CN115552057A - 电池堆、制造电池堆的方法以及包括电池堆的燃料电池或电解池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池堆(2)，所述电池堆包括多个单电池(9、10、11、12)，每个单电池(9、10、11、12)包括：膜电极系统(3)，所述膜电极系统具有阴极(6)、阳极(4)和位于阴极和阳极之间的膜(5)；以及阳极气体扩散层(7)或者烧结的钛部件，所述阳极气体扩散层设置在阳极(4)外露的侧面上并具有沿机器横向(y)的第一厚度梯度；和设置在阴极(6)外露的侧面上的阴极气体扩散层(8)，所述阴极气体扩散层具有沿机器横向(y)的第二厚度梯度，其中：在一个单电池(9、10、11、12)中，所述阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)相对于彼此设置成，使得阳极气体扩散层(7)的第一厚度梯度和阴极气体扩散层(8)的第二厚度梯度是反向的；或者在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，各阳极气体扩散层(7)相对于彼此设置成，使得这些阳极气体扩散层(7)的总厚度梯度最小化和/或在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，各阴极气体扩散层(8)设置成，使得这些阴极气体扩散层(8)的总厚度梯度最小化。

Description

电池堆、制造电池堆的方法以及包括电池堆的燃料电池或电 解池
技术领域
本发明涉及一种具有均匀的厚度分布的电池堆以及一种用于制造这种电池堆的方法。此外，本发明涉及一种燃料电池或电解池，所述燃料电池或电解池包括所述电池堆。
背景技术
用于电化学应用、如特别是燃料电池的气体扩散层可以由于制造条件具有不均匀的厚度分布。示例性的厚度变化是可能存在于气体扩散层的至少一个部分区域中的线性的厚度梯度、凹的、凸的或波状的形式。气体扩散层通常作为卷筒件提供，所述卷筒件具有机器纵向(这是卷筒的卷绕或展开的方向)和机器横向(这是垂直于机器纵向延伸并且由此形成卷筒宽度的方向)。这种气体扩散层卷筒由于制造条件特别是沿机器横向具有厚度变化，这里层厚度变化是指气体扩散层沿横机器方向的层厚度的厚度梯度。气体扩散层的厚度梯度导致在电池堆的单电池的内部出现不均匀的厚度分布并且由此导致单电池内部以及这样也在电池堆内部出现不均匀的压力分布。由于在一个电池堆中相对于其余层的层厚度气体扩散层具有高层厚度，气体扩散层不均匀的厚度分布是特别严重的。不均匀的压力分布又会导致对气体扩散层不均匀的挤压，由此如接触电阻、电池内部的特别是水和反应物的物质输送等特性可能是不均匀的，由此不能保证稳定的运行。
此外，就是说，系统性的厚度梯度特别是对于线性厚度梯度在可能包括数百个气体扩散层(GDL)的电池堆中、就是多个单电池的排列结构中使用时，会在总和上导致非常明显地不均匀的厚度分布，由此使得电池堆的组装变得困难或者甚至无法实现。
发明内容
本发明的目的是，给出一种具有尽可能均匀的厚度分布的电池堆以及一种用于制造具有均匀的厚度分布的电池堆的方法。此外，本发明的目的是，给出一种持久地具有高的和稳定的功率密度的燃料电池或电解池。
所述目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求包括本发明有利的改进方案和设计方案。
据此，通过提供一种电池堆来实现所述目的，所述电池堆包括多个单电池，每个单电池包括：膜电极系统，所述膜电极系统具有阴极、阳极和位于阴极和阳极之间的膜；以及设置在阳极外露的侧面上，即设置在阳极背向膜的侧面上的阳极气体扩散层(下面称为：AGDL)；和设置在阴极的外露的侧面上，即同样设置在阴极背向膜的侧面上的阴极气体扩散层(KGDL)。备选于所述阳极气体扩散层，也可以设有烧结的钛部件，即所谓的钛烧结件，如对于电解池很常见的那样。但在这种情况下存在至少一个KGDL。
所述KGDL以及AGDL(如果存在)分别沿机器横向具有一个厚度梯度，AGDL的厚度梯度是第一厚度梯度，而KGDL的厚度梯度是第二厚度梯度。沿机器横向的的厚度梯度根据本发明是指相应气体扩散层(下面称为：GDL)的层厚度沿机器横向随位置变化。
机器横向这里是指这样的方向，所述方向垂直于作为卷筒件存在GDL的展开方向或卷绕方向。在本发明的范围内，气体扩散层制品作为卷筒件制造和提供。这意味着，GDL各个层在分离成GDL之前首先是连贯的并且并排地存在于沿GDL卷筒件的宽度的一个排中，并且还按一种地毯的形式存在于前后相继的多个相应排中。这种地毯结构的卷绕或展开方向是机器纵向。机器横向垂直于机器纵向延伸并且由此还等同于卷筒件的宽度。就是说，GDL沿机器纵向和机器横向伸展并且具有垂直于机器纵向和机器横向分布的确定的层厚度。
如果现在沿机器横向观察GDL，则其层厚度沿这个方向具有厚度梯度。所述层厚度由此沿机器横向变化，并且至少是在所考察的GDL的一个部分区域中变化。
在一个单电池中，所述AGDL和KGDL相对于彼此设置成，使得AGDL的第一厚度梯度和KGDL的第二厚度梯度是反向的。由此在这个单电池内部厚度分布相互补偿或者说优选厚度差相互抵消。由此可以降低单电池内部的压力差，并且甚至使压力差最小化，从而单电池的各层内部的压力分布是均匀的并且避免出现压力峰值。此外这还使得，单电池可以持久地提供高功率密度。
根据一个备选方案，在两个或更多个单电池中，各AGDL相对于彼此设置成，使得所述AGDL的总厚度梯度最小化。这意味着，如果仅在阳极侧考察电池堆，则AGDL以其第一厚度梯度设置成，使得由第一厚度梯度引起的厚度差得到补偿。就是说，不是根据单电池中的厚度分布进行布置，而是专门为了实现厚度补偿、换言之为了补偿第一厚度梯度而对阳极侧的所有AGDL进行定向和布置。由此，电池堆在阳极侧具有尽可能均匀的厚度变化，由此在阳极侧例如在组装电池堆时可以减小或甚至防止出现压力差。这同样有助于改进电池堆的功率密度。
