CN111971833A - 燃料电池板和流动结构设计 - Google Patents

Abstract

电化学电池堆具有沿着纵轴堆叠的电化学电池。电化学电池具有膜电极组件(MEA)，膜电极组件具有阴极催化剂层、阳极催化剂层、以及阴极催化剂层和阳极催化剂层之间的聚合物膜。电化学电池具有其间插置有MEA的阳极板和阴极板以及阴极板与催化剂层之间的阴极流场。阳极板或阴极板由未涂覆的316不锈钢形成。阴极板或阳极板的各部分的算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。阴极流场是多孔结构。多孔结构面向MEA的一侧的表面区域是光滑的，并且与MEA的子垫圈对齐。

Description

燃料电池板和流动结构设计

本申请要求于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,223号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及电化学电池，更具体地，涉及具有板和流动结构表面设计改进的电化学电池。

背景技术

通常分为燃料电池或电解电池的电化学电池是用于根据化学反应生成电流或使用电流流动引发化学反应的设备。例如，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)的化学能转化为电以及热和水的废产物。基本燃料电池包括带负电的阳极、带正电的阴极、以及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。例如，质子交换膜(PEM)燃料电池利用聚合物离子传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极处电化学分解为电子和质子(氢离子)。然后，电子流经电路到达阴极并且发电，而质子则通过电解质膜扩散到阴极。在阴极处，氢质子与(供应到阴极的)电子和氧气结合以产生水和热量。

电解电池表示反向操作的燃料电池。当施加外部电势时，基本电解电池通过将水分解为氢气和氧气而充当氢气发生器。氢燃料电池或电解电池的基本技术可以应用于电化学氢操纵，诸如电化学氢压缩、纯化或膨胀。电化学氢操纵已经成为传统上用于氢管理的机械系统的可行备选方案。氢作为能源载体的成功商业化以及“氢经济”的长期可持续发展在很大程度上取决于燃料电池、电解电池和其他氢操纵/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生成约1伏特。为了获得期望电功率量，对各个燃料电池进行组合以形成燃料电池堆，其中燃料电池顺序堆叠在一起。每个燃料电池可以包括阴极、电解质膜、以及阳极。阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”或“MEA”，其通过双极板通常支撑在两侧上。反应气体或燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，空气或氧)通过流场供应到MEA的电极。除了提供机械支撑外，双极板(也称为流场板或分离器板)把堆中的各个电池物理分开，同时电连接它们。通常，燃料电池堆包括歧管和入口端口，其用于将燃料和氧化剂分别引导到阳极流场和阴极流场。燃料电池堆还包括排气歧管和出口端口，其用于排出过量燃料和氧化剂。燃料电池堆还可以包括歧管，其用于循环冷却剂流体以帮助排出燃料电池堆所生成的热量。

需要不断在降低制造成本的同时改善燃料电池的可靠性、性能特点和稳固性。例如，通常期望减小燃料电池堆中的部件之间的接触阻力，这可以增加燃料电池堆内发生化学反应的速率。在一些现有的燃料电池堆中，已经对电池内的板进行了涂覆以降低接触阻力。然而，涂覆板通常增加了燃料电池堆的制造成本。在一些情况下，施加涂层以减小接触阻力可能会导致成本过高。因此，可能期望这种涂层的备选物。

附加地，为了防止燃料和/或氧化剂通过燃料电池的MEA泄漏(例如，交叉)，已经利用包围MEA的一个或多个垫圈来分离阳极室和阴极室。然而，为了避免或减少垫圈被相邻结构(例如，流场结构)刺穿的风险，已经增加了垫圈的厚度，但这可能导致燃料电池的整体厚度和/或体积增加。因此，可能期望使用更厚的垫圈来防止垫圈刺穿的备选方法。

