與電化學電池一起使用的流場的制作方法

本申請要求于2014年5月15日提交的申請號為61/993,911的美國臨時申請的權益，該美國臨時申請的全部內容通過引用而并入。

本發明針對電化學電池，更具體地，針對在電化學電池中使用的流場的設計。

背景技術：

電化學電池，通常被分類為燃料電池或者電解槽，是用于由化學反應產生電流，或者利用電流的流動誘導化學反應的裝置。燃料電池將燃料（例如氫氣、天然氣、甲醇、汽油等）和氧化劑（空氣或氧氣）的化學能轉換成電以及熱量和水的廢產物。基本的燃料電池包括帶負電荷的陽極、帶正電荷的陰極以及稱為電解質的離子導電材料。

不同的燃料電池技術使用不同的電解質材料。例如，質子交換膜（PEM）燃料電池使用聚合物離子導電膜作為電解質。在氫PEM燃料電池中，氫原子在陽極電化學地分裂成電子和質子（氫離子）。然后，電子流動穿過電路至陰極并且產生電，而質子穿過電解質膜擴散至陰極。在陰極，氫質子與電子和（供應至陰極的）氧結合以產生水和熱量。

電解槽代表操作相反的燃料電池。當施加外部的電勢時，通過將水分解成氫氣和氧氣，基礎的電解槽起到作為氫氣發生器的作用。氫燃料電池或電解槽的基礎技術可應用于電化學氫處理，例如，電化學氫壓縮、提純或膨脹。電化學氫處理已作為傳統上用于氫管理的機械系統的可行的替代選擇出現。氫作為能量載體的成功的商業化以及“氫經濟”的長期的可持續性很大程度地依賴于燃料電池、電解槽和其他氫處理/管理系統的效率以及成本效益。

在操作中，單個的燃料電池一般可產生約1伏特。為了獲得期望的電功率總量，各個燃料電池被結合以形成燃料電池堆，其中燃料電池循序地堆疊在一起。每個燃料電池可包括陰極、電解質膜以及陽極。陰極/膜/陽極組件構成一般由雙極板支撐在兩側上的“膜電極組件”或者“MEA”。反應氣體（氫氣和空氣或氧氣）通過形成在板中的、被稱為流場的通道或凹槽而被供應至MEA的電極。除了提供機械支撐，當電連接在堆里的各個燃料電池時，雙極板（也被稱為流場板或分隔板）物理地分隔在堆里的各個燃料電池。一般的燃料電池堆包括歧管和進氣口，用于將燃料和氧化劑分別引導至陽極流場和陰極流場。燃料電池堆也包括排氣歧管和出氣口，用于排出過量的氣體和冷卻劑水。

圖1是示出現有技術PEM燃料電池10的各種部件的爆炸示意圖。如圖所示，雙極板2位于“膜電極組件”（MEA）的側面，“膜電極組件”（MEA）包括陽極7A、陰極7C和電解質膜8。供應至陽極7A的氫原子電化學地分裂成電子和質子（氫離子）。電子流動穿過電路至陰極7C并且在該過程中產生電，而質子移動穿過電解質膜8至陰極7C。在陰極，質子與電子和（供應至陰極的）氧結合以產生水和熱量。

此外，現有技術PEM燃料電池10包括導電的氣體擴散層（GDL）5，該導電的氣體擴散層5在電池內MEA的各側上。氣體擴散層5用作使電池內的氣體和液體能夠運輸的擴散媒介，提供雙極板2和電解質膜8之間的電傳導，幫助從電池中排除熱量和工藝用水，并且在某些情況下，向電解質膜8提供機械支撐。氣體擴散層5可包括織物的或非織物的碳布，電極7A和電極7C覆蓋在該碳布面向電解質膜的側面。在某些情況下，電催化劑材料可覆蓋在鄰近的GDL 5或者電解質膜8上。