出于前面所述的原因，根据本发明备选或附加地设定，在两个或更多个单电池中，各KGDL相对于彼此设置成，使得这些KGDL的总厚度梯度最小化。由此所有要在电池堆中使用的KGDL在其相应厚度梯度上这样定向，使得在所有KGDL上使得厚度差最小化。
对于电池堆的功率密度特别有利的是，AGDL以及KGDL分别这样定向，使得其总厚度梯度最小化。
根据一个有利的改进方案，在电池堆的每个单电池中，所述AGDL和KGDL分别相对于彼此设置成，使得对于每个单电池所述AGDL的第一厚度梯度和KGDL的第二厚度梯度都是反向的。由此可以将任意数量的单电池相叠地堆成一个电池堆，由于每个单电池的厚度梯度都最小化并且由此得到补偿，这个电池堆也具有最小化的厚度变化并且由此可以减小并且甚至消除单电池的层之间的压力差。这改善了电池堆的长期功率密度。
根据另一个有利的改进方案，AGDL的第一厚度梯度和KGDL的第二厚度梯度是线性的。这意味着，两个厚度梯度具有恒定的斜率，就是说，GDL的层厚度至少在所述GDL的一个部分区域内恒定地减小或增大。由此可以特别简单地补偿电池堆中的厚度差或厚度变化，从而可以显著降低电池堆中的压力差，这有助于实现电池堆的稳定性和持续的高功率密度。
另外有利的是，AGDL和KGDL分别包括微孔层和大孔的载体材料，AGDL的微孔层朝阳极定向，并且KGDL的微孔层朝阴极定向。使用微孔层使得可以实现特别有利的物质输送并且由此实现特别有利地给阳极供应反应气体(对于燃料电池的情况：用于阳极的氢气和用于阴极的氧气)。此外，使用微孔层降低了催化剂涂层的膜与GDL之间的接触电阻。
这里，所述微孔层可以包含确定量的聚四氟乙烯(PTFE)，以便影响微孔层的疏水特性，由此控制在单电池中形成或包含的水的流出特性。也可以包含含碳的材料，如例如炭黑或石墨，通过这种材料同样可以控制微孔层的疏水或亲水特性。作为载体材料主要是纸类或无纺布类的材料是有利的，这些材料可以由特别是具有7μm的平均直径的碳基的聚丙腈纤维形成。所述微孔层与载体材料相比的突出之处在于，具有明显更为光滑的表面和结构，这种表面和结构使得可以与电极(阴极或阳极)实现非常好的接触，这实现了小的电阻。
另一个有利的改进方案设定，一个单电池的AGDL和/或KGDL具有在100μm至300μm的范围内的层厚度。由于GDL相对于膜电极系统(MEA)的其他部分的层厚度较大的层厚度，对于反应气体可以提供非常好的流动场(Flussfeld)，所述流动场实现了反应气体的均匀分布。GDL的层厚度这里定义为以1MPa的测量压力按相等的间距在GDL的整个宽度上确定的十个测量值的平均值。
所述载体材料优选选自无纺布类和纸类。
此外有利的是，所述膜电极系统环绕地由边缘材料包围。所述边缘材料这里包括载体膜以及粘附层，所述载体膜和粘附层确保由边缘材料和MEA组成的复合结构具有很好的气密性。此外，边缘材料特别是在GDL边缘的区域内针对可能刺穿MEA并由此导致电短路的GDL纤维保护MEA。电短路可能导致MEA的使用寿命缩短或者完全失效。
此外有利地还记载了一种燃料电池或电解池，所述燃料电池或电解池包括如前面公开的电池堆。由于使用了突出之处在于厚度差得到补偿的电池堆，所述燃料电池或电解池具有均匀的厚度，由此可以持久地实现高功率密度。
同样，根据本发明还记载了一种用于制造电池堆的方法。所述电池堆如前面所述那样构成并且包括多个单电池，每个单电池包括：MEA，所述MEA具有阴极、阳极和位于阴极和阳极之间的膜；以及AGDL或者烧结的钛部件，所述AGDL设置在阳极外露的侧面上并具有沿机器横向的第一厚度梯度；和设置在阴极外露的侧面上的KGDL，所述KGDL具有沿机器横向的第二厚度梯度。所述方法适于制造根据本发明的电池堆。
根据本发明的方法，在至少一个单电池并且特别是在所有单电池中，对于每个单电池，AGDL和KGDL分别相对于彼此设置成，使得AGDL的第一厚度梯度和KGDL的第二厚度梯度是反向的。由此可以补偿GDL中的厚度差或厚度变化，从而经历了根据本发明的这个步骤的每个单电池都具有经补偿的均匀厚度分布。由此可以相叠地堆放具有均匀的层厚度分布的单电池，而不会出现点状或局部的压力载荷。相反，在堆叠单电池时避免出现压力峰值，从而避免了由于所作用的压力在单电池的层中发生损坏。这样制造的电池堆的突出之处在于持久的高功率密度。
根据一个备选的实施形式，在两个或更多个单电池中，各AGDL相对于彼此设置成，使得这些AGDL的总厚度梯度最小化。由此，在将单电池组装成电池堆之前使AGDL这样定向，使得如果仅在阳极侧考察电池堆，则得到AGDL的均匀的厚度分布，从而避免和补偿厚度变化。施加到电池堆上的压力由此均匀地作用于所有所包含的层，由此避免在层内部出现损坏。
根据一个备选或附加的实施形式，出于前面所述的原因，在两个或更多个单电池中，各KGDL设置成，使得这些阴极气体扩散层的总厚度梯度最小化。
特别是如果在阴极侧和在阳极侧使得相应的GDL相对于彼此这样定向，使得厚度差最小化，则可以获得具有特别均匀的层布置系统的电池堆，所述电池堆相对于均匀地在所述层的整个面积上分布的所作用的压力是稳定的，从而在电池堆中可以持久地获得特别高的功率密度。
所述气体扩散层(KGDL和AGDL)有利地作为卷筒件提供并且在展开后分离成GDL，为了分离气体扩散层，沿机器横向依次从卷筒上提取GDL，并且这样使用依次提取的GDL，使得每两个已提取的GDL就将一个GDL相对于机器横向旋转180°，并且将未旋转和旋转的GDL交替地用作AGDL或KGDL。换言之，这意味着，从卷筒件展开的面上提取GDL，例如通过切割或冲裁或任意其他分离过程提取。这里，这样进行处理，使卷筒件至少展开这样的程度，即，使要分离的GDL的长度外露。然后，在展开的卷筒件的一个纵向边缘上开始朝第二纵向边缘的延展方向上、就是说在卷筒的宽度上分离出第一个GDL。接下来，朝第二纵向边缘的方向分离出第二GDL。这个分离过程一直进行到达到第二纵向边缘。然后再次从第一纵向边缘朝第二纵向边缘开始下一排并且分离出另一个GDL，以此类推。