发明内容

所公开的燃料电池板和流动结构设计旨在克服上文所提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

在一个方面中，本公开涉及一种电化学电池堆。电化学电池堆可以包括沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池还可以包括阳极板和阴极板，其中阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件。阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间。阴极流场可以包括多孔结构。阳极板可以限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。阳极板或阴极板中的至少一个可以由未涂覆的316不锈钢合金形成。阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约13μin至约28μin。阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约5μin至约35μin。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括阳极板，阳极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括阴极板上一个或多个表面的一个或多个部分，其算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括阴极板上一个或多个表面的一个或多个部分，其算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括阴极板，阴极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。多个电化学电池中的一个或多个电化学电池可以包括多孔结构，多孔结构在多孔结构的第一侧上具有一个或多个光滑表面区域，其中一个或多个表面区域面向膜电极组件，并且一个或多个表面区域与膜电极组件的子垫圈对齐。多孔结构的第一侧可以是光滑的，使得第一侧的算术平均粗糙度小于约100μin，并且第一侧可以面向膜电极组件。

在另一方面中，本公开涉及一种电化学电池。电化学电池可以包括膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。电化学电池还可以包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件，并且阴极板与阴极催化剂层相邻定位。电化学电池可以包括位于阴极板与阴极催化剂层之间的阴极流场，其中阴极流场包括多孔结构。阳极板可以限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。阳极板或阴极板中的至少一个可以由未涂覆的316不锈钢合金形成。阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约13μin至约28μin。阳极板上一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约5μin至约35μin。电化学电池可以包括阳极板，阳极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。阴极板上一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约13μin至约28μin。阴极板上一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度可以为约5μin至约35μin。电化学电池可以包括阴极板，阴极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。多孔结构可以在多孔结构的第一侧上具有一个或多个光滑表面区域。一个或多个表面区域可以面向膜电极组件。一个或多个表面区域可以与膜电极组件的子垫圈对齐。

在另一方面中，本公开涉及一种具有位于阴极板与膜电极组件之间的阴极流场的电化学电池。阴极流场可以包括多孔结构。多孔结构的第一侧上的一个或多个表面区域可以是光滑的。第一侧可以面向膜电极组件，并且一个或多个表面区域中的至少一个表面区域可以与膜电极组件的子垫圈对齐。多孔结构的整个第一侧可以是光滑表面。一个或多个表面区域的算术平均粗糙度小于约100μin。多孔结构的第二侧可以具有凹入到多孔结构的面对阴极板的表面中的第一阴极分布通道和第二阴极分布通道。多孔结构可以包括在整个第一阴极分布通道和第二阴极分布通道中形成的多个支撑特征。多孔结构可以至少包括镍、锡和铬。多孔结构可以包括质量的约60％至质量的约80％的镍浓度和质量的约20％至质量的约40％的铬浓度，并且多孔结构的至少一个表面可以包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。多孔结构可以具有约3％至约6％的铬浓度、约10％至约20％的锡浓度、以及约74％至约87％的镍浓度。多孔结构的至少一个表面可以包括质量的约10％至质量的约45％的铬浓度。多孔结构的第一表面的铬浓度可以高于相对的第二表面的铬浓度。第一表面的铬浓度范围可以为质量的约3％至质量的约50％，并且第二表面的铬浓度小于质量的约3％。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并且不约束本公开。

附图说明

并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据示例性实施例的堆叠在一起的多个电化学电池(例如，燃料电池)的示意性侧视图。

图2是根据示例性实施例的图1的相邻燃料电池的各个部分的局部分解侧视图。

图3是根据示例性实施例的图2的阳极板的正视图。

图4是根据示例性实施例的图2的阴极板的正视图。

图5是根据示例性实施例的图2的阴极流场的正视图。

图6是根据示例性实施例的图2的阴极流场的后视图。

具体实施方式

现在，详细参考本公开的当前示例性实施例，附图中对其示例进行说明。在所有附图中，相同的附图标记用于是指相同或相似的部件。尽管关于用于发电的电化学电池进行了描述，但是应当理解，本公开的设备和方法可以与各种类型的燃料电池和电化学电池一起使用，这些类型的燃料电池和电化学电池包括但不限于电解电池、氢净化器、氢膨胀器、以及氢泵。

在整个说明书中，术语“大体上平行”和“大体上垂直”可以用于描述一个或多个部件相对于轴线、平面或其他部件的布置。当将布置描述为“大体上平行”或“大体上垂直”时，可以容许的平行和垂直的偏移程度可以发生变化。可允许偏移可以是例如小于约20度的偏移，诸如小于约10度的偏移、小于约5度的偏移、小于约3度的偏移、小于约2度的偏移、以及小于约1度的偏移。

图1是根据示例性实施例的多个电化学电池(例如，燃料电池10沿着纵轴5堆叠在一起以形成燃料电池组11的至少一部分)的示意性侧视图。燃料电池10可以包括阴极催化剂层12(本文中还可以称为阴极)、阳极催化剂层14(本文中还可以称为阳极)以及插置于阴极催化剂层12与阳极催化剂层14之间的质子交换膜(PEM)16(可以统称为膜电极组件(MEA)18)。PEM 16可以包括纯聚合物膜或具有其他材料的复合膜，例如，二氧化硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐和磷酸锆可以嵌入聚合物基质中。PEM 16可以透过质子而不会传导电子。阴极催化剂层12和阳极催化剂层14可以包括含有催化剂的多孔碳电极。催化剂材料(例如，其可以是铂、铂-钴合金、非铂系金属)可以增加氧气与燃料的反应。在一些实施例中，阴极催化剂层12和阳极催化剂层14的平均孔径可以为约1μm。

燃料电池10可以包括两个双极板，例如，阴极板20和阳极板22。阴极板20可以与阴极催化剂层12相邻定位，而阳极板22可以与阳极催化剂层14相邻定位。MEA 18插置并围合在阴极板20与阳极板22之间。MEA 18与阴极板20之间可以形成阴极室19，并且MEA 18与阳极板22之间可以形成阳极室21。阴极板20和阳极板22可以用作集电器，为燃料和氧化剂提供通向各个电极表面(例如，阳极催化剂层14和阴极催化剂层12)的进入流动通路，并且提供用于除去在燃料电池10操作期间形成的水的流动通路。阴极板20和阳极板22还可以限定用于冷却剂流体(例如，水、乙二醇、或水乙二醇混合物)的流动通路。例如，在相邻燃料电池10的阴极板20与阳极板22之间，可以形成冷却剂室23，冷却剂室23被配置为在相邻燃料电池10之间循环冷却剂流体。燃料电池10所生成的热量可以传递到冷却剂流体，并且通过循环冷却剂带走该热量。阴极板20和阳极板22可以由例如铝、钢、不锈钢、钛、铜、Ni-Cr合金、石墨、或任何其他合适的导电材料制成。

在一些实施例中，例如，如图1所示，燃料电池10还可以包括在MEA 18的每侧上的燃料电池10内的导电气体扩散层(例如，阴极气体扩散层24和阳极气体扩散层26)。气体扩散层24、26可以用作能够在电池内输送气体和液体的扩散介质，在阴极板20、阳极板22和MEA 18之间提供导电，有助于从燃料电池10中除去热量和工艺水，并且在一些情况下，向PEM 16提供机械支撑。气体扩散层24、26可以包括纺织碳布或无纺碳布，其中阴极催化剂层12和阳极催化剂层14涂覆在面向PEM 16的侧面上。在一些实施例中，阴极催化剂层12和阳极催化剂层14可以涂覆到相邻的GDL 24、26或PEM 16上。在一些实施例中，气体扩散层24、26的平均孔径可以为约10μm。

燃料电池10还可以包括位于MEA 18的每侧上的流场。例如，燃料电池10可以包括阴极流场28，阴极流场28可以包括多孔结构，该多孔结构位于阴极板20与GDL 24之间；以及阳极流场30，如本文中进一步描述的，阳极流场30可以由阳极板22形成。流场可以被配置为使得MEA 18的每侧上的燃料和氧化剂能够流过并到达MEA 18。期望这些流场方便燃料和氧化剂均匀分布到阴极催化剂层12和阳极催化剂层14。燃料和氧化剂均匀分布到催化剂层12、14可以提高燃料电池10的性能。GDL 24可以提供对阴极催化剂层12的机械保护免受阴极流场28的影响。

应当理解，尽管图1中的仅一个燃料电池10包括用于阴极催化剂层12、阳极催化剂层14、质子交换膜16、膜电极组件(MEA)18、阴极室19、阴极板20、阳极室21、阳极板22、冷却剂室23、气体扩散层24、气体扩散层26、阴极流场28和阳极流场30的附图标记，但是堆11的其他燃料电池10可以包括相同的元件。

燃料电池堆11还可以包括多个流体歧管31A、31B，多个流体歧管31A、31B沿着燃料电池10的一系列堆叠的阴极板20和阳极板22所限定的纵轴5延伸。流体歧管31A、31B可以被配置为用于向每个燃料电池10的MEA 18供给燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，氧)并且从每个燃料电池的MEA 18排出反应产物(例如，未反应的燃料、未反应的氧化剂以及水)。流体歧管31A、31B还可以被配置为用于通过冷却剂室23供给和排出冷却剂流体。通过流体歧管31A、31B、阴极室19、阳极室21和冷却剂室23的流动方向可以发生变化。例如，在一些实施例中，通过歧管和隔室的流动可以并行，而在其他实施例中，一个或多个流动路径可以逆向。例如，在一些实施例中，通过阳极室21的燃料流动可以与通过阴极室19的氧化剂流动逆向。流体歧管31A、31B可以经由通路和端口流体连接到MEA 18。特定歧管、通路和端口在本文中可以通过“供给”或“排出”以及“入口”或“出口”来标识，但是应当理解，这些标号可以基于流动方向来确定，而流动方向可能会切换。改变流动方向可能会改变这些标号。

图2示出了相邻燃料电池10的各个部分的局部分解侧视图。例如，图2示出了一个燃料电池10A的MEA 18A、GDL 24A和阳极板22以及相邻燃料电池10B的阴极板20、阴极流场28、MEA 18B和GDL 24B。MEA 18A与阳极板22之间可以形成有阳极室21。相邻阳极板22与阴极板20之间可以形成有冷却剂室23。阴极板20与MEA 18B之间可以形成有阴极室19，该阴极室19可以包含阴极流场28。如图2所示，燃料电池10可以包括流体歧管31A，31B，其还可以称为上流体歧管和下流体歧管。流体歧管31A，31B可以沿着纵轴5延伸。MEA 18A，18B可以包括PEM 16周围的子垫圈202。子垫圈202可以由塑料制成。给定MEA(例如，MEA 18A)的子垫圈202可以防止阳极室21内的燃料泄漏到MEA(例如，MEA 18A)的另一侧上的阴极室19中(未示出)。

图3是根据示例性实施例的阳极板22的正视图。图3中可见的一侧是被配置为面向MEA 18的阳极侧(即，阳极催化剂层14和气体扩散层26)并且限定阳极室21的一侧(例如，参见图1和图2)。阳极板22可以包括几个段。这些段可以包括例如第一歧管段31A和第二歧管段31B；分布通道段，诸如第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70；以及阳极流场30。如图3所示，阳极板22可以在第一歧管段31A中包括阳极供给歧管32、阴极排出歧管54以及冷却剂供给歧管56，而第二歧管段31B可以包括阳极排出歧管42、阴极供给歧管44以及冷却剂排放歧管62。应当理解，可以例如通过切换燃料、氧化剂或冷却剂流经燃料电池10的相应流动方向来切换每个歧管的入口和出口的标号。

每个歧管的横截面面积可以发生变化。例如，如图3所示，阴极供给歧管44和阴极排出歧管54的横截面面积可以大于冷却剂供给歧管56和冷却剂排出歧管62的横截面面积，而冷却剂供给歧管56和冷却剂排出歧管62的横截面面积大于阳极供给歧管32和阳极排出歧管42的横截面面积。每个通路的横截面面积可以基于多种变量来确定，这些变量包括例如电池数目、峰值功率操作条件下的电流密度、反应物的设计化学计量、入口冷却剂温度与出口冷却剂温度之间的差异、各个电池的流动阻力、活性区域的大小、流体压力、以及流体流动速率。可以确定一个或多个通路的横截面面积的大小，以便使沿着电化学电池堆的长度的流体压力变化诸如在高流体流动速率期间最小。

