CN110088963A - 波纹燃料电极 - Google Patents

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T·特里姆贝尔
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Abstract

燃料电极包括第一和第二波纹部分，该第一和第二波纹部分相对于其波纹轴线以偏移角度彼此附接并且因此相互增强。第一波纹部分可以相对于第二波纹部分正交地延伸。第一和第二波纹部分可以由金属线形成，并且因此可以具有非常高的体积空隙比例和高的表面积与体积比(sa/vol)。另外，线的股线可以被选择为实现到集电器的高导电性，同时使sa/vol最大化。另外，波纹的形状(包括周期距离、振幅和几何形状)可以关于刚度要求和电化学电池应用因素来进行选择。第一和第二波纹部分可以被压延或压碎以减小燃料电极的厚度。

Description

波纹燃料电极
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请序列号62/410,852的优先权，其以整体内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于电化学功率系统的燃料电极，特别涉及用于金属空气可充电功率系统的燃料电极。
背景技术
用于电池和功率系统的燃料电极需要与离子导电介质(诸如电解质)接触，并且与集电器电耦合，以允许电流流入和流出燃料电极。在许多系统中希望在燃料电极和电解质之间具有大的表面接触区域，以使得燃料能够装载到电极上，同时使沉积的燃料的厚度最小化。具有非常高的表面积与体积比(还被称为表面与体积比，并且不同地被表示为sa/vol或者SA:V，材料占据的每单位体积的表面积的量)的燃料电极是所期望的。还期望该表面区域易于被电解质接近而燃料电极材料内的内部孔隙不小，因为这可能对燃料的沉积存在限制。另外，期望燃料电极的表面光滑，具有受限的拐角，因为这可能是电荷聚集的区域并且可能导致枝晶形成。燃料电极通常由金属制成，因此需要高比表面积(每单位质量的表面积，即m2/g)，以保持燃料电极的成本降低。
多孔金属燃料电极提供高sa/vol，但是在许多应用中成本过高，并且具有不规则形状的孔隙。多孔金属内的孔隙具有宽范围的尺寸，并且呈现从多孔金属的外部到多孔金属内最内部的孔隙的曲折路径。到内部表面区域的该曲折路径和小孔隙可以呈现对电解质的流动限制，并且导致差的交换和反应速率。另外，多孔金属燃料电极内的一些孔隙可能被沉积物阻挡或堵塞，从而随着时间的推移降低有效的sa/vol比，因为这些堵塞的孔隙不能用于反应。电解质必须从多孔金属的外侧表面流动穿过孔隙的迷宫，以到达多孔金属的深度内的孔隙和表面区域。因此，多孔金属的结构虽然具有高的初始sa/vol比，但是可能存在大量传输限制，可能具有随时间降低的sa/vol比(由于被阻挡的孔隙)，可能具有穿过其的低的电解质交换或电解质的渗透率，并且可能成本过高。
另外，如果燃料电极折曲(bow)或弯曲(flex)，则它可能会接触相对的电极并且使系统短路。由材料的薄片制成的燃料电极易受这种偏斜和折曲的影响。为了防止这种情况，间隔件或分离件通常被放置在燃料电极和相对电极或阴极之间，以防止短路。燃料电极有时与间隔件直接接触，这减小了可用于反应的表面区域。间隔件增加了成本，并且可以减少电池内电解质的流动和混合。
另外，在一些电化学系统中，诸如枝晶的沉积物可能形成在燃料电极上，其可能会从表面延伸出来。如果这些枝晶接触相对的电极，则它们可以使系统短路。枝晶还可能会从燃料电极的表面脱落并且落到电池的底部，在那里它们还可能会积聚并且延伸到相对的电极以引起短路。
在一些情况下，已经使用金属泡沫或3D泡沫来形成电极结构的一部分。然而，由于各种原因，包括例如产生不规则性、提供减小的开放区域、产生具有尖锐或不希望的角度和拐角的粗糙表面以及具有较低的表面积与体积比，这种泡沫并不理想。
发明内容
本发明的一方面提供了一种用于电化学电池的燃料电极。电极包括由导电材料形成的第一波纹部分。第一波纹部分具有第一波纹轴线，并且包括穿过其中的多个孔。第二波纹部分由导电材料形成。第二波纹部分具有从第一波纹轴线偏移的第二波纹轴线，并且包括穿过其中的多个孔。电极附接件将第一和第二波纹部分彼此附接。
本发明的另一方面提供了一种电化学电池，其包括：其上电沉积有金属燃料的上述燃料电极、阴极(诸如空气电极)以及位于燃料电极和阴极之间的离子导电介质。
根据以下详细描述、附图和所附权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图被包含在本说明书中，并且构成本说明书的一部分，图示了本发明的实施例，并且与本说明书一起用于解释本发明的原理。
图1描绘了具有浸入的氧化还原电极的电化学电池的示意图。
图2描绘了具有氧化还原电极的电化学电池的示意图，该氧化还原电极限定了用于电化学电池的边界壁。
图3示出了金属泡沫的表面图像。
图4示出了在金属泡沫的表面上的燃料沉积的截面图。
图5示出了在金属线上的燃料沉积的截面。
图6示出了比图5中所示的小的两根金属线的燃料沉积的截面。
图7示出了枝晶形成的概率相对于燃料沉积的厚度的图示。
图8示出了燃料沉积的厚度相对于安培小时的图示以及针对不同燃料电极的两条线。
图9示出了柔性的金属屏。
图10示出了波纹金属屏，其沿着一个轴线是柔性的并且由相对轴线中的波纹加强。
图11示出了示例性第一波纹部分的透视图。
图12示出了图11中所示的示例性第一波纹部分的波纹轴线端视图。
图13示出了示例性第二波纹部分的透视图。
图14示出了图13中所示的示例性第一波纹部分的波纹轴线端视图。
图15示出了示例性燃料电极的透视图，该燃料电极具有通过分立的附接件附接到第二波纹部分的第一波纹部分。
图16示出了图15中所示的示例性燃料电极的波纹轴线端视图。
图17示出了示例性第一波纹部分的透视图，该第一波纹部分具有的波纹轴线延伸部的截面尺寸大于交叉波纹延伸部的截面尺寸。
图18示出了波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部的截面图。
图19示出了示例性第三波纹部分的透视图。
图20示出了图19中所示的示例性第三波纹部分的波纹轴线端视图。
图21示出了示例性波纹燃料电极的端视图，该波纹燃料电极具有彼此附接并且处于偏移角度的第一、第二和第三波纹部分。
图22示出了示例性波纹燃料电极的端视图，该波纹燃料电极具有的第一、第二和第三波纹部分彼此附接并且处于偏移角度，并且具有不同的波纹振幅和波纹间距。
图23示出了具有穿过波纹薄片材料的分立孔的示例性第一波纹部分的透视图。
图24示出了具有锯齿形波纹或褶皱的示例性第一波纹部分的端视图。
图25示出了处于偏移波纹轴线角度的示例性第一、第二和第三波纹部分。
图26和图27示出了示例性燃料电极的侧视图，该燃料电极具有彼此附接的第一、第二和第三波纹部分以及在相邻波纹部分之间的波纹中所捕获的脱落材料的或枝晶材料。
图28和图29示出了在波纹的波峰和波谷处具有线性段的示例性波纹部分的端视图。
图30示出了由缝合线附接件附接的第一和第二波纹部分，该缝合部附接件沿着第一波纹部分的波谷延伸。
