用于电化学电芯的气体扩散层和电化学电芯的制作方法

本发明涉及一种用于电化学电芯(electrochemische zelle)的气体扩散层以及一种电化学电芯。电化学电芯例如能够是燃料电芯或电解电芯。

背景技术：

1、在电解电芯、如例如pem电解电芯中，通常在电芯内部中使用气体扩散层。气体扩散层在此满足不同目的。一方面，应实现膜与双极板的电接触。此外，应将产生的工艺介质、例如氢气或氧气可靠地导出。同时应供给其他工艺介质、例如水。因此，除了一定的孔隙率之外，气体扩散层也必须具有能够满足上述目的的机械的、电的和拓扑的特性。

2、当前的气体扩散层虽然存在，然而通常是非常成本密集的。例如，在烧结盘中通常需要标有刻度的表面。为此通常将粉末彼此压紧、烧结在一起和/或彼此熔融。由此，尝试最佳地设定用于气体扩散层的烧结盘的尺寸或特性。通常需要耗费的热处理，以便制造合适的气体扩散层。由于所述耗费，存在对更高效地和尤其更低成本地制造气体扩散层的需求。当前的电解电芯还不能设计用于较大的规模。这尤其表示，这种电解电芯应带来在千瓦或兆瓦范围内的功率。恰好在例如应适合于航空运输的电解电芯中，很快得出这种电解电芯的对应的尺寸设计。恰好在高功率范围中，在电解电芯中经济性的方面处于显要地位。为了也能够有意义地运行这种电解电芯、尤其pem电解电芯(pem＝proton-exchange-membrane(质子交换膜))，每千瓦功率的购买价格必须明显下降。为此需要在所有所需的构件中密切关注成本降低潜力。借助当前存在的结构，这几乎是不可行的。

3、专利文献ep 3 140 434 bl描述了一种气体扩散层和具有这种气体扩散层的电化学电芯。气体扩散层用于安置在电化学电芯的双极板与电极之间。至少两个上下重叠地分层堆放的层在此构成为递增的弹簧特征曲线。虽然借助这种气体扩散层实现工艺介质的受控的流动，然而由此无法充分地改进电解电芯的经济性。

4、公开文献de 10 2017 130 489 al涉及一种用于燃料电芯的双极板。燃料电芯包含：波纹板，所述波纹板具有由至少一个第一排孔构成的孔图案；以及第二板，所述第二板以密封的方式设置在波纹板处。波纹板由金属板材构成并且具有由上升波和下降波构成的规则波形。在气体扩散层方面没有给出具体说明。气体扩散层作为简单的矩形层示出。

技术实现思路

1、本发明的目的能够在于，更经济地制造用于电化学电芯的部件。尤其地，应能够更有利地制造高性能的电化学电芯或应能够提高所述电化学电芯的经济性。

2、本发明通过本技术的独立权利要求解决所述问题。替选的或有意义的实施方式在从属权利要求、说明书以及附图中给出。

3、本发明提出一种用于电化学电芯的气体扩散层，所述气体扩散层具有接触单元和金属单元。金属单元设置在接触单元处或接触单元上。金属单元尤其能够直接设置在接触单元处或接触单元上。金属单元关于具有预设厚度的平坦的底面具有基本上垂直于底面的多个隆起部。平坦的底面能够是金属单元的一部分。因此，金属单元能够由平坦的底面形成。金属单元能够是冲压的和/或压铸的板材。

4、然而也可行的是，平坦的底面是沿着法线方向的投影平面。例如，在波形的、v形的或w形的金属板中，平坦的支承面、例如平坦的台面能够表示平坦的底面。在这种情况下，平坦的底面不是金属单元的一部分。优选地，平坦的底面是金属单元的一部分。因此，金属单元能够包含平坦的底面或具有平坦的底面。

5、金属单元尤其关于具有预设的厚度的平坦的底面包含基本上垂直于底面的多个隆起部。术语“基本上垂直”在此能够意味着，偏离90度也是可行的。“基本上垂直”尤其能够包括相应的隆起部相对于底面的75°至110°的角度。