通常，基于碳纖維的氣體擴散層無法滿足高壓差電池的性能需求，尤其是因為這些材料的受限的結構性質。因此，一些高壓電化學電池使用“熔塊型”致密燒結的金屬、過濾網組合或者結合或作為用于傳統的GDL的替代的網形金屬，以向MEA提供結構支撐，該MEA與形成在雙極板2中的傳統的槽脊（land）-通道流場4結合。層狀結構（即，過濾網和網形金屬）提供適用于高壓差操作的相對厚的結構。然而，它們引入了其他的性能缺陷，例如，高接觸電阻、高流動阻力、大單元間距等。為了克服這些層狀結構的物理限制，三維多孔金屬結構可用作用于在高壓差電化學電池中的傳統的槽脊-通道流場4和GDL 5的替代。

在使用多孔金屬流場的電化學電池中，在電解質膜的各側的反應氣體流動穿過多孔金屬流場以到達電解質膜。穿過多孔金屬流場的持續流動確保，當消耗了多數的燃料或氧化劑時，耗盡的氧化劑從燃料電池中持續地被沖洗掉。如同傳統的槽脊-通道流場，令人期望的是，這些多孔金屬結構促使反應氣體均勻的分布至電極，以便獲得單獨的燃料電池的高性能。此外，不期望在反應氣體流體中造成過度的壓降，否則會消耗由燃料電池堆產生的某些電能并且降低燃料電池堆的總效率。正因如此，改進多孔金屬流場的設計以提供反應氣體的改進分布，但不給電池增加額外的部件，存在持續的挑戰。

技術實現要素：

本發明針對與電化學電池一起使用的流場的設計。本發明尤其針對在電化學電池中使用、用于改進反應氣體的分布的多孔金屬流場的設計。這些裝置可在在高壓差下操作的電化學電池中使用，該電化學電池包括但不限于燃料電池、電解槽以及氫氣壓縮機。

本發明的一方面是針對用于在電化學電池中使用的流場。流場可包括多孔金屬結構，該多孔金屬結構包括進氣口和出氣口。流場可進一步包括形成在該結構中的多個第一通道。多個第一通道各自從與進氣口流體連通的第一近端延伸，并且在該結構內的第一遠端終止。流場也可包括形成在該結構中的多個第二通道。多個第二通道各自從與出氣口流體連通的第二遠端延伸，并且在該結構內的第二近端終止。

本發明的另一方面針對電化學電池。電化學電池可包括第一雙極板、第二雙極板以及膜電極組件，該膜電極組件包括陰極、陽極以及設置在陰極和陽極之間的聚合物膜。電化學電池也可包括設置在第一雙極板和第二雙極板中的一個與膜電極組件之間的至少一個流場。該至少一個流場可由具有進氣口和出氣口的多孔金屬結構形成。該結構可進一步地包括與進氣口流體連通的多個進氣通道，以及置于多個進氣通道的每一個之間并與出氣口流體連通的多個出氣通道。

可以理解，前述的大概說明和下述的詳細說明均僅是示例性的和解釋性的，并不是作為請求保護的本發明的限制。

附圖說明

附圖并入說明書并且構成本說明書的一部分，示出了本發明的實施例，并且連同說明書用于解釋本發明的原理。

圖1示出顯示質子交換膜（PEM）燃料電池的各種部件的爆炸示意圖；

圖2是根據本發明的示例性的實施例的電化學電池的一部分的示意圖；以及

圖3示出根據本發明的示例性的實施例的陰極流場的前視圖。

具體實施方式

現將詳細地參考本發明的示例性的實施例，其示例在附圖中示出。在任何可能的情況下，作為例子的附圖標記可在全部附圖使用，以參照同樣或者類似的部分。盡管所描述的有關使用氫氣、氧氣以及水的電化學電池，可以理解，本發明的裝置和方法可以和各種類型的電化學電池一起使用，該電化學電池包括那些在高壓差下操作的電化學電池。

圖2示出示例性的電化學電池200的爆炸示意圖。電化學電池200可包括兩個雙極板210、220。這兩個雙極板210、220可作為支撐板和導體。雙極板210、220也可包括進入通道，該進入通道用于循環冷卻液體（即，水、乙二醇或水乙二醇混合物），以從電池200排除熱量。雙極板210、220可由鋁、鋼、不銹鋼、鈦、銅、鎳-鉻合金、石墨或者任何其他的導電材料制成。