图31示出了由沿着第一波纹部分的波谷的钉附接的第一和第二波纹部分。
图32示出了由沿第一波纹部分的波谷的焊接附接件附接的第一和第二波纹部分。
图33示出了根据一个实施例的用作燃料电极并且与电化学电池中的阴极一起布置的示例性波纹结构的示意性端视图。
图34示出了根据另一实施例的用作燃料电极并且与电化学电池中的阴极一起布置的示例性波纹结构的示意性端视图。
具体实施方式
对应的附图标记贯穿附图的若干视图指示对应的部件。附图表示对本发明的一些实施例的说明，而不应当被解释为以任何方式限制本发明的范围。另外，附图不一定按比例绘制，并且可以夸大某些特征以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应当被解释为限制，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
如本文所使用的，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”、“具有”、“有”或其任何其他变型旨在涵盖非专有的包括。例如，包括元件列表的过程、方法、制图或装置不一定仅限于那些元件，而是可以包括未明确列出的或者这种过程、方法、制图或装置固有的其他元件。而且，“一”或“一个”被用于描述本文所述的元件和部件。这仅仅是为了方便并且给出对本发明范围的一般意义。该描述应当被理解为包括一个或至少一个，并且单数还包括复数，除非显而易见地另有所指。
在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，本说明书将主导。
本文描述了本发明的某些示例性实施例，并且在附图中图示了这些示例性实施例。所描述的实施例仅用于说明本发明的目的，而不应当被解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将想到本发明的其他实施例以及所描述的实施例的某些修改、组合和改进，并且所有这些替换实施例、组合、修改和改进都在本发明的范围内。
电化学电池100的各个部分可以具有任何合适的结构或组成，包括但不限于由塑料、金属、树脂或其组合形成。相应地，电池100可以以任何方式组装，包括由多个元件形成、整体模制等。在各种实施例中，电池100和/或壳体110可以包括来自美国专利号8,168,337、8,309,259、8,491,763、8,492,052、8,659,268、8,877,391、8,895,197、8,906,563、8,911,910、9,269,996、9,269,998和美国专利申请公开号20100316935、20110070506、20110250512、20120015264、20120068667、20120202127、20120321969、20130095393、20130115523和20130115525中的一个或多个的元件或布置，其每个均以其整体内容通过引用并入本文。
图1图示了电化学电池100的示意性截面图。如所示，电化学电池100的部件可以至少部分地被包含在相关联的壳体110中。电池100利用液体离子导电介质124(诸如电解质126)，其被包含在壳体110内并且被配置成在其中循环以在电池100内传导离子。虽然有时离子导电介质在壳体110内(诸如在停滞区域中)可以通常是静止的，但是可以理解，电池100可以被配置成产生离子导电介质的对流。在一些实施例中，离子导电介质的流动可以是由电池100中的析出气体的气泡生成的对流，诸如在上面以其整体通过引用并入的美国专利公开号2013/0115532中所描述的。
尽管在图1的所图示的实施例中，电池壳体被配置成使得氧化还原电极150与氧化还原电极模块160一起被浸入电池室120中，但是可以理解，在各种实施例中，电池100的其他配置或布置也是可能的。例如，在图2中，呈现了电池100的另一实施例(具体地，电池100*)，其中氧化还原电极150*限定了电池室120的边界壁，并且被密封到壳体110*的一部分以便防止其间的离子导电介质的渗出。在一些这种实施例中，下面更详细描述的电池室120中的离子导电介质的对流可以在向上的方向上并且跨燃料电极130的顶部远离氧化还原电极150*。
如图3中所示，现有技术的金属泡沫400具有熔合在一起的金属，以形成具有孔隙404的互连网络。孔隙的尺寸可变。该结构具有内部多孔或内部表面区域402。内部表面区域是延伸到外表面中或者在外表面下方的表面区域。另外，金属泡沫和烧结金属具有不规则形状的孔隙和表面，许多具有粗糙或非常低半径的元件。该结构具有大量尖锐边缘或突起，这可能会导致枝晶的形成。
图4示出了在金属泡沫400上的燃料沉积层300中形成的枝晶310，如本领域公知的。枝晶已经形成于低曲率半径元件409上方，或者形成于从金属泡沫表面的突起上方。如本文所述，从表面的突起和/或尖锐的拐角可以是可能会导致枝晶形成的电荷集中区域。在图4中还示出了可以具有有限的燃料沉积或没有燃料沉积的内部表面区域402。金属泡沫的表面上的燃料沉积层300可以阻挡内部表面区域，并且防止在金属泡沫的内部表面上的燃料沉积。
如前所述，使用这些类型的金属泡沫或3D泡沫作为电极结构的一部分不是最佳或理想的，因为它们导致不规则性、减小的开放区域、具有不期望的角度和/或拐角的粗糙表面以及较低的表面积与体积比。
如图5中所示，燃料电极包括燃料元件或金属线207和燃料沉积层300，燃料元件或金属线207具有直径209，燃料沉积层300围绕线具有厚度302。另外，燃料沉积层中已经形成枝晶310。
如图6中所示，燃料电极包括线207’，线207’具有的直径209’比图5中所示的线小。同样，在线周围存在具有厚度302’的燃料沉积层300。在图6中的每根线207’上的燃料沉积层的厚度小于图5中的燃料沉积层厚度，但是，在图6的燃料电极中存在更多的用于沉积的表面区域，因为可以在相同的总体积中布置较多的直径较小的线。因此，燃料在该较大的表面区域之上以较薄的层展开。
图7示出了枝晶形成的概率相对于燃料沉积的厚度的图示。随着燃料沉积的厚度增加，枝晶形成的概率增加。因此，对于给定量的沉积，图5中所示的燃料电极可能会高于枝晶形成的阈值概率，而图6中所示的燃料电极仍然低于枝晶阈值限制。
图8示出了燃料沉积厚度相对于安培小时的图示以及针对不同的燃料电极的两条线。对于给定数目的安培小时，燃料将被沉积在燃料电极的可用表面区域上，并且具有较大的表面区域的图6中的燃料电极将使燃料沉积层的厚度增长更慢。因此，图6中所示的燃料电极可以在超过枝晶阈值限制之前运行较长时间，因此具有较高的运行容量。但是，图6中的燃料电极包括直径较小的线，因此可能更柔软或易碎，这是不希望的。如本文所述，波纹电极可以用较小直径的线的屏或其他配置来提供足够的刚度。
