CN106663823A - 与电化学电池一起使用的流场 - Google Patents

Abstract

本文公开一种在电化学电池中使用的流场。流场包括多孔金属结构，该多孔金属结构包括进气口和出气口。流场进一步包括形成在该结构中的多个第一通道。多个第一通道各自从与进气口流体连通的第一近端延伸，并且在该结构内的第一远端终止。流场还包括形成在该结构中的多个第二通道。多个第二通道各自从与出气口流体连通的第二远端延伸，并且在该结构内的第二近端终止。

Description

与电化学电池一起使用的流场

技术领域

本申请要求于2014年5月15日提交的申请号为61/993,911的美国临时申请的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用而并入。

本发明针对电化学电池，更具体地，针对在电化学电池中使用的流场的设计。

背景技术

电化学电池，通常被分类为燃料电池或者电解槽，是用于由化学反应产生电流，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（例如氢气、天然气、甲醇、汽油等）和氧化剂（空气或氧气）的化学能转换成电以及热量和水的废产物。基本的燃料电池包括带负电荷的阳极、带正电荷的阴极以及称为电解质的离子导电材料。

不同的燃料电池技术使用不同的电解质材料。例如，质子交换膜（PEM）燃料电池使用聚合物离子导电膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极电化学地分裂成电子和质子（氢离子）。然后，电子流动穿过电路至阴极并且产生电，而质子穿过电解质膜扩散至阴极。在阴极，氢质子与电子和（供应至阴极的）氧结合以产生水和热量。

电解槽代表操作相反的燃料电池。当施加外部的电势时，通过将水分解成氢气和氧气，基础的电解槽起到作为氢气发生器的作用。氢燃料电池或电解槽的基础技术可应用于电化学氢处理，例如，电化学氢压缩、提纯或膨胀。电化学氢处理已作为传统上用于氢管理的机械系统的可行的替代选择出现。氢作为能量载体的成功的商业化以及“氢经济”的长期的可持续性很大程度地依赖于燃料电池、电解槽和其他氢处理/管理系统的效率以及成本效益。

在操作中，单个的燃料电池一般可产生约1伏特。为了获得期望的电功率总量，各个燃料电池被结合以形成燃料电池堆，其中燃料电池循序地堆叠在一起。每个燃料电池可包括阴极、电解质膜以及阳极。阴极/膜/阳极组件构成一般由双极板支撑在两侧上的“膜电极组件”或者“MEA”。反应气体（氢气和空气或氧气）通过形成在板中的、被称为流场的通道或凹槽而被供应至MEA的电极。除了提供机械支撑，当电连接在堆里的各个燃料电池时，双极板（也被称为流场板或分隔板）物理地分隔在堆里的各个燃料电池。一般的燃料电池堆包括歧管和进气口，用于将燃料和氧化剂分别引导至阳极流场和阴极流场。燃料电池堆也包括排气歧管和出气口，用于排出过量的气体和冷却剂水。

图1是示出现有技术PEM燃料电池10的各种部件的爆炸示意图。如图所示，双极板2位于“膜电极组件”（MEA）的侧面，“膜电极组件”（MEA）包括阳极7A、阴极7C和电解质膜8。供应至阳极7A的氢原子电化学地分裂成电子和质子（氢离子）。电子流动穿过电路至阴极7C并且在该过程中产生电，而质子移动穿过电解质膜8至阴极7C。在阴极，质子与电子和（供应至阴极的）氧结合以产生水和热量。

此外，现有技术PEM燃料电池10包括导电的气体扩散层（GDL）5，该导电的气体扩散层5在电池内MEA的各侧上。气体扩散层5用作使电池内的气体和液体能够运输的扩散媒介，提供双极板2和电解质膜8之间的电传导，帮助从电池中排除热量和工艺用水，并且在某些情况下，向电解质膜8提供机械支撑。气体扩散层5可包括织物的或非织物的碳布，电极7A和电极7C覆盖在该碳布面向电解质膜的侧面。在某些情况下，电催化剂材料可覆盖在邻近的GDL 5或者电解质膜8上。

通常，基于碳纤维的气体扩散层无法满足高压差电池的性能需求，尤其是因为这些材料的受限的结构性质。因此，一些高压电化学电池使用“熔块型”致密烧结的金属、过滤网组合或者结合或作为用于传统的GDL的替代的网形金属，以向MEA提供结构支撑，该MEA与形成在双极板2中的传统的槽脊（land）-通道流场4结合。层状结构（即，过滤网和网形金属）提供适用于高压差操作的相对厚的结构。然而，它们引入了其他的性能缺陷，例如，高接触电阻、高流动阻力、大单元间距等。为了克服这些层状结构的物理限制，三维多孔金属结构可用作用于在高压差电化学电池中的传统的槽脊-通道流场4和GDL 5的替代。