第一歧管段31A和第二歧管段31B内的歧管的布置也可以发生变化。如图3所示，歧管的布置可以在第一歧管部31A与第二歧管部31B之间不同。在一个说明性实例中，如图3所示，冷却剂排出歧管56可以位于阳极供给歧管32与阴极排出歧管54之间，而冷却剂供给歧管62可以位于阳极排出歧管42与阴极供给歧管44之间。在一些实施例中，阴极排出歧管54可以在冷却剂排出歧管56的左侧，阳极供给歧管32可以在冷却剂排出歧管56的右侧，而阴极供给歧管44可以在冷却剂供给歧管62的右侧，阳极排出歧管42可以在冷却剂供给歧管62的左侧。将阳极歧管和阴极歧管相对于第一歧管段31A与第二歧管段31B之间的冷却剂歧管的位置交换可能会促进对角交叉逆向流动或“z流动”，而非直通流动。对角交叉逆向流动可以提供燃料和氧化剂在阳极室21和阴极室19中的改进均匀分布，这可以改善燃料电池的性能。因为对角交叉逆向流动可以使所利用的活性区域最大，所以可以改善性能。在z流动模式中，一种或多种反应物从入口到出口的流路径距离可以基本均匀，而与流动路径无关。这种对称性可能导致流体在整个流场中均匀分布和流动。遍及流场30的均匀流动可以导致反应物成分和冷却剂温度的梯度更均匀和/或线性(如下文关于图3所进一步讨论的)，这可以使得电池温度的梯度均匀和/或线性。这可能使得性能更高和/或电池之间的性能变化更低。

冷却剂歧管56、62位于第一流体歧管31A和第二流体歧管31B的中心可能导致冷却剂室的中心区域接收最多的冷却剂流体流动。冷却剂室的中心区域与燃料电池10的活性区域的中心区域相对应。燃料电池10的活性区域的中心区域可能经历增加热量生成和/或趋于高于活性区域的其他区域的操作温度的操作温度。燃料电池10的侧面可以通过环境冷却来辅助。在一些实施例中，燃料电池10的区域倾向于趋于在较高温度下操作的区域可以与接收最多冷却剂流体流的区域相对应。

如图3所示，在第一歧管段31A和第二歧管段31B与阳极流场30之间设置有第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70。第一阳极分布通道68可以被配置为分布经由阳极入口端口36从阳极供给歧管32供应到阳极流场30的燃料。第二阳极分布通道70可以被配置为从阳极流场30收集燃料(例如，未反应的燃料)，并且将燃料通过阳极出口端口38引导到阳极排放歧管42。第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70可以夹在MEA 18与阳极板22之间并且由MEA18和阳极板22限定。如图3所示，第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70的周边可以由表面垫圈43密封。表面垫圈43可以由聚合材料或弹性材料制成，诸如硅树脂、氟橡胶、丁纳橡胶、聚乙烯、聚丙烯、或任何其他合适的密封材料。垫圈的横截面形状可以是矩形、三角形、半圆形、多齿(三角形)、或抛物线形。形状可以通过可接受泄漏率、操作压力、公差补偿或其他重要的密封设计参数来确定。表面垫圈43可以通过诸如注射成型、压缩成型、拾取和放置、机器人分发之类的任何已知方法来施加，并且可以通过成型工艺或借助于压敏粘合剂或热敏粘合剂直接粘合。固化表面垫圈43可以通过诸如热固化、紫外线固化或湿固化之类的已知工艺来完成。在一些实施例中，第一阳极分布通道68的宽度和第二阳极分布通道70的宽度可以大体上等于阳极流场30的宽度。