用于电化学电池的燃料电极包括两个或更多个波纹部分(贯穿本公开还被称为“波纹结构”)，该两个或更多个波纹部分被配置成使它们的波纹轴线互相偏移，并且彼此附接，以产生优选具有高sa/vol的更硬的波纹层压燃料电极。相对于另一波纹部分旋转一个波纹部分的波纹方向增强了燃料电极的结构刚度。另外，可以根据需要最佳地定制波纹燃料电极的开放区域，并且该开放区域可以是均匀的并且提供很小的流动阻力。例如，第一波纹部分可以在电池内竖直地进行配置，其中第一波纹轴线从电池的顶部延伸到底部，并且第二波纹部分可以与第一波纹部分正交地进行配置，其中第二波纹轴线水平延伸或横跨电池延伸。轴线不需要与电池的竖直/水平方向对齐，并且在所示实施例中对这些方向的参考是为了方便。第一和第二波纹部分可以通过附接件彼此附接，由此两个附接的波纹部分彼此支撑和增强，以产生在竖直和水平方向(或者沿着第一波纹轴线以及与第一波纹轴线正交的方向)上以及在扭转时更硬的燃料电极。第二波纹部分可以被配置成处于第二波纹轴线偏移角度，即，其轴线以相对于第一波纹轴线的角度偏移。在一个实施例中，第二波纹轴线偏移角度优选为至少约30度或更大、约45度或更大、约60度、90度或更大或者在所提供的偏移角度之间并且包括所提供的偏移角度的任何范围中。在一个实施例中，第二波纹轴线从第一波纹轴线的偏移在约25度至约90度之间。在一个实施例中，第二波纹轴线从第一波纹轴线偏移约45度。在另一实施例中，第二波纹轴线从第一波纹轴线偏移约90度。在一个实施例中，第一波纹部分和/或第二波纹部分可以被压延或压碎以减小波纹结构和/或燃料电极的厚度。燃料电极可以包括任何合适数目的波纹部分，包括但不限于两个或更多个、三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、十个或更多个以及在所提供的数目之间并且包括所提供的数目的范围中的任何数目。
波纹金属部分可以包括导电材料、基本上由或由导电材料组成，该导电材料包括金属、镍、锌、铜、铝、钢、铂、金、银、钯、电镀金属、镀镍钢、镀镍不锈钢等。考虑电解质的类型、电导率要求以及成本要求，可以选择金属用于特定的电化学应用。
图9示出了由柔性的金属屏297制成的燃料电极200。金属屏在第一轴线296上被卷起，但是还可以在垂直的第二轴线298上被卷起或容易地进行弯曲或弯折。如本文所使用的，一个或多个轴线通常是指与电极的形状相对应的平面的主轴线或XY轴线，而不是厚度的Z方向。波纹轴线更具体地指的是平行于波纹延伸所在的方向的轴线。
如图10中所示，金属屏297呈波纹状，以形成燃料电极的第一波纹部分210。波纹在波纹轴线211上延伸，其中波纹的波峰和波谷与该波纹轴线对齐。波纹部分是柔性的，并且在交叉波纹轴线212上可以容易地被卷起或弯曲，如指示交叉波纹轴线的弯曲双箭头线所示的。然而，第一波纹部分将被加强并且更耐波纹轴线上的弯曲和弯折，因为波纹增加了金属屏在该轴线上的刚度。
编织屏或织物通过编织本身将波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部耦合在一起。网可以包括通过紧固件、粘合剂、焊接(welding)或钎焊(soldering)彼此附接的波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部。焊接的附接件可以是分立的，诸如点焊。焊接附接件包括熔合材料，诸如熔合在一起的第一和第二波纹部分。来自第一波纹部分的金属线可以被焊接到第二波纹部分的金属线以形成焊接附接件。可以施加热和压力以使压缩的部分彼此熔合。还可以使用扩散焊接。扩散焊接是固态焊接工艺，通过该工艺可以将两种可以不相似的金属接合在一起。扩散涉及原子跨接头的迁移(由于浓度梯度)。扩散焊接可以是优选的，因为它不需要常规焊接那么多的加热，并且因此可以产生更稳健的附接件。还可以采用电阻焊接或超声波焊接将第一波纹部分接合到第二波纹部分。
如图11和图12中所示，示例性第一波纹部分210包括在第一波纹轴线211上延伸的波纹轴线延伸部224和在第一交叉波纹轴线212上延伸的交叉波纹延伸部226，第一交叉波纹轴线212与第一波纹轴线正交。在该实施例中，波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部是股线(strand)，诸如具有的长度尺寸比股线的截面尺寸大得多(诸如，至少大10倍)的线。孔222形成在股线之间，以允许离子导电介质或电解质穿过其流动。如图12中所示，第一波纹部分210在第一侧214和第二侧216之间具有第一波纹振幅218或厚度215。示出了波纹间距221或波纹的重复单元的距离。
如图13和图14中所示，示例性第二波纹部分230包括：在第二波纹轴线231上延伸的波纹轴线延伸部244和在第二交叉波纹轴线232上延伸的交叉波纹延伸部246。在该实施例中，波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部是股线，诸如具有的长度尺寸比股线的截面尺寸大得多(诸如，至少大10倍)的线。孔242形成在股线之间，以允许离子导电介质或电解质穿过其流动。如图14中所示，第二波纹部分230在第一侧234和第二侧236之间具有第二波纹振幅238或厚度235。示出了波纹间距241或波纹的重复单元的距离。
如图15和图16中所示，示例性燃料电极200具有波纹结构，该波纹结构包括通过附接件280附接到第二波纹部分230的第一波纹部分210。第一波纹部分具有从第二波纹轴线231偏移约90度的第一波纹轴线211，其中第一和第二波纹部分被配置成关于它们的波纹轴线基本上彼此正交(尽管可以使用其他角度)。分别穿过第一和第二波纹部分222、242的孔或开放空间使电解质能够自由地流过燃料电极以允许高反应速率。如图16中所示，燃料电极200具有从第一外侧204到第二外侧206的厚度205。第一波纹部分210通过附接件280(诸如，在一个分立位置处将两个波纹部分附接在一起的分立的紧固件282)附接到第二波纹部分230。
在示例性实施例中，燃料电极的波纹部分基本上由具有光滑的连续外表面的金属线制成，该外表面优选用于在其上沉积燃料，并且燃料电极的附接件可以由不同于金属线的材料制成。例如，金属线的截面形状可以是圆形或椭圆形，其具有围绕外表面的曲率半径。金属线可以最佳地基本上没有内部表面区域，其中金属线的表面基本上没有任何多孔。股线的直径或最大截面尺寸可以是约0.5mm或更大、约1mm或更大、约2mm或更大、约3mm或更大、约5mm或更大、约8mm或更大以及在所提供的直径之间并且包括所提供的直径的任何范围中。期望具有小直径，因为这将增加用于燃料沉积的表面区域，然而，直径越小，丝网或屏可以越柔性。因此，如本文所述，线或股线直径的组合可以用于波纹部分或从一个波纹部分到另一个波纹部分。
如图17中所示，示例性第一波纹部分210具有波纹轴线延伸部224，其在截面尺寸方面比交叉波纹延伸部226大。图18示出了波纹轴线延伸部224和交叉波纹延伸部226的截面。波纹轴线延伸部具有比交叉波纹延伸部截面尺寸227更大的截面尺寸225。波纹轴线延伸部在直径方面可以更大，以减小用于电流收集的电阻，因为这些股线可以在第一端228或第二端229处与集电器202电耦合，如所示。
定制波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部之间的尺寸和间隙距离的这种能力使得能够可选地定制波纹部分，以具有针对电化学电池系统的优化特性。另外，并非所有波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部在截面尺寸方面必须相同。例如，波纹轴线延伸部的一部分可以是一个直径，并且其余部分在直径方面可以更小。
