气体扩散层、具有这种气体扩散层的电化学电池和电解器制造技术

用于安置在电化学电池(2)的电极(6a、6b)和双极板(10)之间的气体扩散层(8)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(12a，12b，12c)，弹簧部件具有递增的弹簧特征曲线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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WO2007/080193A2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。US2003/188966A1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WO2002035620A2、DE10027339A1和DE102004023161A1中描述其他的、不同构成的其他扩散电极。
技术实现思路
本专利技术所基于的目的是：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。根据本专利技术，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。根据本专利技术，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。根据本专利技术，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。本专利技术基于如下知识：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于安置在电化学电池(2)的电极(6a、6b)和双极板(10)之间的气体扩散层(8)，所述气体扩散层包括至少两个彼此叠加分层的层片，其中所述层片中的至少一个构成为弹簧部件(12a，12b，12c)，所述弹簧部件具有递增的弹簧特征曲线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.16 EP 14172465.81.一种用于安置在电化学电池(2)的电极(6a、6b)和双极板(10)之间的气体扩散层(8)，所述气体扩散层包括至少两个彼此叠加分层的层片，其中所述层片中的至少一个构成为弹簧部件(12a，12b，12c)，所述弹簧部件具有递增的弹簧特征曲线。2.根据权利要求1所述的气体扩散层(8)，其特征在于，设有至少三个层片，并且所述弹簧部件(12a，12b，12c)形成所述气体扩散层(8)的外部层片。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层(8)，其中，至少两个彼此叠加分层的所述层片在所述层片的结构和/或组分方面彼此不同。4.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层(8)，其中，所述气体扩散层包括三个层片：接触部件(19，24，28)、扩散部件和所述弹簧部件(12a，12b，12c)。5.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层(8)，其中，所述弹簧部件(12a，12b，12c)构成为，使得所述弹簧特征曲线能划分成具有不同走向的至少两个、尤其三个区域(I，II，III)。6.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层(8)，其中，所述弹簧部件(12a，12b，12c)构成为，使得在直至5bar为...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·汉，亚历山大·施皮斯，约亨·施特劳布，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE