供在電極中使用的電流密度分布器的制造方法
【專利說明】供在電極中使用的電流密度分布器
[0001] 根據第一權利要求的前序部分，本發明涉及供與電極聯用的網狀、多孔電流密度 分布器，該電流密度分布器適于向電極的活性層提供電流，所述活性層被提供成接觸電流 密度分布器的一個面，其中該電流密度分布器包括具有多個導電通路的多孔網，其中這些 導電通路中的至少一部分沿著電流密度分布器上的主要電流流動方向延伸。
[0002] 電化學反應器是已知的，諸如它們通常包括在雙極布置或單極布置中布置的一個 或多個電連接電化學單電池單元，單極布置也被稱為單極性布置。
[0003] 雙極布置發現在固態聚合物電解液技術（例如，PEMFC和PEM電解槽）中的頻繁使 用。在具有雙極布置的電化學電池單元堆疊中，所謂的雙極板是放置在兩個電池單元之間 的導電元件。雙極板串聯地電連接各峨鄰電池單元（"Encyclopedia of Electrochemical Power Sources(電化學電源百科全書）"，ISBN:978-0-444-52745-5)。在電極的活性層內 生成或消耗的電子以與電極的平面垂直的方向（y軸）流動，并通過位于一個電池單元的陽 極和毗鄰電池單元的陰極之間的雙極板，這些電子不必在電極的平面中流向在該電極的邊 緣（接線片）處的（諸）收集點。
[0004] 在單極布置中，形成堆疊/電化學反應器的電化學電池單元被外部地連接。在具 有單極布置的原電池單元的電化學反應器/堆疊中，電池單元的陽極使用外部導電元件 (例如，電纜、金屬線等）電連接到毗鄰電池單元的陰極，該外部導電元件附連到沿著電極 的邊緣或沿著那個邊緣的一部分安裝的電流饋電器條。電子是通過電流饋電器在陽極的邊 緣處收集，外部電纜將陽極連接到峨鄰電池單元的陰極（"Fuel cells: fundamentals and applications (燃料電池單元：基本原理和應用）"，ISBN 978-0-387-35402-6)。
[0005] 在具有單極布置的電解槽中，形成堆疊的多個交替的正電極和負電極由離子滲透 膜隔開。在具有單極設計的電解槽中，形成該堆疊的各電化學電池單元被外部地連接，各正 電極并聯地電連接，且各負電極也并聯地電連接。該裝配被沉浸入電解液池或槽中。具有 單極布置的電池單元堆疊需要收集陽極處的電子以及外部地連接到下一電池單元的陰極。 電化學電池單元的單極布置發現廣泛使用于低功率應用和在操作期間可需要替換出故障 的單個電池單元的特殊應用。也就是說，單電極布置準許簡單和容易地標識出并替換掉出 故障的電池單元，而在雙極堆疊中情況并不是這樣的（"Fuel Cell Science and Enginee ring:Materials, Processes, Systems and Technology (燃料電池單元科學與工程：材料、 過程、系統和技術）"，ISBN :9783527650248)。在其中陽極和陰極之間的直接接觸由于惰性 間隔材料的存在而被阻止的具有液體電解液的電化學電池單元的情況下，單極布置也是優 選的。然而，選擇合適的間隔材料時需要小心，因為間隔材料可能會不必要地增加電池單元 的重量和尺寸。
[0006] 單極布置的主要限制在于其相對較高的成本以及電流密度分布器上的功率密度 分布可能不規律的事實，其結果是功率密度可能局部不足。在單極布置中，電子電流在電極 的平面上傳輸經過在該電極的相對側之間的電極的長度，電極的平面連接該電極的電流饋 電和電流收集器。已觀察到，并非所有電流都看似能夠流過整個電極表面并到達沿著其收 集電流的邊緣。結果，局部歐姆過電勢可能相對較高，其會妨礙電解液電池單元的效率。