对于前面这个实施形式在分离GDL之后原则上存在两种可能性：
根据第一种可能性，将相应分离的GDL相互堆叠，就是说，例如沿机器横向的第一排的第四GDL叠放在沿机器横向的第一排的第三GDL上，将第三GDL叠放在沿机器横向的第一排的第二GDL上，并将沿机器横向的第一排的第一GDL放在最下面。由此得到一个GDL叠，在这个堆叠中，每两个GDL就有一个相对于机器横向旋转了180°。
根据第二种可能性，每两个GDL就将一个相对于机器横向旋转180°也可以在将各层堆叠成单电池时进行。
重要的是，在两种情况下，在依次从GDL卷筒上提取的GDL中，每两个GDL就将一个旋转180°，从而未旋转和已旋转的GDL交替地在相同的单电池中用作AGDL和KGDL。
参考一个示例说明前面的实施形式。假设在GDL卷筒的整个宽度上可以前后相继地分离出四个GDL，并且GDL卷筒沿机器横向具有线性的厚度梯度，这样，四个沿机器横向依次分离的GDL分别具有相同的恒定斜率。这包括第一GDL、第二GDL、第三GDL和第四GDL。第二和第四GDL沿机器横向旋转180°。将这四个GDL例如相互堆叠并且提供给进一步的加工。将第四GDL放在第三GDL上，将第三GDL放在第二GDL上，并将第二GDL放在第一GDL上。通过将第二和第四GDL沿机器横向旋转180°补偿了四个相互堆叠的GDL的厚度梯度。如果这四个GDL现在用在一个电池堆中，则得到以下可能性：
在第一种情况下，对于第一单电池，例如将第四GDL用作AGDL，并将第三GDL用作KGDL。由此获得一个这样的单电池，在这个单电池中，GDL的厚度差最小化，并且由于各GDL的层厚度的相同斜率，甚至消除了厚度差。
在第二种情况下，例如所有四个GDL在四个单电池的相应阳极侧用作AGDL。通过将第二和第四GDL沿机器横向旋转180°，在电池堆中在阳极侧也补偿厚度差。换言之，消除了厚度梯度。
在第三种情况下，例如所有四个GDL都用作四个单电池的相应阴极侧上的KGDL。通过将第二和第四GDL沿机器横向旋转180°，在电池堆中在阴极侧也补偿厚度差。换言之，消除了厚度梯度。
在第四种情况下，分别将两个相叠的GDL在两个单电池中用在阳极侧和阴极侧上。由此，每个阳极侧有一个GDL并且每个阴极侧有一个GDL分别处于原始状态，即是未旋转的，并且每个阳极侧有一个GDL并且每个阴极侧有一个GDL分别沿机器横向旋转了180°，从而在阳极侧以及在阴极侧都消除了GDL的厚度梯度，由此获得具有最小化的厚度变化并且由此具有持久的高功率密度的电池堆。作用于电池堆的压力均匀地分配到所有层上，从而避免出现压力峰值。
前面的示例对于任意数量的分离的GDL都是可以实现的，这里，在沿机器横向可以一直分离到第二纵向边缘的相应最后的GDL上连接沿卷筒的纵向方向新的一排中的可以沿机器横向从第一纵向边缘开始分离的相应第一个GDL。这里，GDL沿机器横向的旋转可以直接在从卷筒件上分离GDL之后进行，就是说在可能的存放之前进行，或者也可以在将各个层堆叠层电池堆时才进行。
另一个有利的改进方案的特征在于，所述气体扩散层作为卷筒件提供并且分离成GDL，为了分离GDL，沿机器横向依次从卷筒上提取GDL，并且将依次提取的GDL分别相互堆叠，每两个要相互堆叠或已相互堆叠的GDL中就将一个相对于机器横向旋转180°并将相互堆叠的GDL用作电池堆的相叠设置的单电池的AGDL或KGDL。如前面已经说明的那样，GDL沿机器横向的旋转可以或者直接在从卷筒件上分离GDL之后进行，就是说在可能的存放之前进行，或者也可以在将各个层堆叠成电池堆时才进行。在两个实施形式中，在使用分离的GDL并且堆叠这些GDL时(包括每两个GDL中就将一个沿机器横向旋转180°)，在电池堆的阳极侧(将GDL用作AGDL)或在电池堆的阴极侧(将GDL用作KGDL)实现对电池堆中的厚度差的补偿，从而可以减小或者甚至防止出现压力峰值。
根据另一个有利的改进方案，所述气体扩散层作为卷筒件提供并且分离成GDL，为了分离GDL，沿机器横向依次从卷筒上提取GDL，并且将依次提取的GDL分别相互堆叠。但这里，通过随机生成器确定GDL，然后将这些GDL相对于机器横向旋转180°，旋转或不旋转具有相同的概率。这使得，AGDL和KGDL以随机的序列旋转并且由此在统计学上看可以设置成，使得消除第一厚度梯度和第二厚度梯度或者减小厚度差。由此也获得了具有较小厚度差的电池堆。各层平坦地相互贴合，从而在层内部不会局部出现压力峰值。由于电池堆之内的单电池数量是有限的，旋转和不旋转的实际数量可能相互不同并且在45％至55％之内。GDL的旋转这里例如在从卷筒件上分离GDL之后进行的铺放中进行，或者也可以在堆叠用于电池堆的层时才进行。
附图说明
本发明的其他细节、优点和特征由下面参考附图对实施例的说明得出。其中：
图1示出GDL卷筒件；
图2示出用于制造根据第一实施形式的电池堆的方法；
图3示出用于制造根据第二实施形式的电池堆的方法；
图4示出用于制造根据第三实施形式的电池堆的方法；
图5示出根据用于制造第四实施形式的电池堆的方法；
图6示出用于制造根据第五实施形式的电池堆的方法；
图7示出用于制造根据第六实施形式的电池堆的方法；
图8示出用于制造根据第七实施形式的电池堆的方法；
图9示出用于制造根据第八实施形式的电池堆的方法；
图10示出用于制造根据第九实施形式的电池堆的方法；
图11示出用于制造根据第十实施形式的电池堆的方法；
图12示出用于制造根据第十一实施形式的电池堆的方法；