除了雙極板210、220，電化學電池200可包括膜電極組件（“MEA”）。MEA 230可包括陽極231、陰極232以及質子交換膜（“PEM”）233。PEM 233可設置在陽極231和陰極232之間，使陽極231和陰極232相互電絕緣。可預期地，PEM 233可包括純聚合物膜或者復合膜，其中其他材料例如二氧化硅、雜多酸、層狀的金屬磷酸鹽、磷酸鹽以及磷酸鋯鹽可嵌入在聚合物基體中。PEM 233可以是能夠透過質子而不傳導電子的。陽極231和陰極232可包括含有催化劑層（未示出）的多孔碳電極。催化劑材料可以是（例如）可增加反應速率的鉑。

如圖2所示，陰極流場240和陽極流場250位于MEA 230的側面。陰極流場240和陽極流場250可在雙極板210、220和MEA 230之間提供電傳導，同時也為電化學電池200內的氣體和液體的運輸提供媒介。此外，陰極流場240和陽極流場250可向MEA 230提供機械支撐。

陰極流場240和陽極流場250可包括三維多孔金屬結構。在某些實施例中，陰極流場240和陽極流場250可通過壓實高度多孔金屬材料形成，例如金屬開口結構（例如，金屬泡沫、燒結金屬熔塊、金屬網柵、金屬網或任何其他的多孔金屬）。多孔金屬材料可包括金屬（例如不銹鋼、鈦、鋁、鎳、鐵等），或者例如鎳鉻合金等的金屬合金。在一些說明性的實施例中，金屬材料的孔徑尺寸的范圍可為從約20μm至約1000μm。例如，金屬材料的孔徑尺寸范圍可為從約20μm至約1000μm，例如從約50μm至約1000μm，從約20μm至約900μm等，從約30μm至約800μm，從約40μm至約700μm，從約50μm至約600μm，從約60μm至約500μm，從約70μm至約500μm，從約100μm至約450μm，從約200μm至約450μm，以及從約350μm至約450μm。在說明性的實施例中，金屬材料的平均孔徑尺寸為約400μm、約500μm或者約800μm。在更進一步的實施例中，金屬材料的空隙體積的范圍為從約70%至約99%。例如，金屬材料的空隙體積的范圍可為從約70%至約98%，例如從75%至約98%，從約75%至約95%，從約75%至約90%，從約75%至約85%，從約70%至約80%，從約73%至約77%，從約80%至約90%，從約83%至約87%，從約90%至約99%，以及從約93%至約97%。在說明性的實施例中，金屬材料的空隙體積可以是約75%、約85%或約95%。

電化學電池200在MEA 230的各側可額外地包括導電的氣體擴散層（GDL）。可預期地，多孔金屬結構可實現GDL一般要求的功能，因此引入從電化學電池組件去除GDL的可能性。在供替換的實施例中，由具有不同的平均孔徑尺寸的兩個不同的層（例如，較大的孔徑構成流場以及較小的孔徑替代GDL）構成的多孔金屬結構可設置為與MEA 230接觸。因此，除非另外特別說明，如本文使用的“流場”通指流場和GDL。使用帶有傳統的GDL或帶有傳統的通道型流場的所公開的多孔金屬流場在本發明的范圍內。

圖3中示出示例性的流場（例如陰極流場240）的前視圖。盡管下面的描述是關于陰極流場240，其同樣地也可適用于陽極流場250。如圖所示，陰極流場240可包括縱向延伸的表面442，該表面442限定第一邊緣444和第二邊緣446。進氣口448可設置在第一邊緣444，并且出氣口450可設置在第二邊緣446。可以理解，進氣口448和出氣口450可位于在陰極流場240上的任何其他位置或者結構。進氣口448和出氣口450可包括部分地或全部地延伸穿過陰極流場240的厚度的孔。進氣口448可經配置以接收反應氣體（例如，燃料、氧氣或空氣），并且出氣口450可經配置以從陰極流場240排除耗盡的氣體。