第一阳极分布通道68可以被配置为使得通过阳极入口端口36供应的燃料可以跨越第一阳极分布通道68分布并且通过多个开口74引导到阳极流场30。在一些实施例中，每个开口74可以被配置为孔口，以对第一阳极分布通道68内的燃料产生一些背压。该背压可以促进燃料在第一阳极分布通道68内的分布，从而确保第一阳极分布通道68完全充满燃料。在一些实施例中，完全充满的第一阳极分布通道68使得燃料能够通过基本上所有开口74递送到阳极流场30的基本上所有通道。在一些实施例中，完全充满的第一阳极分布通道68可以防止燃料沿着穿过阳极流场30的阻力最小的路径流动短路或使其风险减小，这可能由于正在利用的活性区域的减小而降低了燃料电池10的性能。在一些实施例中，可以确定孔口开口74的尺寸以使得能够确保完全充满第一阳极分布通道68所需的最小背压量。如图3所示，第二阳极分布通道70的配置可以与第一阳极分布通道68的配置相同，其中多个孔形开口74流体连接阳极流场30的通道和第二阳极分布通道70。开口74的横截面面积小于阳极流场30中的对应通道的横截面面积。阳极流场30中通道尽管被示为直线路径，但还可以是波浪形路径或之字形路径。阳极流场30中的通道的横截面面积具有通常为正方形、半圆形、抛物线形、或任何其他合适形状。

在组装期间燃料电池10的压缩和在操作期间维持的压缩状态可能会损害分布通道内的流动路径的完整性。例如，燃料电池10的压缩可以导致分布通道的体积减小，这会约束燃料、氧化剂和冷却剂的流动并且增加通过燃料电池10的压降。当燃料电池10被压缩时，为了防止第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70收缩或塌陷或使其最小，第一阳极分布通道68和/或第二阳极分布通道70可以包括整个分布通道中散布的多个支撑特征76。支撑特征76可以形成为阳极板22的集成特征。支撑特征76可以在整个第一阳极分布通道68和第二阳极分布通道70中均匀隔开。

图4是根据示例性实施例的阴极板20的正视图。图4中可见的一侧是被配置为面向相邻阳极板22的一侧(例如，参见图2)。阴极板20可以包括与阳极板22类似的第一歧管段31A和第二歧管段31B。如图4所示，阴极板20可以在第一歧管段31A中包括阳极供给歧管32、阴极排出歧管54以及冷却剂供给歧管56，而第二歧管段31B可以包括阳极排放歧管42、阴极供给歧管44以及冷却剂排放歧管62。应当理解，对于每个歧管，“入口”或“出口”的标号可以例如通过切换燃料、氧化剂或冷却剂流体通过燃料电池10的流动方向来切换。

阴极板20可以包括多个阴极入口端口48，其被配置为经由阴极入口通路46将阴极室19和阴极流场28与阴极供给歧管44流体连接。阴极板20还可以包括多个阴极出口端口50，其被配置为经由阴极出口通路52将阴极室19和阴极流场28与阴极排放歧管54流体连接。阴极入口通路46和阴极出口通路52可以位于相邻燃料电池10的阳极板22和阴极板20之间。如图4所示，阴极入口通路46和阴极出口通路52以及阴极供给歧管44和阴极供给歧管54的周边可以通过表面垫圈43密封。

如图4所示，阴极入口端口48和阴极出口端口50可以大体上为矩形。如图4所示，阴极板20可以被配置为具有至少两个(例如，在一些实施例中，三个)阴极入口端口48，至少两个阴极入口端口48大体上彼此垂直布置。如图4所示，阴极板20可以被配置为具有至少两个阴极出口端口50，至少两个阴极出口端口50大体上彼此垂直布置。阴极板20可以被配置为具有至少一个阴极入口端口48，至少一个阴极入口端口48位于阴极入口通路46的相对端处。阴极板20可以被配置为具有至少一个阴极出口端口50，至少一个阴极出口端口50位于阴极出口通路52的相对端处。阴极板可以被配置为使两个阴极入口端口48位于阴极入口通路46的一端并且使一个阴极入口端口48位于相对端处。位于一个端的两个阴极入口端口48可以大体上彼此平行并且大体上垂直于位于阴极入口通路46的相对端处的阴极入口通路46。如本文中所描述的，当氧化剂流入阴极室19中时，阴极入口端口48的形状和布置可以促进该氧化剂的分布。在一些实施例中，增加端口的周长与端口的面积的比例可以减小端口两端的压降。在一些实施例中，端口的垂直布置可以导致端口两端的压降下降。