[0007] 常規的多孔電極和氣體擴散電極沒有顯示出充足的內部導電性來準許在處于電 極的邊緣的電流收集器處收集大部分電子的問題已通過合并對該電極結構的大部分導電 的電流密度分布器來解決。被頻繁使用的電流密度分布器包括金屬網，該金屬網被合并到 該電極的在其中電化學反應被執行的有源多孔層中。該網以沿著主電流流動方向的方向及 其交叉方向將所需的平面內導電性添加到電極中，并向該電極的電化學活性層提供機械和 尺寸支持。由多種合金以厚度和開口區域的廣泛組合制成的具有低電阻的金屬網格或金屬 網是商業上可用的。
[0008] 然而，現有的金屬網式電流密度分布器尤其當在單電極中使用時存在若干缺點。 金屬線十分昂貴，并由此大大促成了電極的成本。此外，金屬線具有高密度，其結果是在設 想某一載流量的情況下，電極的重量可上升到十分高（參見"Fuel cells:fundamentals and applications (燃料電池單元：基本原理和應用）"，ISBN 978-0-387-35402-6， "Encyclopedia of Electrochemical Power Sources(電化學電源百科全書）"， ISBN:978-0-444-52745-5,"Fuel Cell Science and Engineering:Materials, Pro cesses, Systems and Technology (燃料電池單元科學和工程：材料、過程、系統和技 術）"，ISBN:9783527650248)。
[0009] ΕΡ0. 051. 437公開了一種電解液電池單元，該電解液電池單元用于從飽和的氯化 鈉鹽溶液生產氯氣和氫氧化鈉。雖然使用氧氣（氣體）陰極準許抑制陰極處的不期望的氫 分子形成，但氫分子形成仍占用于操作該電池單元的電能消耗的約25%。
[0010] ΕΡ0. 051. 437中公開的氧氣陰極包括位于原纖維組成的炭黑-聚四氟乙烯的未燒 結網絡內的銀催化的活性炭顆粒的活性層。活性層的"工作"面覆蓋有非對稱編織絲網電 流密度分布器，該活性層的另一相對面覆蓋有多孔、防潮基底材料（例如由PTFE制成）的 層。非對稱編織絲網電流密度分布器已按以下方式設計：使得該電流密度分布器在一般垂 直于電流密度分布器的主電流饋電的方向中比在一般平行于主電流饋電的方向的方向中 具有更多導線。一般垂直的線跨越電極的狹窄的（較短的）導電通路。相對于具有0.005 英寸（0.127mm)的線厚度的常規對稱編織絲網，非對稱編織絲網電流密度分布器優選地具 有與平行線的從1. 5倍到3倍一樣多的垂直線，具體有50股/英寸的垂直線和25股/英 寸的平行線。應解釋成，由于絲網電流密度分布器的非對稱結構，可實現在材料和編織成本 方面的大量節約，同時可實現高效電流分布和利用其得到的電流通路控制對電流行進方向 的控制。
[0011] 然而，ΕΡ0. 051. 437中公開的電流密度分布器存在以下缺點：如果要保證機械和 尺寸穩定性以及對活性層的足夠支持，則僅在垂直方向中的線的有限部分可被移除。由此， 根據ΕΡ0. 051. 437,僅可實現有限的重量和成本減少。
[0012] 因此，需要供在電極中使用的電流密度分布器，該電流密度分布器具有與公知電 流密度分布器相比更低的重量，并且可以用降低的生產成本制造，而不會因此而不利地影 響該電流密度分布器的尺寸和機械穩定性。
[0013] 本發明因此尋求提供這樣的一種電流密度分布器，該電流密度分布器具有與公知 的電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 和機械穩定性。
[0014] 根據本發明，這用示出第一權利要求的特征部分的技術特征的電極來實現。