如圖所示，陰極流場240可包括多個進氣（或第一）通道460和多個出氣（或第二）通道470。進氣通道460和出氣通道470可以是沖壓的或者形成在陰極流場240中。多個進氣通道460和多個出氣通道470對流體流動可以大體上無障礙，以允許反應氣體的改進的分布。雖然圖3中描述了四個進氣通道和四個出氣通道，但可以理解，可提供更多或更少數量的進氣通道和/或出氣通道。

多個進氣通道460可形成在陰極流場240的結構內或在陰極流場240的表面442上，并且從第一邊緣444（例如，陰極流場240的近端）延伸至第二邊緣446（例如，陰極流場240的遠端）。多個出氣通道470也可形成在陰極流場240的表面442內，并且從第二邊緣446（例如，陰極流場240的遠端）延伸至第一邊緣444（例如，陰極流場240的近端）。例如，表面442可以是陰極流場240面向MEA 230的表面。可以理解，通道可形成在與陰極流場240有關聯的結構或表面上。在示例性的實施例中，多個進氣通道460可與多個出氣通道470平行，多個出氣通道470各自設置在相鄰的進氣通道460之間。進氣通道460和出氣通道470的其他設置是可預期的。

多個進氣通道260各自可具有第一近端460a，該第一近端460a設置在第一邊緣444、相鄰第一邊緣444或靠近第一邊緣444。第一近端460a可與進氣口448流體連通以接收反應氣體。在示例性的實施例中，進氣通道460的第一近端460a可以是與彼此和進氣口448流體連通的“開口端”，以便形成在多個進氣通道460之間的流體通路。利用該設置，來自于進氣口448的反應氣體的流動可均勻地分布穿過多個進氣通道460。

多個進氣通道460各自在陰極流場240內可在第一遠端460b終止。在一些實施例中，第一遠端460b可設置在第一邊緣444和多個出氣通道470的遠端之間。第一遠端460b可以是不與出氣口450直接流體連接的“終端（dead-end）”或“閉合端”。利用該設置，可促使分布在每個進氣通道460中的反應氣體穿過多孔金屬結構，擴散至相鄰的出氣通道470。在一些實施例中，多個微型通道480可形成在陰極流場240中的分隔相鄰的進氣通道460和出氣通道470的部分中。微型通道480可沿著分隔部分的整個長度或僅一部分形成。微型通道480可流體地連接進氣通道460和出氣通道470。微型通道480可經配置以將反應氣體的流動從進氣通道460引導至相鄰的出氣通道470。微型通道480可以這樣的形式構造尺寸和間隔，以向大多數的催化劑位置提供氧可用性，否則所述催化劑位置將另外由分隔進氣通道460和出氣通道470的陰極流場240多孔結構的部分遮蔽。

多個進氣通道460可沿著流動的方向（例如，長度尺寸）大體上延伸穿過陰極流場240。在一些實施例中，進氣通道460可具有范圍在90mm至150mm的長度。此外，多個進氣通道460橫跨陰極流場240的尺寸（例如，寬度尺寸）可均勻地分布，該尺寸橫向于流動的方向。多個進氣通道460可具有任何適當的寬度、橫截面面積、深度、形狀和/或配置，以（例如）沿著多個進氣通道460各自的長度分布在進氣口448接收的反應氣體。在一些實施例中，進氣通道460可具有范圍在0.1mm至1.5mm的寬度。可預期地，在某些實施例中，多個進氣通道可具有不同的形狀和/或橫截面面積。

多個出氣通道470各自可包括第二遠端470a，該第二遠端470a設置在第二邊緣446、相鄰第二邊緣446或靠近第二邊緣446，并且與出氣口450連通。第二遠端470a可與出氣口450流體連通，以從陰極流場240排出反應氣體。在示例性的實施例中，多個出氣通道470的第二遠端470a可以是與彼此以及出氣口450流體連通的“開口端”，以便形成流體通路以從多個出氣通道470均勻地排除氣體。