在一个实施例中，第一和第二波纹部分都可以具有交叉波纹延伸部。根据一个实施例，示例性燃料电极具有彼此附接的第一和第二波纹部分，第二波纹轴线偏离第一波纹轴线，并且第一和/或第二波纹部分的交叉波纹延伸部可以延伸到集电器(例如，202)。在一个实施例中，在该燃料电极中，第二波纹轴线可以在从所述第一波纹轴线偏离约45度至约90度(包括两端点)之间。在一个实施例中，在燃料电极中，第一波纹部分的波纹轴线延伸部在截面尺寸方面大于第一波纹部分的交叉波纹延伸部。在一个实施例中，第二波纹部分的交叉波纹延伸部在截面尺寸方面大于第二波纹部分的波纹轴线延伸部。
如图19和图20中所示，示例性的第三波纹部分250包括：在第三波纹轴线251上延伸的波纹轴线延伸部264和在第三交叉波纹轴线252上延伸的交叉波纹延伸部266。在该实施例中，波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部是股线，诸如具有的长度尺寸比股线的截面尺寸大得多(诸如，至少大10倍)的线。孔262形成在股线之间，以允许离子导电介质或电解质穿过其流动。如图20中所示，第三波纹部分250在第一侧254和第二侧256之间具有第三波纹振幅258或厚度255。示出了波纹间距261或波纹的重复单元的距离。第三波纹部分具有波纹波峰275和波纹波谷276，其中相对于竖直轴线287(还被称为厚度方向或Z-轴线)，波峰是波纹的最高点，且波谷是波纹的最低点，并且波纹部分垂直于所述竖直轴线287延伸。
如图21中所示，示例性燃料电极200具有波纹结构，该波纹结构包括彼此附接的第一波纹部分210、第二波纹部分230和第三波纹部分250。第一和第三波纹部分与对齐的第一和第三波纹轴线对齐。第二波纹部分被配置在第一和第三波纹部分之间，并且具有与第一和第三波纹轴线偏移90度的波纹轴线。第一和第三波纹部分通过附接件280(分立的紧固件283和粘合剂281)彼此附接。粘合剂被附接到两个相邻的波纹部分，并且可以在波纹部分的股线周围延伸并封装该股线。
如图22中所示，示例性燃料电极200具有波纹结构，该波纹结构包括彼此附接的第一波纹部分210、第二波纹部分230和第三波纹部分250。像图21一样，第一和第三波纹部分210、250与对齐的第一和第三波纹轴线对齐。第二波纹部分230被配置在第一和第三波纹部分210、250之间，并且具有与第一和第二波纹轴线偏移90度的波纹轴线。第一和第三波纹部分通过分立的附接件282附接到第二部分230的相对侧。然而，三个波纹部分的振幅和波纹间距均彼此不同。例如，这可以在一侧提供比另一侧更大的表面积，或者在一个方向上提供比另一个方向更大的刚度来完成。在具有多个波纹部分的任何实施例中，每相邻对的波纹方(party)可以使其波纹轴线彼此成角度地偏移，而交替的波纹方的轴线可以偏移或对齐。
在另一实施例中，第二或第三波纹部分230、250中的一个可以被配置成与第一波纹部分210成45度偏移角度，而另一波纹部分被配置成与第一波纹部分210成90度偏移角度。在又一实施例中，燃料电极可以最佳地包括具有30度的偏移角度的四个波纹部分，其中当竖直地配置第一波纹部分时，其余波纹部分中的一个波纹部分被配置成具有约30度的偏移角度、一个波纹部分被配置成具有约60度的偏移角度，并且最后的波纹部分被配置成具有约90度的偏移角度。在该实施例中，燃料电极可以在多个方向上被加强，以防止偏斜和折曲。
波纹部分可以具有波纹或锯齿形的褶皱，其具有线性波纹段，由此每个波纹形成大致三角形的形状。波纹可以是弯曲的，或者具有一个或多个半径部分。在示例性实施例中，波纹具有类似正弦波或修改的正弦波形状的波形。波纹可以由正弦波形状组成，其被修改为接近梯形波形。波纹可以具有沿波纹的波峰和波谷延伸的线性部分以及在波峰段和波谷段之间基本上竖直(即在Z方向或单个部分的厚度上)或以相对于竖直的某一偏移角度延伸的连接段。振幅与间距的比率是波纹比，其定义了波纹的紧密或间隔的程度。例如，一的波纹比指的是振幅和间距相等，而二的波纹比指的是波纹的高度是其宽度的两倍。较高的波纹比将产生较高的波纹部分的sa/vol，由此较多的材料在由波纹部分的振幅、宽度和长度的乘积限定的体积内。低波纹比可能不太理想，因为它不会那么硬。通过较高的波纹比来增加在与波纹轴线正交的方向上的波纹部分的刚度。
波纹比还可以影响波纹部分捕获形成物(例如枝晶材料，其可能从波纹部分的表面脱落或掉落)的能力。波纹部分的波纹比可以为约0.25或更高、约0.5或更高、约0.75或更高、约1.0或更高、约1.5或更高、约2.0或更高、约3.0或更高、约5或更高、约10或更高以及在所提供的示例性比率之间并且包括所提供的示例比率的任何比率。根据一个实施例，波纹部分可以具有在约0.25与约10.0之间(包括两端点)的波纹比。在一个实施例中，波纹部分可以具有在约0.25和约5.0之间(包括两端点)的波纹比。在一个实施例中，波纹部分可以具有在约0.25和约5.0之间的波纹比(包括两端点)。在另一实施例中，波纹部分可以具有不大于约3.0(包括端值)的波纹比。实际幅度和间距尺寸可以基于电化学电池的大小来选择，但是在许多情况下将是约0.1cm或更大、约0.25cm或更大、约0.5cm或更大、约1cm或更大、约2cm或更大、约3cm或更大、约5cm或更大以及在所提供的值之间并且包括所提供的值的任何范围的量级。在实施例中，幅度可以在约0.1cm和约3.0cm之间(包括两端点)。在一个实施例中，幅度可以在约0.1cm和约1.5cm之间(包括两端点)。在一个实施例中，间距可以在约0.1cm和约3.0cm之间(包括两端点)。在一个实施例中，幅度可以在约0.1cm和约1.5cm之间(包括两端点)。
如图23和图24中所示，示例性第一波纹部分210包括波纹的材料薄片223，其具有穿过材料薄片的孔222。材料薄片可以是金属薄片。波纹是锯齿形的，具有线性段271、272，线性段271、272形成三角形波纹270或褶皱段。波纹在第一波纹轴线211上延伸，并且交叉波纹轴线212与第一波纹轴线正交或垂直。在非限制性实施例中，孔222沿第一波纹段271穿过波纹薄片形成，而不是沿第二波纹段272形成，并且允许离子导电介质或电解质穿过其流动。可以选择孔的位置、数目或面密度和形状，以提供合适的穿过其的电解质流。另外，可以选择孔的位置以产生通过燃料电极的电解质的流动方向，其中流动可以向上以防止枝晶材料脱落或移动。如图24中所示，第一波纹部分210具有锯齿形波纹或褶皱，其具有线性波纹段。锯齿形波纹具有波纹波峰275和波纹波谷276。第一波纹部分210在第一侧214和第二侧216之间具有第一波纹振幅218或厚度215。示出了波纹间距221或波纹的重复单元的距离以及薄片厚度217。
可以通过冲压、切割、激光切割、水切割等形成孔222。在示例性实施例中，薄片是延展的金属薄片，其中金属薄片被穿孔或切割，然后被拉伸以在薄片材料中形成开口(通常为菱形开口)。延展金属是形成可渗透的金属材料薄片(其可以被波纹化或褶皱化以形成波纹部分)的廉价的方法。