多个阴极入口端口48的总入口面积可以大于阴极出口端口50的总出口面积。总出口面积小于总入口面积的阴极出口端口50可以通过阴极室19和阴极流场28对氧化剂流动产生背压。这种背压可以促进氧化剂在阴极室中的分布。

如图4所示，阴极板20可以包括表面特征，例如，阴极流场边界88，其沿着阴极流场28的侧面从阴极板20朝向MEA 18突出(例如，参见图2)。如图4所示，阴极流场边界88可以沿着阴极板20的相对侧跨越在第一流体歧管31A和第二流体歧管31B之间。阴极流场边界88可以被配置为防止氧化剂通过沿着阴极流场28的外部流动而非流过阴极流场28到达阴极催化剂层12绕过阴极流场28和阴极催化剂层12或减少其流动量。例如，阴极流场边界88可以在阴极流场28的每侧上用作边界壁，从而迫使氧化剂流过阴极流场28。阴极板20可以被配置为使得阴极流场边界88之间的距离约等于阴极流场28的宽度。阴极流场边界88可以被配置为从阴极板20突出的深度等于阴极流场28的深度。如图4所示，阴极流场边界88可以大体上为矩形，其具有圆角外角或倒角外角。阴极流场边界88可以被布置为沿着阴极流场28的边缘提供屏障，以防止流体经由基本上开放的流动区域沿着阴极流场28的长度流动。阴极流场边界88可以形成到阴极板20中(如图4所示)和/或可以通过将第二材料施加到阴极板20(例如，粘结到该板上的聚合物或弹性体)而形成。

阳极板22和/或阴极板20可以由诸如316L不锈钢之类的合金制成。在一些实施例中，合金可以是未涂覆的合金，诸如未涂覆的316L不锈钢合金或另一未涂覆的不锈钢合金，诸如316、304、304L和/或310。阳极板22和/或阴极板20的一个或多个表面的表面粗糙度可以促进一个或多个板表面与其他表面之间的较低电接触阻力。一个或多个板表面与其他表面之间的电接触阻力较低可以增加燃料电池堆11内发生化学反应的速率。增加燃料电池堆11内发生化学反应的速率可以增加燃料电池堆11的电流和/或电压。MEA 18A上的GDL 26与阳极板22之间的电接触阻力较低可以增加电子从阳极催化剂层14穿过GDL 26到达阳极板22的流动。阳极板22与阴极板20之间的电接触阻力较低可以增加电池在相邻阳极板22之间的流动并且流动到达阴极板20。阴极板20与阴极流场28之间的电接触阻力较低可以增加电子从阴极板20到阴极流场28的流动。电子到阴极流场的流动增加可能会增加来自MEA 18B上的GDL 24的氢离子与氧原子结合并且电子变成水分子的速率。

阳极板22和/或阴极板20的表面粗糙度在整个板的表面上(包括例如在一个或多个上述接口处)可以基本上均匀。在一些实施例中，阳极板22和/或阴极板20的不同表面可以具有不同的粗糙度参数。在一些实施例中，阳极板22和/或阴极板20的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度的范围可以为约5μin至约35μin、约10μin至约35μin、约15μin至约35μin、约20μin至约35μin、约25μin至约35μin、约30μin至约35μin、约5μin至约30μin、约5μin至约25μin、约5μin至约20μin、约5μin至约15μin、约5μin至约10μin、约10μin至约30μin、约13μin至约28μin、约10μin至约25μin、约15μin至约20μin、约16μin至约19μin、约17μin至约18μin、约17.5μin至约18.5μin、约17.5μin至约18μin、约17.5μin、约18μin、或约18.5μin。表面粗糙度可以通过各种合适的方法来产生，包括例如在成型之前、期间或之后对阳极板22和/或阴极板20进行冲压、蚀刻、磨蚀或辊压。在一些实施例中，例如，其中表面纹理可以被冲压到阳极板22和/或阴极板20中，因为前述接口通常发生在阳极板22和/或阴极板20的凸起特征(例如，高点)处，可以利用配置有与凸起特征相对应的表面纹理的模具。这对于减少工具复杂性可能是有利的。