在使用多孔金属流场的电化学电池中，在电解质膜的各侧的反应气体流动穿过多孔金属流场以到达电解质膜。穿过多孔金属流场的持续流动确保，当消耗了多数的燃料或氧化剂时，耗尽的氧化剂从燃料电池中持续地被冲洗掉。如同传统的槽脊-通道流场，令人期望的是，这些多孔金属结构促使反应气体均匀的分布至电极，以便获得单独的燃料电池的高性能。此外，不期望在反应气体流体中造成过度的压降，否则会消耗由燃料电池堆产生的某些电能并且降低燃料电池堆的总效率。正因如此，改进多孔金属流场的设计以提供反应气体的改进分布，但不给电池增加额外的部件，存在持续的挑战。

发明内容

本发明针对与电化学电池一起使用的流场的设计。本发明尤其针对在电化学电池中使用、用于改进反应气体的分布的多孔金属流场的设计。这些装置可在在高压差下操作的电化学电池中使用，该电化学电池包括但不限于燃料电池、电解槽以及氢气压缩机。

本发明的一方面是针对用于在电化学电池中使用的流场。流场可包括多孔金属结构，该多孔金属结构包括进气口和出气口。流场可进一步包括形成在该结构中的多个第一通道。多个第一通道各自从与进气口流体连通的第一近端延伸，并且在该结构内的第一远端终止。流场也可包括形成在该结构中的多个第二通道。多个第二通道各自从与出气口流体连通的第二远端延伸，并且在该结构内的第二近端终止。

本发明的另一方面针对电化学电池。电化学电池可包括第一双极板、第二双极板以及膜电极组件，该膜电极组件包括阴极、阳极以及设置在阴极和阳极之间的聚合物膜。电化学电池也可包括设置在第一双极板和第二双极板中的一个与膜电极组件之间的至少一个流场。该至少一个流场可由具有进气口和出气口的多孔金属结构形成。该结构可进一步地包括与进气口流体连通的多个进气通道，以及置于多个进气通道的每一个之间并与出气口流体连通的多个出气通道。

可以理解，前述的大概说明和下述的详细说明均仅是示例性的和解释性的，并不是作为请求保护的本发明的限制。

附图说明

附图并入说明书并且构成本说明书的一部分，示出了本发明的实施例，并且连同说明书用于解释本发明的原理。

图1示出显示质子交换膜（PEM）燃料电池的各种部件的爆炸示意图；

图2是根据本发明的示例性的实施例的电化学电池的一部分的示意图；以及

图3示出根据本发明的示例性的实施例的阴极流场的前视图。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示例性的实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，作为例子的附图标记可在全部附图使用，以参照同样或者类似的部分。尽管所描述的有关使用氢气、氧气以及水的电化学电池，可以理解，本发明的装置和方法可以和各种类型的电化学电池一起使用，该电化学电池包括那些在高压差下操作的电化学电池。

图2示出示例性的电化学电池200的爆炸示意图。电化学电池200可包括两个双极板210、220。这两个双极板210、220可作为支撑板和导体。双极板210、220也可包括进入通道，该进入通道用于循环冷却液体（即，水、乙二醇或水乙二醇混合物），以从电池200排除热量。双极板210、220可由铝、钢、不锈钢、钛、铜、镍-铬合金、石墨或者任何其他的导电材料制成。

除了双极板210、220，电化学电池200可包括膜电极组件（“MEA”）。MEA 230可包括阳极231、阴极232以及质子交换膜（“PEM”）233。PEM 233可设置在阳极231和阴极232之间，使阳极231和阴极232相互电绝缘。可预期地，PEM 233可包括纯聚合物膜或者复合膜，其中其他材料例如二氧化硅、杂多酸、层状的金属磷酸盐、磷酸盐以及磷酸锆盐可嵌入在聚合物基体中。PEM 233可以是能够透过质子而不传导电子的。阳极231和阴极232可包括含有催化剂层（未示出）的多孔碳电极。催化剂材料可以是（例如）可增加反应速率的铂。

如图2所示，阴极流场240和阳极流场250位于MEA 230的侧面。阴极流场240和阳极流场250可在双极板210、220和MEA 230之间提供电传导，同时也为电化学电池200内的气体和液体的运输提供媒介。此外，阴极流场240和阳极流场250可向MEA 230提供机械支撑。

