气体扩散层、具有这种气体扩散层的电化学电池和电解器的制作方法

本发明涉及一种用于电化学电池的气体扩散层，尤其用于PEM电解电池的气体扩撒层。本发明还涉及一种具有这种气体扩散层的电化学电池、尤其PEM电解电池或伽凡尼电池以及涉及一种电解器。

背景技术：

电化学电池是普遍已知的并且划分成伽凡尼电池和电解电池。电解电池是电流强制产生化学反应的设备，其中电能的至少一部分转换成化学能。伽凡尼电池是用于将化学能自发转换成电能的-与电解电池-互补的设备。具有这种伽凡尼电池的已知的设备例如是燃料电池。

借助于电解电池通过电流将水分解成产物氢气和氧气是长期已知的。在此，主要在两个技术体系之间进行区分，即碱性的电解质和PEM(质子交换膜)电解质。

工程电解设备的核心部件是电解电池，其包括两个电极和电解质。在PEM电解电池中，存在由传导质子的膜构成的电解质，在膜上在两侧存在电极。由膜和电极构成的单元称作为MEA(英文为Membrane-Electrode-Assembly，即膜电极单元)。电极在由多个电解单池构成的电解栈的组装好的状态下，经由气体扩散层由所谓的双级板接触，其中双极板将栈的各个电解电池彼此分离。在此，电解电池的O₂侧对应于正极，并且H₂侧对应于负极，其通过位于之间的膜电极单元来分开。

PEM电解电池在O₂侧上被馈送有完全脱盐的水，完全脱盐的水在阳极上分解成氧气和质子(H⁺)。质子迁移穿过电介质膜并且在阴极(H₂侧)处复合成氢气。抵靠在电极上的气体扩散层除了接触电极之外确保最佳的水分布(进而润湿膜片)以及运出产物气体。因此，需要导电的多孔元件作为气体扩散层与对电极良好持久的接触。作为附加的要求，必要时，应补偿在电解器中形成的结构公差，以便实现在任何公差情况下都均匀地接触MEA。

至今为止，通常将烧结的金属盘用作为气体扩散层。尽管，气体扩散层满足对导电性和多孔性的要求，然而不能对气体扩散层的两侧上的电解电池的构件进行附加的公差补偿。此外，这种盘的制造成本相对高并且在尺寸方面由于在制造这种盘时所需要的压力决定了尺寸限制。此外，在大型构件中存在翘曲温度，而翘曲温度难于控制。

例如在WO 2007/080193A2和EP2436804A1中描述了将具有弹性元件的气体扩散层用于制造碱性的电解器中的电接触部。

从EP1378589B1中提出一种弹簧板，其中各个弹簧元件交替地向上和向下弯曲。弹簧板仅在阴极侧装入离子交换电解器中，使得弹簧板直接地接触阴极。

US 2003/188966A1描述了用于电解电池的另一弹簧部件，该弹簧部件设置在分离壁和阴极之间。弹簧部件包括多个片式弹簧元件，片式弹簧元件抵靠在阴极上以均匀地配合。

在WO 2002035620 A2、DE 10027339A1和DE 102004023161A1中描述其他的、不同构成的其他扩散电极。

技术实现要素：

本发明所基于的目的是：补偿电化学电池中的、尤其电解电池或伽凡尼电池中的、尤其双级板区域中的可能出现的构件公差。

根据本发明，所述目的通过用于安置在电化学电池的电极和双极板之间的气体扩散层来实现，其包括至少两个彼此叠加分层的层片，其中层片中的一个构成为弹簧部件，弹簧部件具有递增的弹簧特征曲线。

