CN104704664B

CN104704664B - 用于与电化学电池联用的流动结构

Info

Publication number: CN104704664B
Application number: CN201380042780.XA
Authority: CN
Inventors: 斯科特·布兰切特; 罗杰·范·博艾恩
Original assignee: Nu Weila Fuel Cell Co Ltd
Current assignee: Nu Weila Fuel Cell Co Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: CA2875821A1; US11105010B2; US10287695B2; US20190242021A1; EP2862221A1; US20130337366A1; KR102084470B1; JP2015526840A; BR112014031304A2; KR20150020675A; WO2013188568A1; ES2698062T3; CN104704664A; EP2862221B1; JP6608277B2

Abstract

描述了用于在高压差电化学电池中使用的三维多孔流动结构的设计和制造方法。通过压实高度多孔金属衬底并将至少一个微孔材料层层压在压实的衬底上形成流动结构。该流动结构提供大于约55%的空隙体积和大于约12，000 psi的屈服强度。在一个实施例中，流动结构包括对于电解质膜的孔隙率梯度，这有助于将来自电解质膜的机械负荷在开口多孔流动结构的整个结构元件中重新分布，而同时通过流动结构维持充分的流体渗透率和导电率。

Description

用于与电化学电池联用的流动结构

技术领域

本申请要求于2012年6月13日提交的美国临时申请No. 61/659,302、和于2013年4月30日提交的美国临时申请No. 61/817,682的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

本公开涉及电化学电池，更具体地是，用于在高压差电化学电池中使用的流动结构的设计和制造方法。

背景技术

电化学电池通常分类为燃料电池或电解池，为用于根据化学反应产生电流或者利用电流的流动诱导化学反应的装置。燃料电池将燃料（例如氢、天然气、甲醇、汽油等）和氧化剂（空气或氧气）的化学能转化为电能和废弃物（热量和水）。基本燃料电池包括带正电的阳极、带负电的阴极、和称为电解质的离子传导材料。

不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。质子交换膜（PEM）燃料电池例如使用聚合物离子传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极处被电化学地分解成电子和质子（氢离子）。电子通过电路流至阴极并产生电力，同时质子通过电解质膜扩散至阴极。在阴极处，氢质子与电子和氧结合（供给到阴极）而产生水和热量。

电解池（electrolysis cell）代表逆向工作的燃料电池。当施加外部电势时，基本电解池通过将水分解为氢气和氧气来用作氢发生器。氢燃料电池或电解池的基本技术可以应用于电化学氢处理（诸如电化学氢压缩、纯化、或膨胀）。电化学氢处理已经成为传统上用于氢管理的机械系统的可行替代品。氢气作为能量载体的成功商业化和“氢经济”的长期可持续性主要取决于燃料电池、电解池、和其它氢处理/管理系统的效率和成本效益。

在操作中，单个燃料电池通常可以产生约1伏。为了获得所需量的电力，各个燃料电池可以组合以形成燃料电池堆。燃料电池依序地堆叠在一起，每个电池包括阴极、电解质膜、和阳极。每个阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”、或“MEA”，其通常由双极板支撑在两侧上。通过形成在板中的通道向MEA的电极供应气体（氢气和空气），该通道被称为流场。除了提供机械支撑之外，双极板（也称为流场板）也在物理上分开堆中的各个电池，同时将它们电连接。

图1是示出了现有技术的PEM燃料电池10的各种部件的分解示意图。如图所示，双极板2侧接“膜电极组件”（MEA），该“膜电极组件”包括阳极7A、阴极7C、和电解质薄膜8。供应到电极7A的氢原子被电化学地分解成电子和质子（氢离子）。电子通过电路流至阴极7C并且在该过程中产生电流，同时质子通过电解质膜8移动至阴极7C。在阴极处，质子与电子和氧气结合（供应到阴极）以产生水和热量。