图25示出了示例性的第一波纹部分210、第二波纹部分230和第三波纹部分250，每个波纹部分相对于彼此成偏移波纹轴线角度。第二波纹部分230与第一波纹部分成第二波纹轴线偏移角度233。第三波纹部分250与第一波纹部分成第一-第三波纹轴线偏移角度253，并且与第二波纹部分成第二-第三波纹轴线偏移角度273。在该实施例中，第二波纹部分与第一和第三波纹部分两者都成约45度的偏移角度，使第三波纹部分与第一波纹部分正交。如本文所述，可以出于刚性、流动和/或导电目的来选择偏移角度。
如图26和图27中所示，示例性燃料电极具有波纹结构，该波纹结构具有彼此附接的第一波纹部分210、第二波纹部分230和第三波纹部分250，其中脱落的材料290或枝晶材料292被捕获于相邻波纹部分之间的波纹中。燃料电极具有波纹电极部分，该波纹电极部分在中间具有作为第二波纹部分230的股线，并且图26示出了作为第一和第三波纹部分210、250的、由在外侧具有孔的材料薄片形成的波纹部分。在第一波纹部分210和第三波纹部分250(或外波纹部分)中的孔可以被配置在第二波纹段272中以产生通过燃料电极的向上的流动，如大箭头所指示的。备选地，孔可以仅形成于外波纹部分210、250的第一波纹段271(上段)中，以防止任何脱落的材料290或枝晶材料292落下并且通过孔流出。由于仅在褶皱段的上部上有孔，所以脱落材料可以不能通过波纹部分落到燃料电极的底部203。该选项是有益的，因为它使脱落金属与电极保持接触以进行氧化。燃料电极200的第一端228和第二端229分别在燃料电极的顶部201和底部203处与集电器202、202’电耦合。
如图28和图29中所示，示例性波纹部分210在波纹270的波峰275和波谷276处具有线性段。线性波峰段277和线性波谷段278基本上在交叉波纹轴线方向上延伸，并且通过波峰-波谷连接件279耦合在一起，如图28中所示，波峰-波谷连接件279与竖直轴线成偏移角度288，并且如图29中所示，波峰-波谷连接器279基本竖直。这些类型的波纹可以提供关于交叉波纹轴线的高水平的刚性。
图30示出了由缝合线附接件286附接的第一波纹部分210和第二波纹部分230，缝合线附接件286沿着第一波纹部分的波纹波谷276延伸。缝合线附接件是连续附接件284的一个示例(与在间隔开的点处的分立附接件相对)。缝合线沿着第一波纹部分210的波纹轴线211延伸。缝合部可以向下延伸，并且将第二波纹部分230的波峰275’拉到第一波纹部分的波谷276，以将两个波纹部分牢固地附接在一起。
连续缝合的接缝可以最佳地包括由将第一和第二波纹部分联接在一起连续的缝线形成的至少10个缝合部。缝线可以是合成材料，诸如在电解质中基本上不反应的聚合物材料，诸如含氟聚合物、聚丙烯等。缝线可以是导电材料，诸如将第一和第二波纹部分物理地和电气地耦合在一起的金属线。缝线可以以分立或连续的方式缝合，以将第一和第二波纹部分连接在一起。缝线可以是非独立式的柔软材料，由此，当施加小的压缩或弯曲负载(诸如重力)时，缝线将不会保持形状。例如，当未被表面支撑时，缝线可能会弯曲和变形。
图31示出了通过沿着第一波纹部分的波纹波谷276的、作为分立附接件的钉294而附接的第一波纹部分210和第二波纹部分230。钉可以从第一波纹部分的波谷延伸到波峰中，或者接近第二波纹部分的波峰，其中第二波纹部分的波峰与第一波纹部分的波谷相邻。可以使用任何数目的钉来将第一波纹部分附接到第二波纹部分，并且钉可以将第一和第二波纹部分电耦合在一起。
钉可以是金属或导电材料，其物理地和可选地电气地将第一和第二波纹部分耦合在一起。例如，钉可以沿着第一波纹部分的波谷而被附接到第二波纹部分。钉可以是独立的，其中钉在小负载(诸如重力)下保持形状。
图32示出了第一波纹部分210和第二波纹部分230，第一波纹部分210和第二波纹部分230由沿着第一波纹部分的波纹波谷276配置的分立焊接附接件295附接。焊接附接件可以是点焊，其在分立的位置或点处将第一和第二波纹部分附接在一起。第一波纹部分210的线298可以与第二波纹部分230的线299焊接。可以使用任何数目的焊接附接件295将第一波纹部分附接到第二波纹部分，并且焊接附接件可以将第一和第二波纹部分电耦合在一起。
导电附接件(诸如，焊接缝合部或缝合线中的缝线或钉)可以提供在两个波纹部分之间的电连接，并且因此减小电阻，这可以促进均匀的燃料沉积。
本文公开的任何实施例可以包括压延或压碎的波纹部分。在一个实施例中，两个或更多个波纹部分可以一起被压延或压碎以减小波纹结构的厚度，并且因此减小燃料电极的厚度。例如，在将波纹部分相对于彼此成角度定位之后，可以对结构施加压力(例如，经由机械按压或其他压力施加装置)以压碎波纹部分的例如波纹轴线延伸部和/或交叉波纹延伸部。在一个实施例中，波纹部分中的一些延伸部的至少一部分在压延或压碎之后是非线性的和/或从其原始结构配置进行改变或变形。在一个实施例中，波纹结构的厚度从其原始厚度(即，在压力被施加到波纹部分之前的厚度)减小约5％至约50％。在一个实施例中，波纹结构的厚度从其原始厚度(即，在压力被施加到波纹部分之前的厚度)减小约10％至约20％。
压碎或压延波纹部分提供了许多益处，包括减小波纹结构/燃料电极的厚度、增加每单位厚度的表面积以及更高的表面积与体积比。压碎或压延的波纹部分还可以改进性能。对于给定的电极表面积和给定的电极间间隙(例如，空气阴极与阳极/燃料电极的近侧之间的距离)，减小厚度可以允许燃料电极的质心移动更接近于其他电极(即，OEE(析氧电极)，或充电期间的其他充电电极，或放电期间的空气阴极)，同时保持相同的总燃料装载/容量。这减少了通过电解质的总IR降，从而降低了充电期间的电池电压并且在放电期间增加了电池电压。备选地，针对给定厚度和电极间间隙，增加表面积将由于较低的电流密度而降低过电位，从而导致改进的电池电压。在使用压碎/压延的波纹结构时，还可以改进循环。例如，如果燃料电极的质心不变，则减小的厚度意味着增加的电极间间隙，这可以有助于循环性并且降低短路的趋势和概率，而不会不利地影响性能(即电池电压)。增加面积/单位厚度还可以导致燃料电极的更均匀的电镀(充电)和氧化(放电)，因为电极间隙中的差异(即，如在燃料电极的前侧和背侧之间测得的)减小。
另外，如果波纹结构的总表面区域增加并且被压碎至与下表面区域、未压碎的阳极/燃料电极相同的厚度，则可以增加和改进在阳极上的燃料的装载(即，总质量或电池容量)。当电解质中的燃料物质的浓度也增加时，这导致能量密度增加。另外，在保持相同装载的同时增加电极面积可以导致降低的充电和放电电流密度。这倾向于增加性能和可循环性，同时仍然保持足够大的电极间间隙，这对于良好的循环是关键的。对于给定容量，较高的表面积还降低了平均膜厚度、膜厚度不均匀性以及相关联的膜应力，这对于实现良好的循环是重要的。
除波纹结构能够减少短路之外，压碎/压延的波纹结构还可以通过减少可能从燃料电极的表面脱落并且进入离子导电介质和壳体中的枝晶的量和大小来进一步降低电池对短路的敏感性。
另外，如贯穿本公开内容一般地指出的，本文描述的(多个)波纹结构(即，相对于彼此以偏移角度组装的两个或更多个波纹部分，例如，第一和第二波纹部分)不仅提供可以用作燃料电极的、具有高表面积与体积比的刚性结构，还允许定制燃料电极设计。例如，(线或元件的)直径、编织密度(例如，每英寸的线)、波纹振幅和/或间距、接合/附接在一起的波纹屏/部分的定向和/或数目可以被变更以改变并且定制任意数目的特征，包括：表面积与体积比、结构导电率、开放区域分数、波纹结构刚度或强度(抗弯折性)、开放空隙分数、结构厚度和总项目结构表面积。使用平滑部分或线还可以导致更平滑的燃料沉积和更好的电池循环。