6、在金属单元的多个隆起部的至少一个侧面或表面处构成有至少一个开口。在此，多个隆起部的相应的扩展部尤其是金属单元的厚度的至少三倍。多个隆起部垂直于金属单元或垂直于平坦的底面的相应的扩展部是金属单元的厚度的至少三倍。所述相应的扩展部优选是隆起部相对于底面或金属单元的垂直间距、垂直路段、垂直高度或垂直量度。隆起部还能够具有纵向扩展部和横向扩展部。纵向扩展尤其是隆起部的平行于底面的延伸。尤其地，横向扩展部同样是隆起部的平行于底面的延伸，然而垂直于纵向扩展部构成。优选地，多个隆起部的相应的扩展部是隆起部相对于金属单元的平坦的底面的垂直间距，或是相应的隆起部从金属单元的平坦的底面中垂直伸出的量度。

7、开口能够是钻孔或孔洞。开口能够构成为实现气体穿过金属单元的凹部。尤其地，一个开口或多个开口能够允许从金属单元的第一侧到金属单元的相对置的第二侧的气体运输。多个隆起部的相应的扩展部能够是金属单元的厚度的四倍、五倍、六倍、七倍、八倍、九倍或十倍以上。金属单元的厚度优选涉及金属单元的平坦的底面。

8、金属单元能够构成为金属板材。金属单元尤其能够构成为半成品。半成品尤其能够意味着原材料，这能够是预制的原始材料、工件或半制成品。简单的型材、棒、管、板或金属板材能够视为半成品。这种半成品变体能够分别构成为金属单元。例如，金属单元能够是具有1mm至5mm的厚度的板材。

9、开口尤其由于至少一个隆起部而产生。在此，开口能够设置在所述隆起部的侧面处和/或所述隆起部的前面处。由此能够影响在板材平面的法向上的渗透性。优选地，板材用作为金属单元，因为这是特别低成本的。至少一个隆起部优选是开槽桥形穿孔(schlitzbrückenlochung)。具有开槽桥形穿孔的金属板材例如能够通过冲压工艺获得。接触层尤其设置在金属单元的背离隆起部的一侧上。因此，能够低成本地实现用于电化学电芯的气体扩散层。

10、一个附加的或替选的实施方式提出，多个隆起部的设置及其相应的扩展部被确定为，使得金属单元与接触单元一起形成弹簧部件，所述弹簧部件具有递减的弹簧特征曲线。多个隆起部的设置及其相应的扩展部尤其能够包括与其相关的开口的数量和位置。尤其地，隆起部不通过开口与金属单元分离。因此，隆起部例如能够是柱形的、三角形的或方形的。关于隆起部的不同的几何形状的混合也是可行的。隆起部的相应的设置和扩展部连同与其相关的开口能够借助于有限元方法在准备阶段中求取。在这种情况下，开槽桥形穿孔证明为特别有效的。开槽桥形穿孔同时能够低成本地制造。开槽桥形穿孔的特征尤其能够在于长形的隆起部。所述隆起部能够描述为交替的拉链图案。每个开槽桥在此均从金属板材的底面升起。同时，在开槽桥形穿孔的区域中存在开口，所述开口实现穿过金属单元的气体运输。优选地，隆起部的设置和相应的扩展能够被确定为，使得在制造气体扩散层时在金属单元处尽可能少地产生碎料。因此，优选地使用冲压工艺，因为在此不产生碎料。

11、一个附加的或替选的实施方式涉及气体扩散层，其中所有相应的隆起部具有基本上相同的扩展部。“基本上相同”尤其能够意味着，最小的隆起部与最大的隆起部相差至多10％。在这种情况下，优选地，相应最大的隆起部用作为参考变量。同时，在此优选提出，相应的隆起部相同类型地、规则地和/或均匀地设置。因此，多个隆起部的设置尤其对应于规则的图案。这是特别有利的，因为这种隆起部可借助于简单的生产工艺、例如冲压工艺实现。因此，经冲压的金属板或经冲压的金属板材能够变形为具有规则隆起部的金属单元。如此成形的隆起部尤其对应于冲压机的所使用的冲压轮廓。因此，能够特别简单地实现对应的金属单元。