另外，现有技术的PEM燃料电池10包括MEA的每一侧上的电池内的导电气体扩散层（GDL）5。GDL 5用作使能够运输电池内的气体和液体的扩散介质，在双极板2和电解质膜8之间提供电传导，有助于从电池中除去热量和工艺用水（process water），并且在一些情况中，向电解质膜8提供机械支撑。GDL 5可以包括织造的或非织造的碳布，该碳布的电极7A和7C位于面向电解质膜的侧上。在一些情况中，电极7A和7C包括涂敷到相邻的气体扩散层5或电解质膜8上的电催化剂材料。通常，基于碳纤维的GDL并不满足高压差电池的性能要求，特别是由于难以控制孔参数。因此，一些高压电化学电池（例如电化学氢压缩机、净化器等）使用“熔块”型致密烧结金属、网包（screen packs）、或膨胀的金属以形成GDL 5，以便更好的控制孔参数。然而，“熔块”型介质经常导致低空隙分数、高气流阻力，并且容易在工作期间充满水。层状结构（即，网包和膨胀的金属）导致适合于高压差操作的相对较厚的气体扩散层。然而，它们还会引入其它性能缺点（例如高接触电阻、使其难以冷却该堆的高电流密度区域等）。传统GDL结构的物理限制限制了电化学电池在需要高压差的过程中的适用性。这形成了对改善电化学电池的设计、耐用性和效率的持续要求。

发明内容

本公开涉及用于与电化学电池联用的流场和气体扩散层的设计和制造。具体地，本公开涉及用于与电化学电池联用的三维多孔流动结构的设计和制造方法。这种装置可以用于电化学电池，该电化学电池在高压差下工作，包括但不限于燃料电池、电解池、氢净化器、氢膨胀器、和氢压缩机。

本公开的第一个方面是一种制造用于在电化学电池中使用的开口多孔流动结构的方法。该方法包括步骤：选择空隙体积大于约70%的多孔金属材料，使用至少一种机械技术来压实多孔金属材料，和将至少一个微孔材料层层压在多孔金属材料的一侧上。选择具有平均孔径小于压实的多孔金属材料的平均孔径的至少一个微孔材料层。

本公开的另一个方面是一种用于在电化学电池中使用的流动结构。该流动结构包括压实的多孔金属衬底和至少一个微孔材料层，该至少一个微孔材料层被层压在压实的多孔金属材料的一侧上，其中所述至少一个微孔材料层的平均孔径小于压实的多孔金属衬底的平均孔径。

本公开的又一个方面是一种用于高压差操作的电化学电池。该电化学电池包括第一电极、第二电极、和置于其间的质子交换膜。该电池还包括第一和第二流动结构，其中第一流动结构包括第一压实的多孔金属衬底，该第一压实的多孔金属衬底与第一电极和膜流体且电连通，并且第二流动结构包括第二压实的多孔金属衬底，该第二压实的多孔金属衬底与第二电极和膜流体且电连通。

附图说明

并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图对本发明的实施例进行了说明，并与说明书一起，用来解释本发明的各个方面的原理。

图1图示了示出现有技术的质子交换膜（PEM）燃料电池的各种部件的分解示意图；

图2A图示了根据本公开的示例性实施例的在压实之前的多孔金属材料；

图2B图示了根据本公开的示例性实施例的在压实之后的多孔金属材料；

图3图示了根据本公开的示例性实施例的作为暴露应力函数的三种不同的多孔金属材料的相对密度；

图4图示了根据本公开的示例性实施例的作为接触压力函数的在流动结构-电解质膜界面处测量的接触电阻；

图5A图示了根据本公开的示例性实施例的未压实的多孔金属材料；

图5B图示了根据本公开的示例性实施例的在压实和与微孔材料层的层压之后的多孔金属材料；

图6A图示了根据本公开的示例性实施例的形成具有可变孔隙率的压实的多孔金属基体的方法；

图6B～6D图示了根据本公开的示例性实施例的具有可变孔隙率的压实的多孔金属基体的各种配置；

图7图示了根据本公开的示例性实施例的形成具有可变孔隙率的压实的多孔金属基体的另一种方法；

图8图示了根据本公开的示例性实施例的多孔金属材料的示意图；

图9图示了根据本公开的示例性实施例的示出多孔金属材料的另一个示意图；和

图10图示了根据本公开的示例性实施例的作为针对双电池电化学氢压缩堆的时间函数的压缩压力的变化。

具体实施方式

应该理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述均仅是示例性和说明性的，而非对所请求保护的本发明的限制。