图13示出用于制造根据第十二实施形式的电池堆的方法；
图14示出用于制造根据第十三实施形式的电池堆的方法；以及
图15示出对于500个分别具有400个GDL的电池堆对具有线性梯度的GDL的统计学意义上(按概率)的旋转的模拟结果。
具体实施方式
在图中仅示出本发明的主要特征。为了清楚起见，省去了所有其余的特征。此外用相同的附图标记标注相同的特征/部件。
图1用细节示出GDL卷筒件1，这意味着，以确定的宽度和长度制造GDL的材料并将其卷绕成卷筒1。在这个示例性的设计方案中表明，例如每个沿机器纵向x观察的排R1、R2等沿机器横向y分别能并排地分离出四个GDL。所述GDL卷筒1具有第一纵向边缘1a和第二纵向边缘1b。
图2a示出从卷筒1上展开的GDL材料的视图。这里可以看到，所述GDL材料并且由此还有所有要分离的GDL#1、#2、#3和#4在层厚度方向z上具有厚度梯度。在这个实施形式中，这是一种线性厚度梯度，就是说，沿层厚度方向z这样的层厚度变化，这种层厚度变化在整个机器横向y上表现为具有恒定的斜率。由此，所有沿机器横向y设置的GDL#1-#4的斜率具有相同的斜率并且由此沿机器横向y具有相同的层厚度降低率。
如果GDL材料现在在方法步骤100中分离成四个GDL#1-#4，如在图2b中示出的那样，则得到四个分开的GDL#1-#4，其中#1在绝对值上具有最大的层厚度，而#4在绝对值上看具有最小的层厚度，但层厚度沿机器横向y降低的相应厚度梯度、即斜率在所有四个GDL#1-#4中是相同的。图2b这里用沿机器横向y剖切的剖视图示出分离的GDL#1-#4。
图2c示出分离的GDL#1-#4的俯视图。沿机器纵向x和机器横向y伸展地示出GDL#1-#4。现在在方法步骤200中，将第二GDL#2和第四GDL#4沿机器横向y旋转180°。这实现了GDL#1-#4在图2d和2e中的视图，其中，图2d也示出GDL#1-#4的侧视图，就是说，类似于图2b示出沿机器横向y剖切的视图，而图2e也示出GDL#1-#4的俯视图，类似于图2c。
特别是由图2d可以看到，旋转的GDL#2和#4和未旋转的GDL#1和#3现在沿层厚度方向z具有怎样的梯度分布。
如果现在将图2d和2e的未旋转的GDL#1和#3以及旋转的GDL#2和#4用于按#1、#2、#3、#4的顺序制造电池堆2，则在对应于#1或#3的AGDL 7与对应于#2或#4的KGDL之间相应地组装MEA 3，所述MEA包括阳极4、阴极6和位于阳极和阴极之间的膜5。相应的层这里沿机器横向y相互堆叠。在层厚度方向z上观察，得到如图2f中示出的布置结构。沿机器横向y依次地将GDL#1-#4相互堆叠。这里示出两个可以堆叠成电池堆2的单电池9、10。
由图2f可以看到，第二GDL#2和第四GDL#4的180°的旋转对于单电池9和10中的组装是有利的。这意味着，在组装成单电池9、10之后，GDL#1-#4的厚度差被消除。这使得，通过组装单电池9、10也在电池堆2中消除厚度差。
换言之，在每个单电池9、10中，AGDL 7和KGDL 8相对于彼此设置成，使得AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度是反向的并且由此被抵消。
由此在电池堆2的所有层上得到均匀的厚度分布并且由此得到均匀的压力分布，从而电池堆2持久地具有很高的功率密度。
图2a示出这样的情况，其中图2b和2c的GDL#1-#4，即处于未旋转的状态下GDL组装成具有两个单电池9、10的电池堆2a。这里可以看到，在单电池9、10以及在电池堆2a中都没有消除厚度差或使厚度差最小化。相反，这里由于AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度存在明显的厚度变化。
由此，不能在电池堆2a的所有层上形成均匀的压力分布，从而电池堆2a的功率密度降低。
图3示出用于制造根据第二实施形式的电池堆的方法。如已经在图2中说明的GDL卷筒件那样，这个GDL卷筒件1也沿机器横向y具有厚度梯度，GDL卷筒件1的层厚度以恒定的斜率从第一纵向边缘1a朝第二纵向边缘1b连续地变化。
与图2不同，每排R1和R2分别分离成三个GDL#1、#2和#3以及#4、#5和#6。图3b和3c分别用侧视图(沿机器横向y的横向剖视图)和俯视图(沿机器纵向x和机器横向y伸展的相应GDL的俯视图)示出第一排R1的三个分离的GDL#1-#3。图3d和3f分别用侧视图(沿机器横向y的横向剖视图)和俯视图(沿机器纵向x和机器横向y伸展的相应GDL的俯视图)示出第二排R2的三个分离的GDL#4-#6。
在方法步骤200中，也是每两个GDL就将一个GDL(#2、#4和#6)沿机器横向y旋转180°。由此得出GDL#1-#6的如在图3f、3g、3h和3i中示出的视图。
图3j示出在组装三个单电池9、10和11之后的电池堆2，每个单电池包括膜电极系统3以及在阳极侧包括AGDL 7和在阴极侧包括KGDL 8，所述膜电极系统具有阳极4、阴极6和位于阳极与阴极之间的膜5。单电池9作为AGDL 7具有GDL#1(未旋转)并且作为KGDL8具有GDL#2(旋转)。单电池10作为AGDL 7具有GDL#3(未旋转)并且作为KGDL 8具有GDL#4(旋转)。单电池11作为AGDL 7具有GDL#5(未旋转)并且作为KGDL 8具有GDL#6(旋转)。
每个单电池9至11由此分别具有一个GDL，所述GDL沿机器横向y旋转了180°，从而一个单电池的AGDL的第一厚度梯度和KGDL的第二厚度梯度沿相反的方向延伸，从而对于每个单电池都消除的厚度差。
由图3j也可以看到，在电池堆2中也沿机器横向消除了厚度差或厚度变化，从而在电池堆2的所有层上都可以作用相同的压力并且可以避免出现压力峰值。由此还使得电池堆2长时间具有高功率密度。