阴极流场240和阳极流场250可包括三维多孔金属结构。在某些实施例中，阴极流场240和阳极流场250可通过压实高度多孔金属材料形成，例如金属开口结构（例如，金属泡沫、烧结金属熔块、金属网栅、金属网或任何其他的多孔金属）。多孔金属材料可包括金属（例如不锈钢、钛、铝、镍、铁等），或者例如镍铬合金等的金属合金。在一些说明性的实施例中，金属材料的孔径尺寸的范围可为从约20μm至约1000μm。例如，金属材料的孔径尺寸范围可为从约20μm至约1000μm，例如从约50μm至约1000μm，从约20μm至约900μm等，从约30μm至约800μm，从约40μm至约700μm，从约50μm至约600μm，从约60μm至约500μm，从约70μm至约500μm，从约100μm至约450μm，从约200μm至约450μm，以及从约350μm至约450μm。在说明性的实施例中，金属材料的平均孔径尺寸为约400μm、约500μm或者约800μm。在更进一步的实施例中，金属材料的空隙体积的范围为从约70%至约99%。例如，金属材料的空隙体积的范围可为从约70%至约98%，例如从75%至约98%，从约75%至约95%，从约75%至约90%，从约75%至约85%，从约70%至约80%，从约73%至约77%，从约80%至约90%，从约83%至约87%，从约90%至约99%，以及从约93%至约97%。在说明性的实施例中，金属材料的空隙体积可以是约75%、约85%或约95%。

电化学电池200在MEA 230的各侧可额外地包括导电的气体扩散层（GDL）。可预期地，多孔金属结构可实现GDL一般要求的功能，因此引入从电化学电池组件去除GDL的可能性。在供替换的实施例中，由具有不同的平均孔径尺寸的两个不同的层（例如，较大的孔径构成流场以及较小的孔径替代GDL）构成的多孔金属结构可设置为与MEA 230接触。因此，除非另外特别说明，如本文使用的“流场”通指流场和GDL。使用带有传统的GDL或带有传统的通道型流场的所公开的多孔金属流场在本发明的范围内。

图3中示出示例性的流场（例如阴极流场240）的前视图。尽管下面的描述是关于阴极流场240，其同样地也可适用于阳极流场250。如图所示，阴极流场240可包括纵向延伸的表面442，该表面442限定第一边缘444和第二边缘446。进气口448可设置在第一边缘444，并且出气口450可设置在第二边缘446。可以理解，进气口448和出气口450可位于在阴极流场240上的任何其他位置或者结构。进气口448和出气口450可包括部分地或全部地延伸穿过阴极流场240的厚度的孔。进气口448可经配置以接收反应气体（例如，燃料、氧气或空气），并且出气口450可经配置以从阴极流场240排除耗尽的气体。

如图所示，阴极流场240可包括多个进气（或第一）通道460和多个出气（或第二）通道470。进气通道460和出气通道470可以是冲压的或者形成在阴极流场240中。多个进气通道460和多个出气通道470对流体流动可以大体上无障碍，以允许反应气体的改进的分布。虽然图3中描述了四个进气通道和四个出气通道，但可以理解，可提供更多或更少数量的进气通道和/或出气通道。

多个进气通道460可形成在阴极流场240的结构内或在阴极流场240的表面442上，并且从第一边缘444（例如，阴极流场240的近端）延伸至第二边缘446（例如，阴极流场240的远端）。多个出气通道470也可形成在阴极流场240的表面442内，并且从第二边缘446（例如，阴极流场240的远端）延伸至第一边缘444（例如，阴极流场240的近端）。例如，表面442可以是阴极流场240面向MEA 230的表面。可以理解，通道可形成在与阴极流场240有关联的结构或表面上。在示例性的实施例中，多个进气通道460可与多个出气通道470平行，多个出气通道470各自设置在相邻的进气通道460之间。进气通道460和出气通道470的其他设置是可预期的。

多个进气通道260各自可具有第一近端460a，该第一近端460a设置在第一边缘444、相邻第一边缘444或靠近第一边缘444。第一近端460a可与进气口448流体连通以接收反应气体。在示例性的实施例中，进气通道460的第一近端460a可以是与彼此和进气口448流体连通的“开口端”，以便形成在多个进气通道460之间的流体通路。利用该设置，来自于进气口448的反应气体的流动可均匀地分布穿过多个进气通道460。