现在将参照与本公开一致的某些实施例，本公开的示例在附图中示出。只要可能，相同的附图标记在所有附图中均用来指相同或相似的部分。虽然关于采用氢、氧、和水的质子交换膜（PEM）燃料电池进行了描述，但是应当理解的是，本公开的装置和方法可以用于各种类型的电化学电池，包括在高压差下工作的那些。如本文所用，术语“PEM”和“电解质膜”可互换用来指质子交换膜。

本公开涉及用作高压差电化学电池的流场板和GDL的三维多孔衬底的制造。在本公开的说明性实施例，使用金属泡沫或其它多孔金属衬底来制造流场板和气体扩散层。在一个这样的实施例中，PEM的每一侧上的反应气体沿流场板流动并通过多孔GDL扩散至PEM。在替代实施例中，多孔金属流场板也可以执行GDL通常所需的功能，从而引入了从电化学电池组件中清除GDL的可能性。在另一个替代实施例中，多孔金属衬底可以与PEM接触放置，该多孔金属衬底由具有不同的平均孔径（较大的孔构成流场板，和较小的孔替换GDL）的两个不同的层组成。因此，在下文中，流场板和GDL统称为“流动结构”，除非另有规定。然而，在本公开的范围内，制造与传统GDL联用的多孔金属流场板、或者制造与传统通道型流场板组合使用的多孔金属GDL。

本公开的第一个方面是一种制造用于在电化学电池使用的用多孔金属材料制造流动结构的方法。在一个说明性实施例中，可以通过压实高度多孔金属材料（诸如泡沫、烧结金属熔块、或任何其它多孔金属）形成开口蜂窝流动结构。多孔金属材料可以包括金属（诸如不锈钢、钛、铝、镍、铁等）、或金属合金（诸如镍铬合金等）。在一些说明性实施例中，金属材料的孔径范围可以为约10 μm～约1000 μm。例如，金属材料的孔径范围可以为约20 μm～约1000 μm（诸如约50 μm～约1000 μm、约20 μm～约900 μm等）、约30 μm～约800 μm、从约40 μm～约700 μm、约50 μm～约600 μm、约60 μm～约500 μm、约70 μm～约500 μm、约100μm～约450 μm、约200 μm～约450 μm、和约350 μm～450 μm。在说明性实施例中，金属材料的平均孔径为约400 μm、约500 μm，或约800 μm。在其它实施例中，金属材料的空隙体积的范围为约70%～约99%。例如，金属材料的空隙体积的范围可以为约70%～约98%（诸如约75%～约98%、约75%～约95%、约75%～约90%、约75%～约85%、约70%～约80%、约73%～约77%、约80%～约90%、约83%～约87%、约90%～约99%、和约93～约97%）。在说明性实施例中，金属材料的空隙体积可以为约75%、约85%、或约95%。

在一个这样的实施例中，具有约为95%的空隙体积和约为400 μm的平均孔径的金属材料用作起始材料，然后可以使用一种或多种机械技术（例如压制、轧制、铸造、锻造等）压实多孔金属材料。

图2A和图2B图示了在压实工艺之前和之后的多孔金属材料。如图2A所示，在压实之前，在多孔金属材料中，系带（ligament）20和系带20之间的空隙40形成了大致三维结构。在压实工艺中，如图2B所示，系带20形成了大体上二维网络，同时空隙40保持以三维连接。在示例性实施例中，压实工艺会造成增加材料的屈服强度的系带20的塑形变形（也称为应变硬化或冷加工）。在一些实施例中，在能够进一步增加基体的有效强度的压实工艺中，系带20可以折叠并且互相接触。因此，压实工艺可以增加多孔金属材料的强度。例如，在一个实施例中，多孔金属材料在压实之前的屈服强度为30 psi和在压实之后强度增加至14，000psi。由于压实工艺之后，空隙40保持以三维连接，所以压实的多孔金属结构可以维持充分的孔隙率以允许流体从中通过。

