CN108368623B - 用于电化学电池的流场板组 - Google Patents

Abstract

电化学电池在薄膜的相对两侧具有第一和第二流场。第一流场具有一组一般线性通道，在该通道中，流场中的流体的流动被容纳在平行的长脊之间。第二流场由一组平行的间断的脊限定。优选地，第二流场中的大多数的脊段倾斜于，例如垂直于，并且重叠于第一流场的两个或者更多的脊。流场可以用于例如水电解电池，包括高压或者差压聚合物电解质膜(PEM)电解电池。

Description

用于电化学电池的流场板组

相关申请

本申请要求于2015年11月17日提交的申请号为62/256,320的美国临时申请的优先权或权益，并在此以引用的方式将申请号为62/256,320的美国临时申请并入本文。

技术领域

本发明涉及电化学电池，特别涉及关于流场板(一个或多个)的设计。

背景技术

加拿大专利2522731披露了适用于电化学电池的流场板的多种设计。在某些情况下，设置有双极板。在一些实施例中，对应于阳极和阴极的活性表面在本质上是彼此相同的，然而在其他一些实施例中，在经过例如反射或者180度旋转的转换之后，各活性表面是完全相同的。

发明内容

本发明说明了相应的流场或者流场板的设计，相应的流场位于电化学电池中膜的相对两侧。在本文中使用“板”一词来表示：任意的两个分离的板；在其两侧具有流场的单板，例如双极板；以及一对双极板。

第一流场具有一组通道，在这组通道中，流场中的流体的流动通常被限制在入口与出口之间的不同的线性路径中。可选地，通道可以在入口附近分支并在出口附近合并。然而，第一流场的大多数的区域，即50％或者更多，可选地80％或者更多，是由长脊(longridge)所限定的通道组成的。至少一些长脊可以延伸跨过入口与出口之间的直线距离的大部分，可选地具有一个或者多个弯曲。脊(其可能包括一个或者多个弯曲)的长度相对于通道的宽度的比率至少为10:1或者20:1。

第二流场相对来说方向性更弱，其具有更短的脊以及流体路径之间的更多潜在的混合。例如，在第二流场的大部分(即50％或者更多，可选地80％或者更多)区域中，脊的长度相对于通道的宽度的比率可以小于10:1。第二流场具有至少一个出口，并且可能具有或者可能不具有一个或者多个入口。优选的是，第二流场中的脊的大多数倾斜于，例如通常垂直于第一流场中的脊。优选的是，第二流场中的脊形成一组平行的分段线，并在连续的几行中线段相互偏移，例如使得在一条线中的脊之间的间隙的位置与相邻的线中的脊相面对。第二流场中的大多数的脊与第一流场的至少两条脊重叠。

本发明也说明了布置第二流场的方法。在此方法中，第二流场的理论上的脊被布置为垂直于第一流场中的脊、位于流场中的脊的顶部或者这些位置的组合，但是最优选垂直于第一流场中的脊。第二流场中的理论上的脊随后被分成段。其中，各段垂直于第一流场中的脊，各段横跨在第一流场中的各对脊之间。可选的是，当第二流场中的脊的方向发生变化时，可以存在弯曲的脊。由于第二流场通常是非定向的，出口或者入口(如果有的话)可以位于第二流场的任一侧内或者与第二流场的任一侧相连通。

相比于与第一流场相匹配的第二流场，第二流场的排列能够提供与第一流场中的流体流动方向无关的流体路径。这种排列例如在诸如水电解槽等任何电化学电池中都是有用的，在水电解槽中，第一流场可以携带液体，第二流场可以携带气体，并且期望能够在气体流场带来的最小约束下设计液体流场。第二流场中的大多数脊横跨第一流场中的脊之间，这种排列也能够帮助膜承受跨膜压差逆转或者波动，例如，就像在启动或者关闭压差式水电解槽时可能发生的情况。

附图说明

图1示出了第一流场的一部分。

图2示出了第二流场的一部分。

图3示出了如同在电化学电池中的第一流场和第二流场，第一流场和第二流场中的一者位于另一者的上方。

具体实施方式

图1示出用于电化学电池的第一流场10的一部分。第一流场10能够用于电池的阳极或者阴极侧。然而，在用于生产氢气的水电解电池的情况下，第一流场10优选用于电池的阳极侧。在这种情况下，水流入第一流场10中，氧气和未反应的水流出第一流场10。第一流场10通常占据流场板的一部分，流场板还设置有与第一流场10相连通的一个或者多个入口以及一个或者多个出口。流场板还设置有围绕第一流场10的边界。边界具有密封件或者适用于与放置在流体板上的薄膜(例如聚合物电解质膜或者膜电极组件)配合形成密封件。通常，在第一流场10与薄膜之间设置有扩散层。第一流场10是通过从流场板去除材料以设置通道14而形成的。通道14之间留下的材料形成长脊12。