多个进气通道460各自在阴极流场240内可在第一远端460b终止。在一些实施例中，第一远端460b可设置在第一边缘444和多个出气通道470的远端之间。第一远端460b可以是不与出气口450直接流体连接的“终端（dead-end）”或“闭合端”。利用该设置，可促使分布在每个进气通道460中的反应气体穿过多孔金属结构，扩散至相邻的出气通道470。在一些实施例中，多个微型通道480可形成在阴极流场240中的分隔相邻的进气通道460和出气通道470的部分中。微型通道480可沿着分隔部分的整个长度或仅一部分形成。微型通道480可流体地连接进气通道460和出气通道470。微型通道480可经配置以将反应气体的流动从进气通道460引导至相邻的出气通道470。微型通道480可以这样的形式构造尺寸和间隔，以向大多数的催化剂位置提供氧可用性，否则所述催化剂位置将另外由分隔进气通道460和出气通道470的阴极流场240多孔结构的部分遮蔽。

多个进气通道460可沿着流动的方向（例如，长度尺寸）大体上延伸穿过阴极流场240。在一些实施例中，进气通道460可具有范围在90mm至150mm的长度。此外，多个进气通道460横跨阴极流场240的尺寸（例如，宽度尺寸）可均匀地分布，该尺寸横向于流动的方向。多个进气通道460可具有任何适当的宽度、横截面面积、深度、形状和/或配置，以（例如）沿着多个进气通道460各自的长度分布在进气口448接收的反应气体。在一些实施例中，进气通道460可具有范围在0.1mm至1.5mm的宽度。可预期地，在某些实施例中，多个进气通道可具有不同的形状和/或横截面面积。

多个出气通道470各自可包括第二远端470a，该第二远端470a设置在第二边缘446、相邻第二边缘446或靠近第二边缘446，并且与出气口450连通。第二远端470a可与出气口450流体连通，以从阴极流场240排出反应气体。在示例性的实施例中，多个出气通道470的第二远端470a可以是与彼此以及出气口450流体连通的“开口端”，以便形成流体通路以从多个出气通道470均匀地排除气体。

多个出气通道470各自可从第二远端470a向第一边缘444延伸，并且在阴极流场240内在第二近端470b终止。在一些实施例中，第二近端470b可设置在第二边缘446和多个进气通道460的第一近端460a之间。第二近端470b可以是不与进气口448直接流体连通的“终端”或“闭合端”。利用该设置，至少在第二近端470b和第二远端470a之间，出气通道470可从相邻的进气通道460接收反应气体。

多个出气通道470也可大体上延伸穿过阴极流场240（例如，长度尺寸）。在一些实施例中，出气通道470可具有范围在90mm至150mm的长度。此外，多个出气通道470横跨阴极流场240的尺寸（例如，宽度尺寸）可均匀地分布，该尺寸横向于流动的方向。多个出气通道470可具有任何适当的宽度、横截面面积、深度、形状和/或配置，以（例如）引导反应气体，该反应气体从进气通道460穿过多孔金属结构，扩散进入出气通道470，朝向出气口450。在一些实施例中，出气通道470可具有范围在0.3mm至1.5mm的宽度。可预期地，在某些实施例中，多个出气通道470可具有不同的形状和/或横截面面积。此外，可预期地，与多个进气通道相比，多个出气通道470可具有相同的或不同的形状和/或横截面面积。

在电化学电池200的操作期间，反应气体可穿过进气口448供应至阴极流场240。反应气体可从进气口448穿过多孔金属结构，扩散进入多个进气通道460。尤其是，反应气体可流动进入多个进气通道460各自的第一近端460a，并且沿着在第一近端460a和第一远端460b之间的每个进气通道460的长度分布。

第一远端460b可以是终端或闭合端，该终端或闭合端可促使沿着多个进气通道460各自的长度分布的反应气体流动穿过（例如，扩散）金属多孔结构，进入相邻的出气通道470。这导致反应气体朝向催化剂的强制对流，以及反应气体相对较大的暴露于催化剂。在一些实施例中，无论扩散与否，反应气体可从进气口460流动穿过微型通道480至出气通道470。

当反应气体进入相邻的出气通道470，反应气体可流动远离第二近端470b，并且朝向第二远端470a，以沿着出气通道470各自的长度分布。然后反应气体可从第二远端470a流动穿过出气口450，以从阴极流场240排除。