图3k示出这样的情况，其中，图3b、3c、3d和3e的GDL#1-#6、就是说处于未旋转状态下的GDL组装成具有三个单电池9、10和11的电池堆2a。这可以可以看到，在单电池9、10或11中以及在电池堆2a中都没有消除厚度差或使厚度差最小化。相反由于AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度而存在明显的厚度变化。
由此，不能在电池堆2a的所有层上形成均匀的压力分布，从而电池堆2a的功率密度降低。
图4示出用于制造根据第三实施形式的电池堆的方法。
在这个实施形式中，GDL卷筒件1沿机器横向y具有凹形的形状。由此，GDL卷筒件1沿机器横向从第一纵向边缘1a到另一个纵向边缘1b具有两个厚度梯度。沿层厚度方向z的斜率从第一GDL#1到第二GDL#2降低，并且层厚度方向z的斜率从第三GDL#3到第四GDL#4沿增大。如果现在以形成GDL的形式分离GDL卷筒件1，使得每排分离出四个GDL#1、#2、#3和#4，则得到其如图4b和4c中示出的剖面模式，这里图4b类似于图2b和3b也示出沿机器横向y的剖视图，而图4c类似于图2c和3c示出沿机器纵向x和机器横向y伸展的GDL#1-#4的俯视图。
如图2和3中那样，在方法步骤200中，将GDL#2和GDL#4也沿机器横向旋转了180°，由此得到GDL#1-#4的如图4d和4e中示出的剖面模式。
如果现在将GDL#1-#4依次对于单电池9、10用作AGDL 7和KGDL 8，就是说，将GDL#1用作单电池9的AGDL 7，将GDL#2用作单电池9的KGDL 8，以及将GDL#3用作单电池10的AGDL7，将GDL#4用作单电池10的KGDL 8，则在组装成单电池9、10时，如图4f中所示，在GDL#1-#4中存在的厚度差或厚度变化被消除。由于单电池9、10中的厚度补偿，由单电池9和10组成的电池堆2总体上也具有被抵消的厚度差。
相反，图4g示出，由于GDL#1-#4都没有旋转180°，在单电池9和10中也没有发生厚度补偿。相反，AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度(见电池堆2a)相互增强，从而在单电池的各层中存在明显的压力不均匀。
图5示出用于制造根据第四实施形式的电池堆的方法。
在这个实施形式中，GDL卷筒件1沿机器横向y具有凸形的形状。由此，GDL卷筒件1沿机器横向从第一纵向边缘1a到另一个纵向边缘1b具有两个厚度梯度，这两个厚度梯度沿相反的方向分布，但与图4不同，从第一GDL#1到第二GDL#3有增大的沿层厚度方向z的斜率，但从第三GDL#3到第四GDL#4有减小的沿层厚度方向z的斜率。如果现在以形成GDL的形式分离GDL卷筒件1，使得每排分离出四个GDL#1、#2、#3和#4，则得到其如图5b和5c中示出的剖面模式，这里图5b类似于图2b、3b和4b也示出沿机器横向y的剖视图，而图5c类似于图2c、3c和4c示出沿机器纵向x和机器横向y伸展的GDL#1-#4的俯视图。
如图2和4中那样，在方法步骤200中，将GDL#2和GDL#4也沿机器横向旋转了180°，由此得到GDL#1-#4的如图5d和5e中示出的剖面模式。
如果现在将GDL#1-#4依次对于单电池9、10用作AGDL 7和KGDL 8，就是说，将GDL#1用作单电池9的AGDL 7，将GDL#2用作单电池9的KGDL 8，以及将GDL#3用作单电池10的AGDL7，将GDL#4用作单电池10的KGDL 8，则在组装成单电池9、10时，如图5f中所示，在GDL#1-#4中存在的厚度差或厚度变化被消除。由于单电池9、10中的厚度补偿，由单电池9和10组成的电池堆2总体上也具有被抵消的厚度差。
相反，图5g示出，如果GDL#1-#4都没有旋转180°(见电池堆2a)，在单电池9和10中也没有发生厚度补偿。相反，AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度相互增强，则在单电池9、10的各层中存在明显的压力不均匀。
图6示出用于制造根据第五实施形式的电池堆的方法。
在这个实施形式中，GDL卷筒件1沿机器横向y具有波形的形状。由此，GDL卷筒件1沿机器横向y从第一纵向边缘1a到另一个纵向边缘1b具有三个厚度梯度，这里，第一厚度梯度和第三厚度梯度沿相同的方向分布并且是升高，并且位于它们之间的厚度梯度沿降低的方向分布。
第一和第四GDL#1、#4具有沿增大的层厚度方向z的斜率，第二和第三GDL#2、#3分别具有增大和减小的沿层厚度方向z的斜率。如果现在以形成GDL的形式分离GDL卷筒件1，使得每排分离出四个GDL#1、#2、#3和#4，则得到其如图6b和6c中示出的剖面模式，这里图6b类似于图2b、3b、4b和5b也示出沿机器横向y的剖视图，而图6c类似于图2c、3c、4c和5c示出沿机器纵向x和机器横向y伸展的GDL#1-#4的俯视图。
与前面的图中相同，这里也在方法步骤200中，将GDL#2和GDL#4沿机器横向旋转了180°，由此得到GDL#1-#4的如图6d和6e中示出的剖面模式。
如果现在将GDL#1-#4依次对于单电池9、10用作AGDL 7和KGDL 8，就是说，将GDL#1用作单电池9的AGDL 7，将GDL#2用作单电池9的KGDL 8，以及将GDL#3用作单电池10的AGDL7，将GDL#4用作单电池10的KGDL 8，则在将单电池9、10组装成电池堆2时，如图6f所示，在GDL#1-#4中存在的厚度差或厚度变化被消除，但在单电池9、10之内没有实现AGDL 7与KGDL8之间的厚度差的完全补偿。
相反，图6g示出，如果GDL#1-#4都没有旋转180°，在由单电池9和10组装成的电池堆2a中也没有发生厚度补偿。相反，AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度相互增强，从而在单电池9、10的各层中存在明显的压力不均匀。