根据本发明，所述目的还通过一种具有这种气体扩散层的电化学电池、尤其通过PEM电解电池来实现。

根据本发明，所述目的还通过一种具有这种PEM电解电池的电解器来实现。

关于气体扩散层在下面详述的优点和优选的设计方案适宜地能够转用于电化学电池、伽凡尼电池、尤其燃料电池、PEM电解电池和/或电解器。

本发明基于如下知识：通过递增的弹簧表现确保：抵靠的构件的所有公差层片中的挤压力是足够的。在此，通过弹簧部件的几何形状来实现作用到气体扩散层中的递增的弹簧表现。

弹簧部件理解为气体扩散层的层或层片，层或层片具有弹性复位的性能，即在负载下弯曲并且在释放之后恢复原始形状。

弹簧特征曲线是弹簧的力位移变化，即弹簧特征曲线以图表的形式显示：弹簧的力位移比例的效率。递增的弹簧特征曲线具有以下特性，即弹簧特征曲线在均匀的负载步进下在弹簧位移处总是显示出更小的步进。在递增的特征曲线中，与经过的位移成比例地提高所使用的力耗费。作为对此的替选方案，存在线性的且递减的弹簧特征曲线。

在一个可行的实施例中，电化学电池的气体扩散层包括至少三个层片，因此即内部的和外部的层片。例如证实为尤其有利的是：弹簧部件形成气体扩散层的外部层片。

“外部层片”设置用于抵靠邻接于气体扩散层的部件中的一个。

在此，将“外部层片”理解为：在多于两个层片的情况下，外部的、尤其直接邻接于双级板的层片构成为具有递增的弹簧特征曲线的弹簧部件。

使用具有递增的弹簧特征曲线的弹簧部件作为气体扩散层具有显著的优点：在正常的挤压力的范围中(大约5-25bar)达到弹簧部件的大的变形，从而补偿大的结构公差；在过载的情况下，附加的弹簧位移又是小的，使得弹簧部件经受住大的压力。因此，在负载显著高于运行挤压力的情况下，防止弹簧部件的过大的塑性变形。

弹簧装置用于建立MEA和双极板之间的电接触，在挤压力小的情况下已经保证这种电接触。另一方面，通过挤压力确保对于MEA的均匀的且平面的接触。根据结构上的设计，通过弹簧部件实现流入的水的预分配。此外，经由弹簧部件得到电通量。

优选地，至少两个彼此叠加分层的层片在其结构和/或组分方面彼此不同。这尤其有因层片的功能决定。在气体扩散层的双层结构中，一个层片位于双级板上并且另一层片位于电极上。这两个层片的特性进而结构或组分相应不同。当在这两个外部的层片之间存在一个或多个中间层片时，相同的前述方案是适用的。

有利地，气体扩散层包括三个层片：接触部件、扩散部件和弹簧部件。内部的接触部件用于使气体扩散层均匀地接触到电极上。因此，推荐使用精细材料、例如无纺布或极其精细的穿孔板。中间的扩散部件用于运出形成的气体，其中总的电通量也经过这些部件。如已经阐述的那样，外部的弹簧部件首先与邻接的构件的公差层片无关地确保尽可能稳定的挤压力。

关于在使用时满足用于公差补偿的要求的弹簧部件的尤其高的柔韧性方面，弹簧部件构成为，使得能够将弹簧特征曲线划分成具有不同走向的至少两个、尤其三个区域。在此，弹簧部件在最大挤压力的区域中的特征在于最大的弹性变形。在此，最大的弹性变形理解为在弹簧部件的弹性和纯塑性表现之间的边界。弹簧部件的部分弹性和部分塑性的表现在此同样落入最大弹性变形的范围中。特别地，在大约50bar挤压力的情况下实现弹簧部件的最大弹性变形。弹簧在超过大约50bar时表现为纯塑性的，即在该负载下和高于该负载下的变形是不可逆的。