12、一个附加的或替选的实施方式提出，隆起部的涉及隆起部彼此间的间距、隆起部的性质、隆起部的扩展部的设置和/或扩展根据气体扩散层的预设参数、尤其气体扩散层的电芯厚度和/或接触压力确定。隆起部的扩展能够视为隆起部的高度。通过对应地更高的隆起部，能够设定气体扩散层的电芯厚度。接触压力以及接触压力的分布同样能够通过隆起部的设置和/或扩展设定。优选地，隆起部在其设置和/或扩展方面被确定为，使得在气体扩散层中产生均匀的接触压力。通过关于隆起部的间距和性质调整几何形状，即使在接触压力的低水平的情况下，也能够目标明确地设定不同的电芯厚度以及接触压力的均匀性。同样能够影响气体扩散层的孔隙率从而影响物质运输。因此，能够借助于冲压工艺以简单的和有针对性的方式影响重要参数，如接触压力的均匀性、气体扩散层的孔隙率以及电芯厚度。在求取多个隆起部的设置和扩展时，能够使用仿真或有限元方法。因此，能够借助简单的和低成本的方法实现更低成本但仍然高效的气体扩散层。

13、一个附加的或替选的实施方式提出，多个隆起部和金属单元是单体式的。多个隆起部尤其不是单独的部件。所述多个隆起部优选由与金属单元相同的材料制成。因此，多个隆起部和金属单元尤其形成统一的或一件式的部件。因此，多个隆起部和金属单元能够视为统一的部件或统一的构件。因此，即使在隆起部的表面或侧面处设置有开口，多个隆起部和金属单元仍然能够单体式地构成。在这种情况下，所述多个隆起部和金属单元来自相同的材料或由相同的材料构成。因此，能够实现统一的金属单元连同与其相关的隆起部。

14、一个附加的或替选的实施方式提出，接触单元构成为无纺织物、金属织物和/或碳纸，和/或金属单元构成为板材、金属泡沫、金属织物、带孔板材和/或开槽桥形板材。接触单元尤其用于气体扩散层在电化学电芯的其他部件处的均匀接触。这例如能够是电极、双极板或膜。呈板材的形式的金属单元能够具有多个孔。金属单元优选是具有开槽桥形穿孔的金属板。借助于开槽桥形穿孔能够简单地和高效地增大金属单元的孔隙率。孔隙率尤其能够是隆起部相对于金属单元的垂直扩展部与金属单元在垂直方向上的总扩展部的商。例如，如果1mm厚的金属板具有与其垂直的另外4mm的隆起部，那么在这种情况下，对于孔隙率得出就本技术而言，如此冲压的金属板材对应于80％的孔隙率。借助于开槽桥形穿孔能够特别简单地和低成本地设定金属单元的孔隙率。因此，能够低成本地制造用于电化学电芯的构件。

15、一个附加的或替选的实施方式提出，金属单元具有至少80％的孔隙率，所述孔隙率通过金属单元的多个隆起部形成。例如，能够通过隆起部的垂直于金属单元的更大的扩展来实现更高的孔隙率。因此，通过对应地更深的冲压能够产生更大的隆起部。因此，能够提高金属单元的孔隙率，从而提高气体扩散层的孔隙率。

16、本发明同样涉及一种具有气体扩散层的电化学电芯。电化学电芯为此能够具有双极板和电极。在此，气体扩散层在第一侧上与双极板接触而在相对置的第二侧上与电极接触。电极又能够与膜接触。据此，电化学电芯能够具有膜。电化学电芯能够构成为电解电芯或燃料电芯。因此，由于气体扩散层易于制造，能够实现低成本的和同时高效的电化学电芯。

17、一个附加的或替选的实施方式提出，气体扩散层与双极板和/或电极力配合地、形状配合地和/或材料配合地连接。因此，气体扩散层能够以不同的方式与双极板和电极连接。连接的类型能够是力配合的、形状配合的和/或材料配合的。例如，力配合的连接能够通过彼此叠放和压紧相应的层产生。形状配合的连接例如能够通过用金属织物进行包覆和随后的压紧产生。材料配合的连接能够通过焊接相应的部件产生。所提及的连接类型也能够在气体扩散层和与膜之间存在。因为所描述的气体扩散层能够明显更容易地和更低成本地制造，所以所述优点与此对应地对电化学电芯产生影响。因此，能够实现与先前相比明显更低成本的电化学电芯。这能够有助于实现能源转型。