图7示出用于制造根据第六实施形式的电池堆的方法。
在这个实施形式中，GDL卷筒件1沿机器横向y具有从第一纵向边缘1a到第二纵向边缘1b升高的厚度梯度，并且是这样的厚度梯度，即，在第一和第二GDL#1和#2上表现为沿机器横向y升高的斜率，而第三和第四GDL#3、#4具有恒定的层厚度，即没有厚度梯度。
如果现在以形成GDL的形式分离GDL卷筒件1，使得每排分离出四个GDL#1、#2、#3和#4，则得到其如图7b和7c中示出的剖面模式，这里图7b类似于图2b、3b、4b、5b和6b也示出沿机器横向y的剖视图，而图7c类似于图2c、3c、4c、5c和6c示出沿机器纵向x和机器横向y伸展的GDL#1-#4的俯视图。
与前面的图中相同，这里也在方法步骤200中，将GDL#2和GDL#4沿机器横向旋转了180°，由此得到GDL#1-#4的如图7d和7e中示出的剖面模式。
如果现在将GDL#1-#4依次对于组装成电池堆2的单电池9、10用作AGDL 7和KGDL8，就是说，将GDL#1用作单电池9的AGDL7，将GDL#2用作单电池9的KGDL 8，以及将GDL#3用作单电池10的AGDL 7，将GDL#4用作单电池10的KGDL 8，则在组装成单电池9、10时，如图7f所示，在GDL#1-#4中存在的厚度差或厚度变化被消除，以及在电池堆2的内部实现了相应AGDL7与相应KGDL8之间的厚度差的完全补偿。单电池10由于GDL#3和#4的均匀的厚度而总体上就有均匀的厚度分布并且由此也有助于实现电池堆的均匀性。
相反，图7g示出，如果GDL#1-#4都没有旋转180，在单电池9中也没有发生厚度补偿。相反，AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度相互增强，则在单电池9的层中存在明显的压力不均匀。单电池10由于GDL#3和#4的均匀的厚度具有总体上均匀的厚度分布并且由此不会加剧电池堆的不均匀性。
图8示出用于制造根据第七实施形式的电池堆的方法。
在这个实施形式中，GDL卷筒件1沿机器横向y具有从第一纵向边缘1a到第二纵向边缘1b降低的厚度梯度，并且是这样的厚度梯度，即，在第一和第二GDL#1和#2上表现为沿机器横向y升高的斜率，而第三和第四GDL#3、#4具有恒定的层厚度，即没有厚度梯度，并具有较小的层厚度。
如果现在以形成GDL的形式分离GDL卷筒件1，使得每排分离出四个GDL#1、#2、#3和#4，则得到其如图8b和8c中示出的剖面模式，这里图8b类似于图2b、3b、4b、5b、6b和7b也示出沿机器横向y的剖视图，而图8c类似于图2c、3c、4c、5c、6c和7c示出沿机器纵向x和机器横向y伸展的GDL#1-#4的俯视图。
与前面的图中相同，这里也在方法步骤200中，将GDL#2和GDL#4也沿机器横向旋转了180°，由此得到GDL#1-#4的如图8d和8e中示出的剖面模式。
如果现在将GDL#1-#4依次对于组装成电池堆2的单电池9、10用作AGDL 7和KGDL8，就是说，将GDL#1用作单电池9的AGDL7，将GDL#2用作单电池9的KGDL 8，以及将GDL#3用作单电池10的AGDL 7，将GDL#4用作单电池10的KGDL 8，则在组装成单电池9、10时，如图8f所示，在单电池9、10中使在GDL#1-#4中存在的厚度差或厚度变化消除，以及在电池堆2的内部实现了相应AGDL 7与相应KGDL 8之间的厚度差的完全补偿。单电池10由于GDL#3和#4的均匀的厚度而总体上就有均匀的厚度分布并且由此也有助于实现电池堆的均匀性。
图8g示出，由于GDL#1-#4没有旋转180°，在单电池9中没有发生厚度补偿。相反，AGDL 7的第一厚度梯度和KGDL 8的第二厚度梯度相互增强，则在单电池9的层中存在明显的压力不均匀。单电池10由于GDL#3和#4的均匀的厚度具有总体上均匀的厚度分布并且由此也不会加剧电池堆2a的不均匀性。
图9示出用于制造根据第八实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图2的实施形式，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，将GDL#1用作第一单电池9中的AGDL 7，将GDL#2用作第二单电池10中的KGDL 8，将GDL#3用作第三单电池11中的AGDL 7，并将GDL#4用作第四单电池12中的KGDL 8。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化省去了KGDL 8)，如图9f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化的补偿。由此，减小了或甚至抵消了总厚度梯度。就是说，AGDL7在电池堆2中设置成，使得消除其厚度梯度，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
与此相对，在电池堆2a中(见图9g)中没有在所有层上形成均匀的压力分布。这里第二和第四GDL#2和#4没有沿机器横向y旋转。