在示例性实施例中，将旨在形成电化学电池的流动结构中的其中一个的多孔金属材料压实至暴露后的轴向应力等级（“P_exposed”），该暴露后的轴向应力等级（“P_exposed”）等于或大于电化学电池的预期的工作压力（“P_operation”）。例如，如果电化学电池旨在在约4，000psi的压差下工作，则将形成流动结构中的其中一个的多孔金属材料压实至等于或大于约4，000 psi的应力等级。在高压差电化学电池的示例性实施例中，将低压流动结构（即，电池的阳极侧上的流动结构）压实至大于高压流动结构（即，电池的阴极侧上的流动结构）的密度等级的密度等级。在一些实施例中，暴露应力与工作压力（P_exposed/P_operation）的比值为约1～约1.5。

图3示出了作为暴露应力函数的三种不同的多孔材料的相对密度，其暴露应力范围为约0～约20，000 psi和相对密度范围为约5%～约45%（空隙体积，定义为1-相对密度，范围为约55%～约95%）。例如，在一个示例性实施例中，在约14，000 psi的暴露应力时，多孔金属材料的相对密度为约35%。如图3所示，多孔金属材料的密度可以随暴露应力增加。通过调整暴露应力，可以定制流动结构中的孔的尺寸、形状、和分布（即，流动结构的所得到的密度）以提供高压差电化学操作所必需的机械强度。在一个实施例中，例如，压实可以提供大于约12，000 psi的机械强度，同时在所得到的基体中维持约55%的空隙体积（相对密度约45%）。

在一些实施例中，压实的多孔金属流动结构可以在电解质膜和流动结构之间的界面处提供低接触电阻。接触电阻大致取决于两个相互作用的表面之间的接触压力，其接触电阻随着接触压力的增加而降低。图4示出了作为接触压力函数的示例性压实的金属基体的电接触电阻，其接触压力的范围为约1 kgf/cm²～约300 kgf/cm²并且接触电阻的范围为约2 mΩ-cm²～100 mΩ-cm²。如图4所示，随着接触压力的增加，流动结构-PEM界面处的接触电阻可以减小。在一个实施例中，即使在低接触压力下，压实的金属基体的接触电阻可以较低（例如，小于约50 mΩ-cm²）。如果接触压力增加，则接触电阻可以进一步降低。

界面处的接触电阻也由接触对的表面形貌控制。接触表面处的粗糙度特征可以减少接触的实际面积并且电流仅流经接触凸（凹）体（contact asperities），其可以引起界面两端的电压降。在本公开的示例性实施例中，压实工艺被设计成提供多孔金属流动结构，该多孔金属流动结构具有至少一个平坦且平滑的表面。例如，在一个实施例中，所测量的表面粗糙度（Ra）可以小于约32 μin。在其它实施例中，用于压实的加工工具被选择和配置成实现小于约20 μin、约10 μin、或约5 μin的表面粗糙度。压实的金属基体的表面平直度（surface flatness）也可以被测量以确保界面处的最佳接触电阻。在示例性实施例中，所测量的平直度可以小于约0.002英寸。在其它实施例中，平直度可以小于大约0.001英寸、或者小于约0.0005英寸。压实的多孔金属流动结构的高平直度和低表面粗糙度可以在相互作用的电池部件之间提供最佳接触电阻。

在本公开的另一个方面，压实的多孔金属基体可以被层压在具有微孔材料层（MPL）的一侧上以形成流动结构。例如，在压实工艺之前，多孔金属基体可以与MPL层压，或在压实工艺之后，多孔金属基体可以与MPL层压。层压可以包括压延、压制、或将MPL涂覆到多孔材料上。平坦且平滑的层压后的表面可以邻近电化学电池的电解质膜。

在示例性实施例中，MPL的孔径的范围为约0.1 μm～50 μm。例如，MPL的平均孔径的范围可以为约0.1 μm～约40 μm（诸如约0.5 μm～约20 μm、约0.5～10 μm，约1 μm～约10μm等）。在说明性实施例中，层压后的MPL的平均孔径小于压实的层的平均孔径，这会通过金属流动结构形成孔隙率梯度并且便于向电解质膜分布机械支撑。例如，MPL与压实的多孔基体的平均孔径的比率可以小于约0.5。在另一个实施例中，可以小于约0.4、小于约0.3、小于约0.2、小于约0.1、或者小于约0.05。