本文描述的波纹结构的任何实施例可以用作电化学电池中的燃料电极/阳极，该电化学电池具有阴极和连通燃料电极的离子导电介质。图33示出了根据一个实施例的电化学电池中的作为相对于阴极(例如，空气电极)和任何其他电极(例如，OEE)的燃料电极/阳极(所有这些与离子导电介质一起被提供在电池壳体中)而提供的波纹结构(例如，如图16中所示)的示例布置。集电器(例如202)或汇流条被附接到邻近波纹部分(或屏)，即最靠近阴极的波纹结构的部分。
另外，由于所公开的波纹结构的实施例中的每个实施例是复合结构(由经由点焊、钉、缝合部等耦合在一起的个体波纹屏组装而成)，因此通过和跨越波纹结构的电导可以是通过以下方式改变：例如(i)耦合具有不同电阻(即，不同间距和/或直径)的个体屏，(ii)如何汇集结构((例如，将所有屏汇集在一起、仅汇集靠近OEE或阴极的屏、仅汇集远离OEE或阴极的屏)，和/或(iii)改变个体屏之间的附接点的类型和/或密度。这可以进一步允许控制阳极/燃料电极上的燃料分布，这对于改进循环性可以是有利的。例如，如图34中所示，与图33中所示的相比，在颠倒的配置中，波纹结构作，可以被提供或组装为燃料电极/阳极；即，波纹结构可以与阴极和任何其他电极(例如，OEE)被布置在电池中，使得集电器(例如，202)或汇流条仅被附接到远端波纹部分(或屏)，即，最远离阴极的波纹结构的部分，或者换句话说，在相对于距阴极最近的一侧的结构的相对侧或外侧上的波纹部分。以这种方式组装阳极/燃料电池可以改进电池内的循环。
当在本文中使用时，术语“波峰”和“波谷”用于便于参考附图，并且不旨在暗示在两个或任何特定定向之间必然存在任何结构差异，因此不要求“波峰”竖直地高于任何“波谷”。因此，这些术语应当被解释为表示燃料电极的特定定向。它们还可以被称为第一侧和第二侧上的波峰，因为波谷基本上是相对侧上的波峰。无论使用何种术语，都仅仅是为了便于参考附图。在许多实施例中，燃料电极将处于竖直方向。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改、组合和变型。可以以任何合适的方式修改和/或组合本文描述的特定实施例、特征和元件。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改、组合和变型，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。
波纹部分的开放区域百分比(开放的或者由孔表示的区域的百分比)可以关于所需的通过波纹部分的流量以及波纹部分的其他因素(包括波纹比、振幅和间距尺寸)进行最佳设计。示例性波纹部分或波纹燃料电极可以具有约50％或更多、75％或更多、约85％或更多、约90％或更多、约95％或更多和在所提供的开放区域百分比之间并且包括所提供的开放区域百分比的任何范围的开放区域百分比。根据一个实施例，(多个)波纹部分和/或波纹燃料电极可以具有在约50％至约95％(包括两端点)之间的开放区域百分比。波纹电极可以具有从第一侧到第二侧完全穿过电极延伸的开放区域，因此可以通过所述开放区域从第一侧到第二侧绘制直线。波纹部分或燃料电极可以是有效地可渗透的，以允许电解质穿过其流动。在一个实施例中，用于形成燃料电极的波纹部分中的每个波纹部分可以具有较大的开放区域百分比，在其组装(和偏移)之后，燃料电极具有比个体波纹部分小的开放区域百分比。例如，在一个实施例中，波纹部分中的每个波纹部分可以具有约50％至95％的开放区域百分比；根据一个实施例，使用所述波纹部分形成的燃料电极可以具有约5％至约80％的开放区域百分比。在一个实施例中，波纹部分和/或燃料电极可以具有穿过材料平面的在约100弗雷泽(Frazier)和约500弗雷泽之间(包括所提供的弗雷泽值)的渗透率。
由彼此附接的两个或更多个波纹部分制成的燃料电极可以具有高的体积空隙分数(作为开放空间的由燃料电极限定的体积的百分比)，以实现穿过其的电解质的良好的传输和流动。燃料电极的体积由燃料电极的外部尺寸厚度、长度和宽度的乘积限定。示例性波纹部分可以具有约75％或更高、约85％或更高、约90％或更高、约95％或更高和在所提供的百分比之间并且包括所提供的百分比的任何范围的体积空隙分数。在一个实施例中，燃料电极具有在约80％至99.5％(包括两端点)之间的体积空隙分数。在另一实施例中，燃料电极具有在约90％至约99.5％(包括两端点)之间的体积空隙分数。在又一实施例中，燃料电极具有在约95％至约99.5％(包括两端点)之间的体积空隙分数。
期望使波纹部分和/或燃料电极的每体积的反应表面积(sa/vol)最大化，并且实现离子流体或电解质的有效交换。示例性波纹部分或波纹燃料电极可以最佳地具有约0.5或更大、约1或更大、约5或更大、约10或更大和在所提供的sa/vol之间并且包括所提供的sa/vol的任何范围的表面积与体积比(sa/vol)。在一个实施例中，(多个)波纹部分和/或燃料电极具有在约0.25至约30之间(包括两端点)的sa/vol。在另一实施例中，(多个)波纹部分和/或燃料电极具有在约1.0至约10之间(包括两端点)的sa/vol。在又一实施例中，(多个)波纹部分和/或燃料电极具有在约2.0至约6.0之间(包括两端点)的sa/vol。在一个实施例中，(多个)波纹部分和/或燃料电极具有约1.0的sa/vol。在一个实施例中，(多个)波纹部分和/或燃料电极具有约3.0的sa/vol。该值(sa/vol)可以通过考虑线的直径和在长度和宽度两个方向上的每单位长度的线的数目以及波纹电极所占据的体积(诸如附接的波纹部分的振幅乘以由电极占据的面积(长度和宽度))来近似计算。例如，利用圆形截面线的、大小为24cm×27cm×0.6cm的编织屏具有约1400cm2的表面积和约389cm3的体积。该示例具有约3.6cm2/cm3的sa/vol。具有第一和第二波纹部分(由编织屏制成，该编织屏具有直径为约3mm的圆形截面线以及间距为5mm的大致方形开口)的示例性波纹电极的密度为约0.065g/cc或者固体镍的密度的0.8％。
因此可以看出，已经完全且有效地实现了本公开的特征。然而，应当认识到，前述优选的特定实施例是出于说明本公开的功能和结构性原理的目的而示出和描述的，并且可以在不脱离这种原理的情况下进行改变。因此，本公开涵盖所附权利要求的精神和范围内的所有修改。

Claims (25)

1.一种用于电化学电池的燃料电极，包括：
a)由导电材料形成的第一波纹部分，所述第一波纹部分具有第一波纹轴线，并且包括穿过所述第一波纹部分的多个孔；
b)由导电材料形成的第二波纹部分，所述第二波纹部分具有第二波纹轴线，并且包括穿过所述第二波纹部分延伸的多个孔，所述第二波纹轴线从所述第一波纹轴线偏移；以及
c)电极附接件，将所述第一波纹部分和所述第二波纹部分彼此附接。
2.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第二波纹轴线从所述第一波纹轴线的所述偏移在约25度至约90度之间。
3.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第二波纹轴线从所述第一波纹轴线偏移约45度。