[0015] 另外，本發明的電流密度分布器的特征在于多孔網在與主要電流流動方向正交的 方向中包括多個第一電絕緣體通路，并且該電流密度分布器在與電流密度分布器上的主要 電流流動正交的方向中的載流量小于在沿著該電流密度分布器上的主要電流流動的方向 中的載流量。
[0016] 注意，如本申請中所使用的術語"電流密度分布器"意指能夠在電極上分布電流并 與電極的活性層交換電子的多孔網形式的導電材料。
[0017] 各發明人已觀察到，與電流密度分布器上的主要電流流動方向正交地延伸的各導 電通路對電流密度分布器上對電流的傳導（以及電子傳輸）幾乎沒有貢獻。各發明人已觀 察到，將移除正交延伸的導電通路作為降低那個方向中的載流量的手段對電流在電流密度 分布器上的分布（如果有的話）幾乎沒有任何影響。結果，正交延伸的導電通路對向接觸 電流密度分布器的活性層的電子供應的貢獻以及對活性層的性能的貢獻將很可能也是可 忽略的。因此，可以以不利地影響電流密度分布器上的電流分布的最小風險來減少在與主 要電流流動的方向正交的方向中使用的導電材料的量。在實踐中，在與主要電流流動方向 正交的方向中的較低載流量通常可通過以下方式來得到：在與主要電流流動正交的方向中 具有更小的每長度單位導電通路數，或者通過使用在該同一方向中具有更小的平均直徑或 橫截面的導電體。兩種測量將都有以下影響：在主要電流流動的正交方向中的材料重量以 及電流密度分布器的材料成本兩者都可降低。
[0018] 在與主要電流流動的方向正交的方向中補充合并合適數目的電絕緣材料通路確 保網狀電流密度分布器的機械和尺寸穩定性可被維持在期望范圍內或甚至可被改進，而無 需對電流密度分布器的重量或成本作出折衷。換言之，簡單減少正交方向中的導電通路的 數目或大小可有使機械和尺寸穩定性惡化的風險。各發明人已觀察到，合并電絕緣體通路 未必會使制造電流密度分布器的生產過程復雜化，其也不會以不利的方式干擾電流在電流 密度分布器上的流動和分布。本發明中使用的優選電絕緣材料是與導電材料相比具有相對 更低的比重（g/cm 3)的材料。
[0019] 各發明人還進一步觀察到，減少與主要電流流動方向正交的方向中的導電通路準 許增加沿著主要電流流動方向的方向中的載流量，因為附加的導電體通路可被安裝在后一 方向上，而不必將電流密度分布器的重量和材料成本增加到超過不期望的限制，并且不會 使生產過程進一步復雜化。相反，與沿著主要電流流動方向中的增加的載流量相關聯的優 點在于可在那個方向中實現更高的流量，從而導致整個電流密度分布器上更均勻的電流密 度分布。同時，多孔網中的各毗鄰導電體之間越小的距離具有以下影響：可實現越均勻的 電流密度分配，使得可向存在于與電流密度分配器相關聯的活性層中的越大數目的活性部 位饋送電能。當在電化學電池單元中使用電流密度分布器時，這是有利的，因為可實現接觸 電流密度分布器的活性層的更均勻的性能，這一般將導致改善的反應動力學、反應選擇性、 反應產率、電化學萃取和離子迀移率。由此，通過降低主要電流流動的正交方向中的載電流 量，可增加沿著主要電流流動的載流量。由此導致的任何機械或尺寸不穩定性可通過在主 要電流流動的正交方向中合并電絕緣材料通路來補償。
[0020] 本發明由此公開了一種電流密度分布器，該電流密度分布器可在示出每單位面積 降低的重量和降低的材料成本之間提供最佳折衷，而不會不利地影響機械和尺寸穩定性。 此外，可改善在沿著主要電流流動的方向延伸的方向中的載流量，并且因此，可獲得電流密 度分布器上的更均勻的電流密度分布。具有更均勻的分布意味著可獲得電流密度分布器的 整個表面上的更均勻的電流密度，但還可減少具有低電流或沒有電流的位置的數目。這在 利用本發明的電流密度分布器的應用中具有益處。
[0021] 電流密度分布器