在示例性实施例中，可以通过层压多个MPL形成孔隙率梯度，每个MPL的平均孔径小于紧邻的上一层的平均孔径。通过层压压实的多孔基体与多个MPL所实现的孔径梯度如图5A（在压实之前）和图5B（在压实和层压之后）中的示意图图示。孔径的梯度对于在高压差下工作的电化学电池可能是合乎需要的，因为它有助于沿流动结构有效地重新分布机械载荷，同时维持与膜细微间距接触（finely-pitched contact），从而提供用于气体扩散的最佳孔隙率，并防止PEM“胀大”进入多孔流动结构。

在示例性实施例中，如果电催化剂未与膜电极组件整合，则MPL可以涂覆有电催化剂层。所得到的层压的结构可以布置在电化学电池中，其电催化剂层以与PEM接触定位。

在说明性实施例中，可以通过层压两个或多个具有不同尺寸的金属基体实现单个压实的多孔金属基体之内的可变孔隙率。在一个这样的实施例中，形成最终压实的基体的两个或多个多孔金属基体的初始孔隙率相同。在另一个实施例中，两个或多个多孔金属基体的初始孔隙率彼此不同。图6A图示了如何将具有不同尺寸的两个多孔金属基体60、65可以层压在一起以形成具有可变孔隙率的单个压实的多孔金属基体70。在一个这样的实施例中，所获得的基体70包括具有不同的相对密度的两个分离的区域72、74，即低密度区域72和高密度区域74。低密度区域72具有较高孔隙率并且提供小于高密度区域74的流动阻力的流动阻力。而且，在一些实施例中，低密度区域72具有比高密度区域74的屈服强度低的屈服强度。

图6B-6D示出了压实的孔隙率可变的多孔金属基体的各种实施例。图6B和6C分别图示了矩形框式压实的基体70和圆形框式压实的基体70，其中高密度区域74的所有侧均由低密度区域72包围。图6D图示了矩形条式压实的基体70，其中基体的整个中心区域包括高密度区域74，该高密度区域在顶部和底部上侧接低密度区域。

在一些实施例中，旨在形成电化学电池的流动结构中的其中一个的多孔金属材料会有缺陷（诸如缺失系带、大孔径、低金属载量（metal loading）等），从而导致低密度区域，该低密度区域可能具有比多孔金属材料的周围区域的屈服强度和弹性模量低的屈服强度和弹性模量。当电化学电池中存在高压差时，由具有低密度区域的多孔金属材料所形成的流动结构会不能够充分地支撑电解质膜，并可能导致膜挤压或破裂。为了避免在流动结构中形成弱区域，多孔金属材料的低密度区域更大程度地坍塌（collapse），从而导致具有非均匀的厚度的压实的多孔金属基体。在示例性实施例中，如图7所示，压实工艺可以包括：使用一个或多个压实装置18坍塌多孔金属材料50中的低密度区域。在压实之前，金属材料的相对密度的范围可以为约5 %～约45 %。相对密度的示例的范围包括例如约10 %～40 %、约10 %～约35 %、约10 %～约30 %、约10 %～约25 %、约10 %～约20 %、约15 %～约40 %、约15%～约35 %、约15 %～约30 %、约15 %～约25 %、约20 %～约40 %、约20 %～约35 %、约20 %～约30 %、约25 %～约40 %、和约25%～约35 %。

如下面更详细的描述，所述一个或多个压实装置18可以向多孔金属材料50提供大体上均匀的压力。这会导致多孔金属材料50中的低密度区域更大的程度地坍塌，从而导致具有非均匀的厚度的压实的多孔金属基体。可以将多孔导电填充材料施用到压实的多孔金属材料的表面以填满坍塌区域，并且从而，压实的多孔金属基体可以具有平滑的表面、大致均匀的厚度、和近似均匀的屈服强度和弹性模量。在压实之后，多孔金属材料50可以具有大于约12，000 psi的机械强度和约为500，000 psi的弹性模量。

所述一个或多个压实装置18可以包括例如适于压实或压缩多孔金属材料50的任何装置。例如，所述一个或多个压缩装置18可以包括一个或多个滚筒、一个或多个砖或板、一个或多个囊、或被配置成施加高压的一种或多种材料。所述一个或多个压缩装置18可以包括具有相似或不同的柔量的装置。用于使用所述一个或多个压缩装置50来压缩多孔金属材料的适当方法可以包括例如冲压、压延、或液压成形。