4.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第二波纹轴线从所述第一波纹轴线偏移约90度。
5.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分包括在约0.5至约10.0之间的表面积与体积比(sa/vol)。
6.根据权利要求1所述的燃料电极，具有在约0.25至约30.0之间的表面积与体积比(sa/vol)。
7.根据权利要求6所述的燃料电极，具有约1.0至约10.0的表面积与体积比(sa/vol)。
8.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分包括在约50％至约95％之间的开放表面面积。
9.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述燃料电极具有在约90％至约99.5％之间的体积空隙率。
10.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分中的至少一个波纹部分包括薄片，所述薄片具有穿过所述薄片的所述孔，其中所述薄片具有基本均匀的厚度。
11.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分中的至少一个波纹部分包括屏。
12.根据权利要求11所述的燃料电极，其中所述屏是编织屏。
13.根据权利要求11或12所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分包括波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部。
14.根据权利要求13所述的燃料电极，其中所述波纹轴线延伸部和交叉波纹延伸部是线。
15.根据权利要求13所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分两者都是屏，并且所述第一波纹部分的所述波纹轴线延伸部延伸并且连接到集电器。
16.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分具有第一波纹比，并且所述第二波纹部分具有第二波纹比，其中所述第一波纹比和所述第二波纹比两者都大于0.75并且不大于约5.0。
17.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述附接件是缝合部。
18.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述附接件包括钉，所述钉从所述第一波纹部分围绕所述第二波纹部分的一部分延伸。
19.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述附接件包括焊接附接件，所述焊接附接件包括被熔合到所述第二波纹部分的所述第一波纹部分。
20.根据权利要求1所述的燃料电极，还包括：
a)由导电材料形成的第三波纹部分，所述第三波纹部分具有从所述第二波纹轴线偏移的第三波纹轴线，并且具有穿过所述第三波纹部分延伸的多个孔；
其中所述第三波纹部分与所述第一波纹部分和所述第二波纹部分通过所述电极附接件彼此附接。
21.根据权利要求1所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分均为金属屏。
22.根据权利要求14所述的燃料电极，其中所述线基本上没有内部表面区域。
23.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电极，其中所述第一波纹部分和所述第二波纹部分被压延或压碎在一起。
24.一种电化学电池，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的燃料电极；
阴极；以及
离子导电介质，连通所述燃料电极和所述阴极。
25.根据权利要求23的电化学电池，其中所述电池是金属-空气电池，并且所述阴极是空气电极。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112786901A (zh) * 2021-03-02 2021-05-11 上海交通大学 一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法
CN113745526A (zh) * 2020-05-28 2021-12-03 夏普株式会社 金属空气电池

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2021273504A1 (en) * 2020-05-15 2022-12-15 Nuvera Fuel Cells, Inc. Undulating structure for fuel cell flow field

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0229473A1 (en) * 1985-12-16 1987-07-22 Imperial Chemical Industries Plc Electrode
EP0813261A2 (en) * 1996-05-17 1997-12-17 Katayama Special Industries, Ltd. Metal sheet for electrode substrate of battery can
US5750289A (en) * 1994-07-27 1998-05-12 Kejha; Joseph B. Lightweight current collectors and carriers
US5780186A (en) * 1996-05-09 1998-07-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High performance zinc anode for battery applications
US20100040926A1 (en) * 2008-06-23 2010-02-18 Nuvera Fuel Cells, Inc. Consolidated fuel cell electrode
US20140087147A1 (en) * 2012-09-27 2014-03-27 Eastman Chemical Company Self-corrugating laminates and methods of making them
US20150214591A1 (en) * 2012-08-28 2015-07-30 Sharp Kabushiki Kaisha Metal-air cell
US20160111729A1 (en) * 2013-06-07 2016-04-21 Jenax Inc. Electrode, method of fabricating the same, and battery using the same
