特征部分的技术特征的电极来实现。
[0015] 另外，本发明的电流密度分布器的特征在于多孔网在与主要电流流动方向正交的 方向中包括多个第一电绝缘体通路，并且该电流密度分布器在与电流密度分布器上的主要 电流流动正交的方向中的载流量小于在沿着该电流密度分布器上的主要电流流动的方向 中的载流量。
[0016] 注意，如本申请中所使用的术语"电流密度分布器"意指能够在电极上分布电流并 与电极的活性层交换电子的多孔网形式的导电材料。
[0017] 各发明人已观察到，与电流密度分布器上的主要电流流动方向正交地延伸的各导 电通路对电流密度分布器上对电流的传导（以及电子传输）几乎没有贡献。各发明人已观 察到，将移除正交延伸的导电通路作为降低那个方向中的载流量的手段对电流在电流密度 分布器上的分布（如果有的话）几乎没有任何影响。结果，正交延伸的导电通路对向接触 电流密度分布器的活性层的电子供应的贡献以及对活性层的性能的贡献将很可能也是可 忽略的。因此，可以以不利地影响电流密度分布器上的电流分布的最小风险来减少在与主 要电流流动的方向正交的方向中使用的导电材料的量。在实践中，在与主要电流流动方向 正交的方向中的较低载流量通常可通过以下方式来得到：在与主要电流流动正交的方向中 具有更小的每长度单位导电通路数，或者通过使用在该同一方向中具有更小的平均直径或 横截面的导电体。两种测量将都有以下影响：在主要电流流动的正交方向中的材料重量以 及电流密度分布器的材料成本两者都可降低。
[0018] 在与主要电流流动的方向正交的方向中补充合并合适数目的电绝缘材料通路确 保网状电流密度分布器的机械和尺寸稳定性可被维持在期望范围内或甚至可被改进，而无 需对电流密度分布器的重量或成本作出折衷。换言之，简单减少正交方向中的导电通路的 数目或大小可有使机械和尺寸稳定性恶化的风险。各发明人已观察到，合并电绝缘体通路 未必会使制造电流密度分布器的生产过程复杂化，其也不会以不利的方式干扰电流在电流 密度分布器上的流动和分布。本发明中使用的优选电绝缘材料是与导电材料相比具有相对 更低的比重（g/cm 3)的材料。
[0019] 各发明人还进一步观察到，减少与主要电流流动方向正交的方向中的导电通路准 许增加沿着主要电流流动方向的方向中的载流量，因为附加的导电体通路可被安装在后一 方向上，而不必将电流密度分布器的重量和材料成本增加到超过不期望的限制，并且不会 使生产过程进一步复杂化。相反，与沿着主要电流流动方向中的增加的载流量相关联的优 点在于可在那个方向中实现更高的流量，从而导致整个电流密度分布器上更均匀的电流密 度分布。同时，多孔网中的各毗邻导电体之间越小的距离具有以下影响：可实现越均匀的 电流密度分配，使得可向存在于与电流密度分配器相关联的活性层中的越大数目的活性部 位馈送电能。当在电化学电池单元中使用电流密度分布器时，这是有利的，因为可实现接触 电流密度分布器的活性层的更均匀的性能，这一般将导致改善的反应动力学、反应选择性、 反应产率、电化学萃取和离子迀移率。由此，通过降低主要电流流动的正交方向中的载电流 量，可增加沿着主要电流流动的载流量。由此导致的任何机械或尺寸不稳定性可通过在主 要电流流动的正交方向中合并电绝缘材料通路来补偿。
[0020] 本发明由此公开了一种电流密度分布器，该电流密度分布器可在示出每单位面积 降低的重量和降低的材料成本之间提供最佳折衷，而不会不利地影响机械和尺寸稳定性。 此外，可改善在沿着主要电流流动的方向延伸的方向中的载流量，并且因此，可获得电流密 度分布器上的更均匀的电流密度分布。具有更均匀的分布意味着可获得电流密度分布器的 整个表面上的更均匀的电流密度，但还可减少具有低电流或没有电流的位置的数目。这在 利用本发明的电流密度分布器的应用中具有益处。
[0021] 电流密度分布器