在一些实施例中，所述一个或多个压缩装置18可以包括第一滚筒20和第二滚筒22。一个或多个滚筒20、22可以通过压延工艺向多孔金属材料50施加压力。例如，如图7所示，第一滚筒20可以接触多孔金属材料50的第一表面12并且第二滚筒22可以接触多孔金属材料50的第二表面14，其中第二表面14与第一表面12相对。第一和第二滚筒20、22可以大体上同时接触多孔金属材料50，使得多孔金属材料50被压缩在第一和第二滚筒20、22之间。如图7所示，第一滚筒20可以在与第二滚筒22的旋转相反的方向上沿着多孔金属材料50旋转。然而，进一步想到的是第一和第二滚筒20、22可以在相同方向上沿多孔金属材料50旋转。第一滚筒20和第二滚筒22可以以相同的速度或不同的速度接触多孔金属材料50。

在选择实施例中，第一滚筒20可以包括柔软或柔性滚筒，并且第二滚筒22可以包括坚硬或坚固材料。例如，第一滚筒20可以包括高硬度聚合物（诸如，例如聚氨酯、聚乙烯和橡胶）。在一些实施例中，第一滚筒20可以包括柔软或柔性外盖，例如毡或包括聚氨酯或橡胶的弹性体材料。第二滚筒22可以包括例如碳纸、碳布和弹性材料。在另一个实施例中，第一和第二滚筒20、22均可以包括硬化材料。该硬化材料可以包括具有高硬度值的材料，或被处理成形成硬化表面的材料。

在一些实施例中，第一和第二滚筒20、22可以包括坚硬或坚固平板，而非圆柱形滚筒。多孔金属材料50可以被压缩在板之间。在其它实施例中，第一和第二滚筒20、22可以包括液压成形囊。

在其它实施例中，第一和第二滚筒20、22可以通过液压成型工艺向多孔金属材料50施加压力。例如，第一滚筒20可以包括注入模具的高压流体，并且第二滚筒22可以包括凹模。液压流体可以被加压至大于金属材料所需的屈服强度，例如，大于约12，000 psi。在一些实施例中，高压流体可以被注入到囊内，而非模具内。多孔金属材料50可以被压缩在第一滚筒20和第二滚筒22的压力之间。例如，多孔金属材料50可以被压制至大于所需金属材料的屈服强度，例如，大于约12，000 psi的压力。在由一个或多个压缩装置18压缩后，多孔金属材料50的相对密度可以为35%。压实的多孔金属材料50的表面粗糙度可以为约20 μin～约5 μin。在一些实施例中，在由压缩装置18压缩之后，多孔金属材料50可以包括具有表面，该表面具有不同的粗糙度。例如，在压缩之后，第一表面12可以包括比第二表面更平滑的表面14。此外，在压缩之后，多孔金属材料50可以包括约为12，000 psi的屈服强度和约为500，000 psi的弹性模量。

第一和第二滚筒20、22可以向多孔金属材料50提供均匀的压力，足以使多孔金属材料内的低密度区域坍塌。在一些实施例中，均匀的压力可以提供给多孔金属材料50变化的或不均匀的外表面。例如，低密度区域可以比多孔金属材料50的较高密度区域坍塌的多，使得低密度区域可以在多孔金属材料50的外表面上形成表面特征24。如图8所示，表面特征24可以包括外表面层中的自然随机偏差，坍塌袋（collapsed pocket）、凹槽或缺口。

向压实的多孔金属材料施用一种或多种填料30以提供大体上均匀的外表面。如图8所示，填料30可以填满表面特征24并且形成大体上平滑并平坦的外表面。平滑并平坦的外表面可以具有小于约0.0005英寸的表面平直度。在一些实施例中，如图9所示，填料30可以形成用于压实的多孔金属材料的大体上平滑的外盖。该外盖的厚度为约0.010英寸至约0.001英寸。进一步理解的是，厚度可以取决于在压缩工艺中如何对多孔金属材料50作深度变形。