本发明可呈现许多益处。例如，所公开的阴极流场的进气通道和出气通道提供了反应气体可流动穿过的较大的横截面面积，相对于其他的多孔金属流场结构，其可减少穿过多孔金属流场的压降。除了进气通道和出气通道，所公开的阴极流场的微型通道也可提供增大的横截面面积，穿过该横截面面积，反应气体可在进气通道和出气通道之间流动，其可进一步地减少穿过多孔金属流场的压降。这可减少使反应气体加压所需要的能量总量（即，减少风机功率），其反过来可改进燃料堆的整体性能和效率（例如，改进功率密度并且减少寄生负载）。此外，相对于无通道的其他的多孔流场结构，所公开的阴极流场可减少反应气体需要在多孔金属流场内经过的流动长度。这可允许进入的流动保持富氧，直到该流动被引导穿过多孔主体，从而改进电池氧分布。通过这样做，所公开的阴极流场可导致更好的催化剂利用率以及可能更高的电流密度。

在一些额外的和/或替代的实施例中，可预期地，多个进气通道460和多个出气通道470可形成在双极板210、220中，并且连同三维多孔金属流场使用。这样的设置可导致如上文所述的相似的功能，但将导致较厚的电池，可能降低燃料堆的整体功率密度。

从本文的说明书以及发明的实践考虑，本发明的其他的实施例对本领域技术人员来说是显而易见的。这意味着说明书和示例被视为仅是示例性的，本发明的真实的范围和精神通过下述的权利要求书表明。

Claims (20)

1.一种在电化学电池中使用的流场，包括：

多孔金属结构，包括进气口和出气口；

形成在该结构中的多个第一通道，其中多个第一通道各自从与进气口流体连通的第一近端延伸，并且在该结构内的第一远端终止；以及

形成在该结构中的多个第二通道，其中多个第二通道各自从与出气口流体连通的第二远端延伸，并且在该结构内的第二近端终止。

2.如权利要求1的流场，其中，多孔金属结构包括金属开口结构，该金属开口结构包括金属泡沫、金属网栅或金属网中的至少一种。

3.如权利要求1的流场，其中，该结构包括第一边缘和第二边缘，其中进气口设置在第一边缘上，并且出气口设置在第二边缘上。

4.如权利要求3的流场，其中，多个第一通道各自的第一远端在第一边缘和多个第二通道的第二远端之间终止。

5.如权利要求3的流场，其中，多个第二通道各自的第二近端在第二边缘和多个第一通道的第一近端之间终止。

6.如权利要求1的流场，其中，多个第一通道和多个第二通道平行地设置。

7.如权利要求1的流场，其中，多个第一通道中的至少一个设置在相邻的第二通道之间。

8.如权利要求1的流场，其中，多个第一通道各自经配置以使反应气体从多个第一通道中的一个穿过多孔金属结构，扩散至多个第二通道中的相邻的一个。

9.如权利要求1的流场，进一步包括形成在流场中的多个微型通道，所述多个微型通道将第一通道流体地连接至第二通道。

10.如权利要求9的流场，其中，微型通道设置在相邻的第一通道和第二通道之间的金属多孔结构中。

11.一种电化学电池，包括：

第一双极板；

第二双极板；

膜电极组件，包括阴极、阳极以及设置在阴极和阳极之间的聚合物膜；

至少一个流场，设置在第一双极板和第二双极板中的一个与膜电极组件之间，该流场由具有进气口和出气口的多孔金属结构形成，该结构包括与进气口流体连通的多个进气通道，以及置于多个进气通道的每一个之间并与出气口流体连通的多个出气通道。

12.如权利要求11的电化学电池，其中，流场是面向膜电极组件的纵向延伸的表面。

13.如权利要求11的电化学电池，其中，多个进气通道各自从与进气口流体连通的第一近端延伸，并且在第一远端终止。

14.如权利要求13的电化学电池，其中，第一远端设置在第二边缘或邻近第二边缘。

15.如权利要求11的电化学电池，其中，多个出气通道各自从与出气口流体连通的第二远端延伸，并且在第二近端终止。

16.如权利要求15的电化学电池，其中，第二近端设置在第一边缘或邻近第一边缘。

17.如权利要求11的电化学电池，其中，多个进气通道各自经配置以使反应气体从多个进气通道中的一个穿过多孔金属结构，扩散至多个出气通道中的相邻的一个。

18.如权利要求11的电化学电池，其中，多孔金属结构包括金属开口结构，该金属开口结构包括金属泡沫、金属网栅或金属网中的至少一种。

19.如权利要求11的电化学电池，其中，至少一个流场进一步包括形成在流场中的多个微型通道，所述多个微型通道将第一通道流体地连接至第二通道。

20.如权利要求19的电化学电池，其中，微型通道设置在相邻的第一通道和第二通道之间的金属多孔结构中。