CN105789552A (zh) * 2014-12-15 2016-07-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌/空气电池用锌阳极
KR20160108938A (ko) * 2015-03-09 2016-09-21 (주)엘라켐 금속공기연료전지에 적용되는 섬유형 금속음극

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US956252A (en) * 1909-09-09 1910-04-26 Patented Specialties Company Display-folder.
US3615845A (en) * 1968-12-31 1971-10-26 Texas Instruments Inc Fuel cell electrolyte control
DE2656083C3 (de) * 1976-12-10 1982-02-18 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Stützgerüst für Elektrolyträume in elektrochemischen Zellen und Wasserabreicherungszellen
US5227256A (en) 1989-05-03 1993-07-13 Institute Of Gas Technology Fully internal manifolded fuel cell stack
IT1270878B (it) * 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
US6379833B1 (en) 1998-08-07 2002-04-30 Institute Of Gas Technology Alternative electrode supports and gas distributors for molten carbonate fuel cell applications
ITMI20012538A1 (it) * 2001-12-03 2003-06-03 Uhdenora Technologies Srl Collettore di corrente elastico
US6835027B1 (en) * 2003-11-05 2004-12-28 Billy Glass Staple for securing geo-textile material to the ground
ITMI20071375A1 (it) * 2007-07-10 2009-01-11 Uhdenora Spa Collettore di corrente elastico per celle elettrochimiche
DE102009004031A1 (de) * 2009-01-08 2010-07-15 Bayer Technology Services Gmbh Strukturierte Gasdiffusionselektrode für Elektrolysezellen
CN105209666B (zh) * 2013-03-13 2017-11-10 流体公司 用于具有电沉积燃料的电化学电池的协同性添加剂
US10854883B2 (en) * 2014-10-16 2020-12-01 Energizer Brands, Llc Buckling resistant current collector
US10290891B2 (en) 2016-01-29 2019-05-14 Primus Power Corporation Metal-halogen flow battery bipolar electrode assembly, system, and method

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0229473A1 (en) * 1985-12-16 1987-07-22 Imperial Chemical Industries Plc Electrode
US5750289A (en) * 1994-07-27 1998-05-12 Kejha; Joseph B. Lightweight current collectors and carriers
US5780186A (en) * 1996-05-09 1998-07-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High performance zinc anode for battery applications
EP0813261A2 (en) * 1996-05-17 1997-12-17 Katayama Special Industries, Ltd. Metal sheet for electrode substrate of battery can
US20100040926A1 (en) * 2008-06-23 2010-02-18 Nuvera Fuel Cells, Inc. Consolidated fuel cell electrode
US20150214591A1 (en) * 2012-08-28 2015-07-30 Sharp Kabushiki Kaisha Metal-air cell
US20140087147A1 (en) * 2012-09-27 2014-03-27 Eastman Chemical Company Self-corrugating laminates and methods of making them
US20160111729A1 (en) * 2013-06-07 2016-04-21 Jenax Inc. Electrode, method of fabricating the same, and battery using the same
CN105789552A (zh) * 2014-12-15 2016-07-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌/空气电池用锌阳极
KR20160108938A (ko) * 2015-03-09 2016-09-21 (주)엘라켐 금속공기연료전지에 적용되는 섬유형 금속음극

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113745526A (zh) * 2020-05-28 2021-12-03 夏普株式会社 金属空气电池
CN112786901A (zh) * 2021-03-02 2021-05-11 上海交通大学 一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
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