在压实工艺之后，填料30可以层压到多孔金属材料50的表面上。层压可以包括压延、压制、或将多孔金属材料涂覆到多孔金属材料50上。

填料30可以为多孔的，并且是足以承受压缩装置18并不会被第一和第二滚筒20、22推入多孔金属材料50中的材料。这种材料可以包括导电材料（诸如石墨环氧树脂、碳黑、碳纤维、石墨珠、或玻璃珠）。填料30也可以用作MPL。在一些实施例中，填料30可以包括粘合剂32（诸如石墨环氧树脂、非导电环氧树脂、NAFION^®、TEFLON^®或石墨环氧树脂）。粘合剂32可以增加填充材料的强度。粘合剂32可以以填料30形式存在且含量为约100 v/v%～约5 v/v%。在一个实施例中，填料30包括炭黑和NAFION^®的混合物。在另一个实施例中，填料30包括炭黑和TEFLON^®的混合物。在又一实施例中，填料30和粘合剂32均包括石墨环氧树脂。

另外，填料30可以包括一种或多种添加剂，包括造孔剂、纤维和粉末。该添加剂的含量可以为约95 v/v%～约0 v/v%。造孔剂可以包括甘油、PEG（聚乙二醇）、或PVP（聚乙烯吡咯烷酮）。可以从多孔金属材料中烘干或溶解造孔剂。由造孔剂形成的开孔结构允许水和气体通到电极7A、7C并且允许水和气体从电极7A、7C通过。

在一些实施例中，如图9所示，填料30可以被配置成将多孔金属材料50与双极板51粘接以形成完整的流动结构。例如，填料30中的粘结剂32可以将多孔金属材料50与双极板51粘接，该双极板51靠着多孔金属材料50放置。

进一步理解的是，本公开的工艺可以包括：使用所述一个或多个压缩装置18反复压缩。例如，在施用填料之后，可以使用第一和第二滚筒20、22再压缩多孔金属材料50。然后，向多孔金属材料50施用第二填料，其中第二填料可以与原填料相同或不同。

由所公开的方法生产的所得到的流动结构可以包括约0.25 mm～约1 mm的均匀厚度。此外，流动结构可以包括范围为约12，000 psi～约15，000 psi的大体上均匀的屈服强度。流动结构的弹性模量的范围可以为约100，000～约500，000。

示例：作为流动结构的多孔金属基体在电化学氢压缩中的用途

本文描述的制造工艺用来制造用于氢压缩的PEM电化学电池的流动结构。具体地，通过压实高度多孔金属基体制造流动结构（PEM的每一侧上的一个）以提高材料的屈服强度。在压实之前，多孔金属基体的平均孔径约为400 μm。在压实之后，金属基体的平均孔径约为50 μm～100 μm。然后，压实的多孔金属基体中的每一个的至少一个表面与具有孔径约为0.5 μm～10 μm的微孔材料层（MPL）相层压以通过流动结构形成孔隙率梯度。流动结构位于电化学电池中，其层压表面与PEM接触。将50 μm的PFSA（全氟磺酸）膜用作电化学电池的PEM。

图10图示了由电化学氢压缩单元所经受的压差范围，其压差被测量为入口氢压与压实后的氢压之间的差值。入口氢压范围为约0～约25 psi并且压实后的压力范围为约0～约12，000 psi。即，电化学电池能够在大于12，000 psi的压差下工作，而不破裂膜。

本公开提供了流场板，该流场板具有充分和均匀的强度足以支撑和维持与MEA接触，从而防止破裂或挤压电解质膜。流场板可以补偿低密度区域，同时提供平滑且平坦的外表面。这会增加电化学电池的效率并且在高气体压差下防止损坏。另外，本公开的流场板可以在低压力流场和电极之间提供更均匀的电气接触，从而提高电化学电池的效率。

根据本文公开的本发明的说明书和实践，对本领域技术人员而言，本发明的其他实施例将是显而易见的。这意味着说明书和示例仅视为示例性的，而本发明的真正范围和精神由以下权利要求指出。