图2示出了电化学电池的第二流场20的对应的部分。第二流场20能够用于电池的阳极或者阴极侧。然而，在用于生产氢气的水电解电池的情况下，第二流场20优选用于电池的阴极侧。在这种情况下，氢气在第二流场20中产生。第二流场20通常占据流场板的一部分，该流场板还设置有与第二流场20相连通的一个或者多个出口以及可选地一个或者多个入口。该流场板也设置有如上文所述的围绕第二流场20的边界。第二流场20是通过从流场板去除材料以形成远端表面22而形成的。剩余在第二流场20中的材料形成短脊24。

在图1和2中，流场10、20延伸超出作为附图的边界的虚线。虚线已经偏离了流场10、20的被示出的部分的实际边界以使得虚线更清晰可见。除了已经示出了完整长度的那些短脊24之外，垂直于相邻的虚线的长脊12和短脊24连续地延伸穿过虚线。

流场板可以仅包含第一流场10或者仅包含第二流场20。可替代地，第一流场10和第二流场20可以设置在单个流场板的相对两侧，以提供双极板。除了从板上去除材料之外，可以通过其他方法来制造流场，例如，模制流场板或者通过层叠各层构建。

为了组装电化学电池，包含第一流场10的流场板附接到包含第二流场20的另一流场板，使得第一流场10面对第二流场20。可选地，两个流场板中的每个可以是基本相同的双极板。流场板通常与密封件、薄膜、催化剂/电极层(可以与薄膜一体)和扩散层分隔。

在图1和2中，流场10、20彼此相对定向，犹如它们是电化学电池的在垂直于流场10、20的方向上被分开的部分，但是流场10、20中的一个是可以直接观察到的，而另一个看起来像在镜子中一样。在图3中，流场10、20彼此相对放置以使它们将位于组装的电池中，其中，第二流场20位于第一流场10的顶部上方但第二流场20的远端表面22被移除，从而允许从上方观察电池。

参照图1，长脊12具有宽度32和至少在一个方向延伸超过虚线的长度30。连续的各长脊12被第一间隙34隔开，第一间隙34也是通道14的宽度。从一个长脊12上的点到垂直于该长脊12测量的另一个长脊12上的相同点的距离是垂直间距36。垂直间距36也等于宽度32和第一间隙34的和。

参照图2，短脊24具有长度38和宽度40。当垂直于短脊24测量时，短脊24被第二间隙42隔开。短脊24的宽度40优选与长脊12的宽度32相同。另外，第二间隙42优选与第一间隙34相同。当分别垂直于短脊24或者平行于短脊24测量时，一个短脊24上的点与连续的短脊24上的相同的点之间的距离分别是垂直间距46或者直线间距44。直线间距44优选基本上是垂直间距36的整数倍，例如，直线间距44可以是垂直间距36的2、3或者4倍。最优选的是，可选择地，短脊24的80％或者更多具有相同的长度38和直线间距44。

除了长脊12的长度30是可变的之外，在前两段中说明的各种尺寸在至少横跨流场10、20的大多数(50％或者更多)，优选的是80％或者更多的区域内是固定不变的。

虽然在边界的入口、出口附近有不同的图案，但图1中所示的区域代表了电池中第一流场10的区域的大部分，即50％或更多，但是可选80％或更多。通道14被构造为通常将流体的穿过第一流场10的流动限制在位于入口与出口之间的不同的线性路径中。可选的是，通道可以在入口附近分支并在出口附近合并。长脊12被称为细长型，因为它们通常至少从一个障碍(即，流场10的边缘，流场10中的分支或者合并，流场10中方向的改变，入口或者出口)连续延伸至另一个。至少一部分长脊12可以延伸穿过流场板的入口和出口之间的直线距离的大部分并优选具有一个或多个弯曲。长脊12(其可以包括一个或者多个弯曲)的长度相对于通道14的宽度，即第一间隙34的比率通常至少是10:1或者20:1，并且对于一些长脊可以是50:1或者更大。

图2中所示的区域代表电池中的第二流场20的区域的大部分，即50％或者更多，可选地80％或者更多。对于第一流场10，图案的变化(如果有的话)可能出现在入口(如果有的话)、出口或者边界的附近。另外，示出了长脊12中仅一个弯曲以及短脊24的相应的旋转是为了简化说明。然而，第一流场10可以具有长脊12中的多个弯曲，可选地，每一个弯曲都具有第二流场20中的短脊24的对应的旋转。

相比于第一流场10，第二流场20方向性更弱，具有更短的脊和更多潜在的混合或者垂直于脊的其它流动。例如，短脊24的长度相对于通道14的宽度通常小于10:1，优选7:1或者更小。

一些短脊24可以平行于长脊12的一部分。在这种情况下，短脊24优选直接位于长脊12的上方。优选的是，大部分短脊24斜交于一个或多个长脊12，其在组装的电池中重叠。最优选的是，大部分短脊24，即50％或者更多，可选地80％或者更多，或者基本上所有短脊24在组装的电池中都与两个或者更多的长脊12重叠并且斜交于这些长脊12。短脊24可以与重叠的长脊12成至少30度的角。