多個出氣通道470各自可從第二遠端470a向第一邊緣444延伸，并且在陰極流場240內在第二近端470b終止。在一些實施例中，第二近端470b可設置在第二邊緣446和多個進氣通道460的第一近端460a之間。第二近端470b可以是不與進氣口448直接流體連通的“終端”或“閉合端”。利用該設置，至少在第二近端470b和第二遠端470a之間，出氣通道470可從相鄰的進氣通道460接收反應氣體。

多個出氣通道470也可大體上延伸穿過陰極流場240（例如，長度尺寸）。在一些實施例中，出氣通道470可具有范圍在90mm至150mm的長度。此外，多個出氣通道470橫跨陰極流場240的尺寸（例如，寬度尺寸）可均勻地分布，該尺寸橫向于流動的方向。多個出氣通道470可具有任何適當的寬度、橫截面面積、深度、形狀和/或配置，以（例如）引導反應氣體，該反應氣體從進氣通道460穿過多孔金屬結構，擴散進入出氣通道470，朝向出氣口450。在一些實施例中，出氣通道470可具有范圍在0.3mm至1.5mm的寬度。可預期地，在某些實施例中，多個出氣通道470可具有不同的形狀和/或橫截面面積。此外，可預期地，與多個進氣通道相比，多個出氣通道470可具有相同的或不同的形狀和/或橫截面面積。

在電化學電池200的操作期間，反應氣體可穿過進氣口448供應至陰極流場240。反應氣體可從進氣口448穿過多孔金屬結構，擴散進入多個進氣通道460。尤其是，反應氣體可流動進入多個進氣通道460各自的第一近端460a，并且沿著在第一近端460a和第一遠端460b之間的每個進氣通道460的長度分布。

第一遠端460b可以是終端或閉合端，該終端或閉合端可促使沿著多個進氣通道460各自的長度分布的反應氣體流動穿過（例如，擴散）金屬多孔結構，進入相鄰的出氣通道470。這導致反應氣體朝向催化劑的強制對流，以及反應氣體相對較大的暴露于催化劑。在一些實施例中，無論擴散與否，反應氣體可從進氣口460流動穿過微型通道480至出氣通道470。

當反應氣體進入相鄰的出氣通道470，反應氣體可流動遠離第二近端470b，并且朝向第二遠端470a，以沿著出氣通道470各自的長度分布。然后反應氣體可從第二遠端470a流動穿過出氣口450，以從陰極流場240排除。

本發明可呈現許多益處。例如，所公開的陰極流場的進氣通道和出氣通道提供了反應氣體可流動穿過的較大的橫截面面積，相對于其他的多孔金屬流場結構，其可減少穿過多孔金屬流場的壓降。除了進氣通道和出氣通道，所公開的陰極流場的微型通道也可提供增大的橫截面面積，穿過該橫截面面積，反應氣體可在進氣通道和出氣通道之間流動，其可進一步地減少穿過多孔金屬流場的壓降。這可減少使反應氣體加壓所需要的能量總量（即，減少風機功率），其反過來可改進燃料堆的整體性能和效率（例如，改進功率密度并且減少寄生負載）。此外，相對于無通道的其他的多孔流場結構，所公開的陰極流場可減少反應氣體需要在多孔金屬流場內經過的流動長度。這可允許進入的流動保持富氧，直到該流動被引導穿過多孔主體，從而改進電池氧分布。通過這樣做，所公開的陰極流場可導致更好的催化劑利用率以及可能更高的電流密度。

在一些額外的和/或替代的實施例中，可預期地，多個進氣通道460和多個出氣通道470可形成在雙極板210、220中，并且連同三維多孔金屬流場使用。這樣的設置可導致如上文所述的相似的功能，但將導致較厚的電池，可能降低燃料堆的整體功率密度。

從本文的說明書以及發明的實踐考慮，本發明的其他的實施例對本領域技術人員來說是顯而易見的。這意味著說明書和示例被視為僅是示例性的，本發明的真實的范圍和精神通過下述的權利要求書表明。