关于快速地补偿构件公差方面，弹簧部件优选构成为，使得在不超过5bar的挤压力的情况下存在弹簧部件的变形，变形直至最大弹性变形的60％为止、尤其80％为止。

此外，弹簧部件优选构成为，使得在5bar和25bar之间的挤压力的情况下，存在弹簧部件(12a，12b，12c)的变形，变形为最大弹性变形的60％和90％之间。

有效地，弹簧部件由导电材料形成，尤其由不锈钢、钛、铌、钽和/或镍构成。弹簧部件的这种组分尤其能够用作为电流分配器。

根据第一优选的设计方案，弹簧部件根据造型板的方式构成。这种设计方案的特征在于相对容易的制造。

根据一个替选优选的设计方案，弹簧部件根据编织物的类型构成。在此，通过编织物的密度和类型能够简单地变化弹簧特性。

优选地，弹簧部件包括一个或多个螺旋体。在此，弹簧特性通过螺旋体的外形和布置来限定。

附图说明

根据附图详细阐述本发明。其中示出：

图1示出电化学电池的原理结构，电化学电池示例地构成为PEM电解电池，

图2示出递增的弹簧特征曲线，

图3示出气体扩散层的弹簧部件的第一实施方式的侧视图，

图4示出气体扩散层的弹簧部件的第一实施方式的俯视图，

图5示出气体扩散层的弹簧部件的第二实施方式的侧视图，

图6示出气体扩散层的弹簧部件的第二实施方式的俯视图，

图7示出螺旋体，螺旋体是根据图5和图6的第二实施方式的一部分，

图8示出气体扩散层的弹簧部件的第三实施方式的侧视图，和

图9示出气体扩散层的弹簧部件的第三实施方式的立体图。

相同的附图标记在不同的附图中表示相同的意义。

具体实施方式

在图1中示意地示出电化学电池2的结构，电化学单池构成为PEM电解电池。电化学电池2是在此未详细示出的电解器的一部分，电解器用于通过电流将水分解成产物氢气和氧气。

电化学电池2包括由传导质子的膜4(质子交换膜，PEM)构成的电解质，在膜上在两侧存在电极6a、6b。由膜和电极构成的单元称作为膜电极单元(MEA)。在此，用6a表示阴极，用6b表示阳极。分别将气体扩散层8抵靠在电极6a、6b上。气体扩散层8由所谓的双极板10接触，双极板在由多个单独的电解单池2构成的电解栈的组装好的状态下彼此分离。

为电化学电池2馈送水，水在阳极6b处分解成氧气O₂和质子H⁺。质子H⁺在朝阴极6a的方向上迁移穿过电解质膜4。质子在阴极侧复合成氢气H₂。

在另一实施例中，电化学电池2构成为用于产生电流的伽凡尼电池或燃料电池。根据本发明，这样构成的电化学电池2的气体扩散层8能够类似于图1中示出的电解电池来修改。因此，在不限制普适性的情况下，下面，示例地参考构成为电解电池的电化学电池2。

通过气体扩散层8确保水的最佳的分布以及产物气体的运出。在伽凡尼电池的情况下，气体扩散层8相应地用于将反应物输送至相应的电极。在此重要的是：气体扩散层8在任何情况下对于气态的产物或反应物是可渗透的。

此外，气体扩散层8在电解电池中还用作为电流分配器。出于该理由，气体扩散层8由导电的、多孔材料构成。

在所示出的实施例中，通过气体扩散层8补偿构件公差、尤其抵靠的双极板8的公差。因此，气体扩散层8包含彼此叠加分层的层片，其中外部的层片构成为弹簧部件12a、12b、12c(参见图3至9)，弹簧部件具有递增的弹簧特征曲线。气体扩散层8尤其包括所示出的接触部件、扩散部件和弹簧部件，部件的结构和/或组分彼此不同。

在图2中示出两个示例性的递增的弹簧特征曲线K1和K2。在x轴上，用S表示弹簧位移，并且在y轴上用F表示弹簧力。如从图2可见，将弹簧特征曲线划分成三个区域。在所示出的实施例中在大约50bar处存在最大弹性变形V_max，其表示弹簧特征曲线的弹性和塑性变化之间的过渡点或弹簧的弹性和塑性特性之间的过渡点。在此，在最大弹性变形V_max的右侧实现弹簧的纯塑性的变形。