图10示出用于制造根据第九实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图4的实施形式(GDL卷筒件1沿层厚度方向z具有凹形的设计)，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性也仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，GDL#1在第一单电池9中、第二单电池10中、第三单电池11中和第四单电池12中都用作AGDL7。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化也省去了KGDL 8)，如图10f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化的显著减小。就是说，AGDL 7在电池堆2中设置成，使得其厚度梯度在总和上减小，就是说厚度变化减小，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
图11示出用于制造根据第十实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图5的实施形式(GDL卷筒件1沿层厚度方向z具有凸形的设计)，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性也仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，GDL#1在第一单电池9中、第二单电池10中、第三单电池11中和第四单电池12中都用作AGDL7。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化也省去了KGDL 8)，如图11f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化的减小。就是说，AGDL 7在电池堆2中设置成，使得其厚度变化减小，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
图12示出用于制造根据第十一实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图6的实施形式(波形)，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性也仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，GDL#1在第一单电池9中、第二单电池10中、第三单电池11中和第四单电池12中都用作AGDL 7。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化省去了KGDL 8)，如图9f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化的补偿。就是说，AGDL 7在电池堆2中设置成，使得消除其厚度梯度，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
图13示出用于制造根据第十二实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图7的实施形式(在第一和第二GDL#1、#3中有增大的层厚度，并且在第三和第四GDL#3、#4中有恒定的层厚度)，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性也仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，GDL#1在第一单电池9中、第二单电池10中、第三单电池11中和第四单电池12中都用作AGDL 7。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化也省去了KGDL 8)，如图13f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化减小。就是说，AGDL 7在电池堆2中设置成，使得其厚度变化减小，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
图14示出用于制造根据第十三实施形式的电池堆的方法。
这个实施形式类似于图8的实施形式(在第一和第二GDL#1、#3中有逐渐减小的层厚度，并且在第三和第四GDL#3、#4中有恒定的层厚度)，区别在于，分离成GDL#1-#4的GDL示例性也仅用于阳极侧，就是说只用作AGDL 7。由此，GDL#1在第一单电池9中、第二单电池10中、第三单电池11中和第四单电池12中都用作AGDL 7。
通过使第二和第四GDL#2、#4沿机器横向y旋转，在组装电池堆2之后(为了简化也省去了KGDL 8)，如图14f中示出的那样，在整个电池堆2上在阳极侧上通过AGDL 7相应的定向实现了厚度差或厚度变化的减小。就是说，AGDL 7在电池堆2中设置成，使得其厚度变化减小，由此在电池堆2的所有层上可以实现非常均匀的压力分布，并且电池堆2的突出之处在于长期具有高功率密度。
图15示出根据第十四实施形式在统计学意义上旋转GDL的结果。这里将具有线性厚度梯度的400个GDL用作模拟基础。对于500个电池堆重复模拟。由此，在96.2％(481)的情况下得出，对于等于或少于20个GDL对，换言之40个GDL、换言之等于或小于GDL总数的10％，其厚度梯度没有得到补偿。就是说，在超过95％的情况下，GDL按统计规律的旋转或不旋转使得电池堆的总厚度不均匀性减小超过90％。
除了前面对本发明文字上的描述，为了补充其公开内容，这里明确地引用本发明在图1至15中的图形显示。
附图标记列表
1 GDL卷筒件
1a GDL卷筒件的第一纵向边缘
1b GDL卷筒件的第二纵向边缘
2 电池堆
2a 电池堆
3 膜电极系统
4 阳极
5 膜
6 阴极
7 AGDL
8 KGDL
9 单电池
10 单电池
11 单电池
12 单电池
#1 第一GDL
#2 第二GDL
#3 第三GDL