Claims

1.一种制造用于在电化学电池中使用的开口多孔流动结构的方法，该方法包括：

选择多孔金属材料，该多孔金属材料具有70%~98%的空隙体积；

使用至少一种机械技术来压实多孔金属材料，从而减少多孔金属材料的平均孔径并且增加其屈服强度；和

将至少一个微孔材料层层压在压实的多孔金属材料的一侧上，其中该至少一个微孔材料层的平均孔径小于压实的多孔金属材料的平均孔径；

其中，所述多孔金属材料被压实并暴露至轴向应力等级，该轴向应力等级等于或大于电化学电池的预期的工作压力；

用于压实多孔金属材料的压实工艺包括：

向多孔金属材料提供均匀的压力，以坍塌多孔金属材料中的低密度区域。

2.权利要求1的方法，其中多孔金属材料的平均孔径为10μm～1000μm。

3.权利要求1的方法，其中压实的多孔金属材料包括大于55%的空隙体积。

4.权利要求1的方法，其中该至少一个微孔材料层与压实的多孔金属材料的平均孔径的比率小于0.5。

5.权利要求1的方法，其中压实工艺使多孔金属材料的屈服强度增加至大于12,000psi。

6.权利要求1的方法，其中多孔金属材料包括金属泡沫。

7.权利要求1的方法，其中多孔金属材料包括烧结金属熔块。

8.权利要求1的方法，其中多孔金属材料包括具有不同孔隙率的两个或多个不同区域，该两个或多个不同区域由具有不同孔径的两个或多个多孔金属材料一起层压形成。

9.一种用于电化学电池的流动结构，该流动结构包括：

压实的多孔金属衬底，其中压实使多孔金属衬底暴露至轴向应力等级，该轴向应力等级等于或大于电化学电池的预期的工作压力，并且压实工艺包括提供穿过多孔金属衬底的均匀的压力，以坍塌多孔金属衬底中的低密度区域，造成塑形变形，并且增加压实的多孔金属衬底的屈服强度；和

至少一个微孔材料层，该微孔材料层被层压在压实的多孔金属衬底的一侧上，其中该至少一个微孔材料层的平均孔径小于压实的多孔金属衬底的平均孔径；

其中，压实的多孔金属衬底在压实前的空隙体积为70%~98%。

10.权利要求9的流动结构，其中压实的多孔金属衬底包括大于55%的空隙体积。

11.权利要求9的流动结构，其中压实的多孔金属衬底具有大于12,000 psi的屈服强度。

12.权利要求9的流动结构，其中通过将多个微孔材料层层压在压实的多孔金属衬底上而形成通过流动结构的孔隙率梯度，每一个微孔材料层具有小于紧邻的上一层的孔径的孔径。

13.权利要求9的流动结构，其中至少一个微孔材料层的孔径的范围为0.5μm～10μm。

14.权利要求9的流动结构，其中压实的多孔金属衬底包括高密度区域和低密度区域，其中高密度区域具有比低密度区域的孔隙率低的孔隙率。

15.权利要求14的流动结构，其中高密度区域具有比低密度区域的屈服强度高的屈服强度。

16.一种用于在高压差下工作的电化学电池，该电化学电池包括：

第一电极、第二电极、和置于其间的质子交换膜；

第一流动结构，该第一流动结构包括第一压实的多孔金属衬底，其中该第一流动结构与第一电极流体且电连通，并且形成第一压实的多孔金属衬底的压实使多孔金属衬底暴露至轴向应力等级，该轴向应力等级等于或大于电化学电池的预期的工作压力，并且压实工艺包括提供穿过多孔金属衬底的均匀的压力，以坍塌多孔金属衬底中的低密度区域，造成塑形变形，以及增加压实的多孔金属衬底的屈服强度；

第二流动结构，该第二流动结构包括第二多孔金属衬底，其中该第二流动结构与第二电极流体且电连通；以及

至少一个微孔材料层，该至少一个微孔材料层被层压在第一压实的多孔金属衬底的一侧上，其中该至少一个微孔材料层的平均孔径小于第一压实的多孔金属衬底的平均孔径；

其中，第一压实的多孔金属衬底在压实前的空隙体积为70%~98%。

17.权利要求16的电化学电池，其中第一和第二流动结构中的至少一个包括沿流动结构的孔隙率梯度。

18.权利要求16的电化学电池，其中第一流动结构被压实至大于第二流动结构的密度等级的密度等级。