在第一区域I中，弹簧部件在直至5bar为止的相对小的挤压力的情况下较强地变形，特别地，弹簧特征曲线K1的变形位于20％和30％之间，并且弹簧特征曲线K2的变形甚至高于60％。

在第二区域II中，挤压力在5bar和25bar之间，弹簧部件的变形位于最大弹性变形V_max的大约60％和大约90％之间。

此外，弹簧部件构成为，使得在挤压力超过25bar的情况下，仅还出现很小的变形，使得标准化的弹簧位移S的一部分对于K1而言被覆盖60％和100％之间并且对于K2而言被覆盖大约85％和100％之间。

在图3和图4中示出具有弹簧部件12a的气体扩散层8的第一实施例。气体扩散层包括具有在表面上切出的、弯曲的三角形16的板14，三角形赋予板14其弹性特性。这种弹簧部件12a的弹性特性是递增的，然而必须机械地进行限制，以便避免板14的过高的塑性变形。在该情况下，这通过嵌在三角形16之间的间隔保持件18来进行。间隔保持件18比向上弯曲的三角形16明显更具刚性，使得一旦间隔保持件18与邻接的双极板10抵靠，弹簧部件12a的弹簧特征曲线就强烈地升高。如从图3可见，气体扩散层8还包括由无纺布形成的接触部件19，接触部件在组装好的状态下抵靠电极6a、6b。

从图5和图6中得出具有其他弹簧部件12b的气体扩散层8的第二实施方式。在此，弹簧部件12b包括螺旋编织物。螺旋编织物包括依次设置的横杆20，多个螺旋体22围绕横杆缠绕。此外，在图7中示出单独的螺旋体22，螺旋体形成用于编织物的弹性作用的基础层。当具有相同几何形状但不同缠绕方向的螺旋体22交替地移入到彼此中且通过横杆20连接时，形成螺旋编织物12b。横杆20例如由塑料制成。螺旋体22由导电材料、例如不锈钢、钛、铌、钽或镍构成。

从图5中还可见覆盖层片24，覆盖层片承担气体扩散层8的接触部件19的功能。覆盖层片24在此由分层形成，分层是由拉制金属板网制成的层或由其他多孔的和机械稳定的材料制成的层。例如也能够考虑线织物、金属泡沫或烧结的金属盘上的无纺布。

在图8和图9中示出具有第三弹簧部件12c的气体扩散层8的第三实施方式。弹簧部件12c在此根据波纹板的方式铸造，波纹板具有交替的反向的波纹。该形状具有显著的优点：同时在所示出的方向S上实现流动引导。在此，弹力以三个等级递增地从极其柔软的弹簧提高至类似止挡件的性能的方式实现(参见图2)。用附图标记26在图8和图9中表示如下位置，该位置点固定在拉制金属板网上。在此，图9中的画阴影的面28为覆盖层片24或接触部件19，覆盖层片或接触部件朝电极6a、6b中的一个定向。

弹簧部件12c的图8和图9中示出的实施方式基本上平面地构成。弹簧部件12c的多个弹性部段相对于基本上垂直于平面延展部延伸的横向方向(图8)以不同的间距设置，以便提供递增的弹簧特征曲线。因此实现：在偏转小的情况下仅弹簧部件12c的一些少量的、外置的部段变形。在偏转较大的情况下，不仅弹簧部件12c的变形扩大而且变形部段的数量也增加，由此得出：变形所需要的力非线性地提高，即递增的弹簧特征曲线。

全部上面描述的弹簧部件12a、12b、12c或气体扩散层8具有如下特性，即其补偿电解器中出现的结构公差，以便在任何公差情况下均匀地接触膜电极单元。由于弹簧部件12a、12b、12c的递增的弹簧特征曲线，在过载的情况下，防止气体扩散层8的单侧过高的变形。此外，在全部实施方案中能够考虑：在弹簧部件12a、12b、12c和接触部件19、24、28之间安置在此未详细示出的多孔的扩散部件。