#4 第四GDL
R1 GDL排
R2 GDL排
x 机器纵向
y 机器横向
z 层厚度方向

Claims (10)

1.电池堆，所述电池堆包括多个单电池(9、10、11、12)，每个单电池(9、10、11、12)包括：膜电极系统(3)，所述膜电极系统具有阴极(6)、阳极(4)和位于阴极和阳极之间的膜(5)；以及阳极气体扩散层(7)或者烧结的钛部件，所述阳极气体扩散层设置在阳极(4)外露的侧面上并具有沿机器横向(y)的第一厚度梯度；和设置在阴极(6)外露的侧面上的阴极气体扩散层(8)，所述阴极气体扩散层具有沿机器横向(y)的第二厚度梯度，其中：
a)在一个单电池(9、10、11、12)中，所述阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)相对于彼此设置成，使得阳极气体扩散层(7)的第一厚度梯度和阴极气体扩散层(8)的第二厚度梯度是反向的，或者
b)在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，各阳极气体扩散层(7)相对于彼此设置成，使得这些阳极气体扩散层(7)的总厚度梯度最小化，和/或在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，各阴极气体扩散层(8)相对于彼此设置成，使得这些阴极气体扩散层(8)的总厚度梯度最小化。
2.根据权利要求1所述的电池堆，其中，在所有单电池(9、10、11、12)中，所述阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)分别相对于彼此设置成，使得对于每个单电池(9、10、11、12)阳极气体扩散层(7)的第一厚度梯度和阴极气体扩散层(8)的第二厚度梯度是反向的。
3.根据权利要求1或2所述的电池堆，其中，阳极气体扩散层(7)的第一厚度梯度和阴极气体扩散层(8)的第二厚度梯度是线性的。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池堆，其中，阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)分别包括微孔层和大孔的载体材料，阳极气体扩散层(7)的微孔层朝阳极(4)定向，并且阴极气体扩散层(8)的微孔层朝阴极(6)定向。
5.根据上述权利要求中任一项所述的电池堆，其中，一个单电池(9、10、11、12)的阳极气体扩散层(7)和/或阴极气体扩散层(8)具有在100μm至300μm的范围内的层厚度，和/或
所述载体材料选自无纺布类和纸类，和/或
所述膜电极系统(3)环绕地由边缘材料包围。
6.燃料电池或电解池，包括根据上述权利要求中任一项所述的电池堆(2)。
7.用于制造电池堆(2)的方法，所述电池堆包括多个单电池(9、10、11、12)，每个单电池(9、10、11、12)包括：膜电极系统(3)，所述膜电极系统具有阴极(6)、阳极(4)和位于阴极和阳极之间的膜(5)；以及阳极气体扩散层(7)或烧结的钛部件，所述阳极气体扩散层设置在阳极(4)外露的侧面上并具有沿机器横向(y)的第一厚度梯度；和设置在阴极(6)外露的侧面上的阴极气体扩散层(8)，所述阴极气体扩散层具有沿机器横向(y)的第二厚度梯度，其中：
a)在一个单电池(9、10、11、12)中，将所述阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)相对于彼此设置成，使得阳极气体扩散层(7)的第一厚度梯度和阴极气体扩散层(8)的第二厚度梯度是反向的，或者
b)在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，将各阳极气体扩散层(7)相对于彼此设置成，使得这些阳极气体扩散层(7)的总厚度梯度最小化，和/或在两个或更多个单电池(9、10、11、12)中，将各阴极气体扩散层(8)相对于彼此设置成，使得这些阴极气体扩散层(8)的总厚度梯度最小化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述气体扩散层作为卷筒件(1)提供并且将所述卷筒件分离成气体扩散层，为了分离气体扩散层，沿机器横向(y)依次从卷筒(1)上提取气体扩散层，并且依次提取的气体扩散层这样使用，使得每两个所提取的气体扩散层就将一个气体扩散层相对于机器横向(y)旋转180°，并且没有旋转的气体扩散层和旋转的气体扩散层交替地用作用于一个单电池(9、10、11、12)的阳极气体扩散层(7)和阴极气体扩散层(8)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述气体扩散层作为卷筒件(1)提供并且将所述卷筒件分离成气体扩散层，为了分离气体扩散层，沿机器横向(y)依次从卷筒(1)上提取气体扩散层，并且将依次提取的气体扩散层分别相互堆叠，使得每两个要相互堆叠或已堆叠的气体扩散层就将一个气体扩散层相对于机器横向(y)旋转180°，并且将相互堆叠的气体扩散层用作用于电池堆(2)的相叠设置的单电池(9、10、11、12)的阳极气体扩散层(7)或阴极气体扩散层(8)。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述气体扩散层作为卷筒件(1)提供并且将所述卷筒件分离成气体扩散层，为了分离气体扩散层，沿机器横向(y)依次从卷筒(1)上提取气体扩散层，并且并且依次提取的气体扩散层分别相互堆叠，并且通过随机生成器确定的气体扩散层相对于机器横向(y)旋转180°，这里旋转或不旋转具有相同的概率。
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