优选的是，短脊24与重叠的长脊12成直角。在这种情况下，短脊24的长度优选与(a)长脊12的宽度32的整数倍加上(b)第一间隙34的总和基本相同。

如图2所示，短脊24形成一组平行的分段线。在连续的各条线中，短脊24彼此偏移，例如，使得成一条线中的短脊24之间的第二间隙42位于相邻线中的短脊24的对面。如图3所示，在组装的电池中，与相同的长脊12重叠的连续的短脊24优选重叠不同组的长脊12。短脊24优选改变它们的方向，从而使这样的结构围绕着长脊12的弯曲得以保持。在长脊的弯曲处，在第二流场20中可以设置有不规则的脊50，以帮助在这样的弯曲处的任一侧配合形成短脊24的上述图案。长脊12和短脊24的弯曲和端部优选是带圆角的，以减少流场10、20中的湍流。

用于设计流场10、20的方法从设计第一流场10开始。第一流场10的设计提供了第一流场10的入口和出口之间的通道14。随后，参照第一流场10设计第二流场20。在第一步中，理论上的长脊或者将包含短脊的边界线垂直于第一流场的长脊布置，在流场中的脊的顶部，或者在这些位置的组合中，但最优选垂直地布置。随后，第二流场中的理论上的脊或者边界线被分成短脊24。

在短脊24垂直于长脊12的情况下，理论上的脊或者边界线优选根据在连续的抽象的脊或者边界线之间偏移的固定不变的图案来切分。在优选的实施例中，每个短脊24从长脊12的一侧向至少一个相邻的长脊12的相对侧延伸，一行中连续的短脊24被第一间隙34隔开，并且在连续多行中的短脊24偏移了等同于第一间隙34加上长脊12的宽度32的距离或者更多。在示出的特定例子中，长脊12的宽度32基本与第一间隙34相同，图案包括形成具有长度38的短脊24，长度38通常(即，除了弯曲或者其它障碍附近)等于长脊12的宽度32的五倍。间隙42基本等于宽度40，并且偏移等于长脊的宽度32的两倍。优选地，在短脊24的方向改变的位置，至少添加了一些不规则的脊50。由于第二流场通常是非定向的，所以出口或者入口(如果有的话)可以位于第二流场的任一侧或者与第二流场的任一侧相连通。

本文中使用的“基本”一词表明两个参数彼此相差不超过10％。本文中使用的“优选地”一词表明特征是可选择的但优选此特征。

Claims (14)

1.用于电化学电池的流场板组，其包括：

第一流场板，所述第一流场板具有的流场至少50％由多个长脊限定；以及

第二流场板，所述第二流场板具有的流场至少50％由多个短于所述长脊的短脊的间断线限定，

其中，在间断线中的每一所述短脊之后且在所述间断线中连续的所述短脊之前具有间隔，且其中，所述短脊横跨在至少两个连续的所述长脊之间，且所述短脊斜交或正交于所述长脊。

2.根据权利要求1所述的组，其中，所述长脊的长度是连续的所述长脊之间的平均间隙的至少10倍，所述间隙是垂直于所述长脊测量的。

3.根据权利要求1或2所述的组，其中，所述短脊的长度小于连续的所述长脊之间的平均间隙的10倍，所述间隙是垂直于所述长脊测量的。

4.根据权利要求2所述的组，其中，在一条线中的连续的所述短脊之间的所述间隔与垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙的2至4倍相同。

5.根据权利要求1或2所述的组，其中，所述长脊和所述短脊具有相同的宽度。

6.根据权利要求2所述的组，其中，垂直于所述短脊测量的连续的所述短脊之间的间隙与垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙相同。

7.根据权利要求2所述的组，其中，所述短脊的长度等于所述长脊的平均厚度的2至4倍加上垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙。

8.用于电化学电池的流场板组，其包括：

第一流场板，所述第一流场板具有包括多个长脊的流场；以及

第二流场板，所述第二流场板具有包括多个短于所述长脊的短脊的流场，所述短脊形成一组平行的间断线，

其中，当所述流场板装配到电池中时，所述短脊横跨在至少两个连续的所述长脊之间，且其中，在间断线中的每一所述短脊之后且在所述间断线中连续的所述短脊之前具有间隔，且所述短脊斜交或正交于所述长脊。

9.根据权利要求8所述的组，其中，所述长脊的长度至少为连续的所述长脊之间的平均间隙的10倍，所述间隙是垂直于所述长脊测量的。

10.根据权利要求8或者9所述的组，其中，所述短脊的长度小于连续的所述长脊之间的平均间隙的10倍，所述间隙是垂直于所述长脊测量的。

11.根据权利要求9所述的组，其中，在一条线中连续的所述短脊之间的所述间隔与垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙的2至4倍相同。

12.根据权利要求8或者9所述的组，其中，所述长脊和所述短脊具有相同的宽度。

13.根据权利要求9所述的组，其中，垂直于所述短脊测量的连续的所述短脊之间的间隙与垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙相同。

14.根据权利要求9所述的组，其中，所述短脊的长度等于所述长脊的平均厚度的2至4倍加上垂直于所述长脊测量的连续的所述长脊之间的所述间隙。

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