在一些实施例中，阳极板22和/或阴极板20的所有表面的算术平均粗糙度的范围可以为约5μin至约35μin、约10μin至约35μin、约15μin至约35μin、约20μin至约35μin、约25μin至约35μin、约30μin至约35μin、约5μin至约30μin、约5μin至约25μin、约5μin至约20μin、约5μin至约15μin、约5μin至约10μin、约10μin至约30μin、约13μin至约28μin、约10μin至约25μin、约15μin至约20μin、约16μin至约19μin、约17μin至约18μin、约17.5μin至约18.5μin、约17.5至约18μin、约17.5μin、约18μin、或约18.5μin。例如，阳极板22的一侧上的表面的算术平均粗糙度可以为约13μin至约28μin。在一些实施例中，一个或多个板表面的一个或多个算术平均粗糙度的范围可以为约5μin至约35μin。本文中所公开的表面粗糙度值可以使用标准触针根据JIS B0601-2001进行测量-尖端半径为2μm，尖端角为60°。

图5是根据示例性实施例的阴极流场28的正视图。图5中可见的一侧是被配置为面向相邻阴极板20的一侧(例如，参见图2)。阴极流场28可以包括多孔结构，特别是具有多孔三维网络结构的多孔金属泡沫结构。多孔结构可以为具有两个相对表面的片状。多孔结构可以是筛网、膨胀金属网和/或穿孔金属片。在一些实施例中，多孔金属泡沫结构的平均孔径可以为约50μm至约500μm。在一些实施例中，电化学电池堆中的第一电化学电池的多孔结构的平均孔径可以比电化学电池堆中的至少一个其他多孔结构的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。阴极流场28可以包括凹入多孔金属泡沫结构的面向阴极板20的表面中的第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92。阴极流场28的厚度可以为约0.2mm至约1.5mm，并且第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92可以凹入阴极流场中的深度为结构厚度的约10％至结构厚度的约75％。

第一阴极分布通道90可以从阴极流场28的一侧沿着阴极流场28的底部边缘大体上延伸到阴极流场28的另一侧。第二阴极分布通道92可以沿着阴极流场28的顶部边缘从阴极流场28的一侧大体上延伸到阴极流场28的另一侧。当阴极流场28与阴极板20相邻定位时，阴极入口端口48可以与第一阴极分布通道90对齐，而阴极出口端口50可以与第二阴极分布通道92对齐。

阴极流场28可以包括在整个第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92上形成的多个支撑特征94。支撑特征94可以为大体上圆柱形、凹坑形或其他合适的形状。一个或多个支撑特征94的高度可以约等于第一阴极分布通道90和/或第二阴极分布通道92的凹陷深度。第一阴极分布通道90、第二阴极分布通道92和支撑特征94可以通过冲压、辊压多孔金属泡沫结构或其他方式使其塑性变形来形成，从而形成阴极流场28。

第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92可以被配置为通过提供氧化剂在流到多孔金属泡沫结构的孔之前沿着其流动的开放流动路径来促进氧化剂沿着阴极流场28的宽度的均匀流动分布。支撑特征94可以被配置为提供足够的支撑，以当通过防止或减少阴极板20向第一阴极分布通道90和第二阴极分布通道92的变形或挠曲而压缩燃料电池10时维持第一阴极分布通道90所提供的开放流动路径。支撑特征94可以在电化学电池堆的机械压缩期间提供支撑。

构成阴极流场28的多孔结构可以包括一种或多种金属和/或合金。例如，多孔结构可以包括至少镍(Ni)和铬(Cr)(例如，NiCr)或镍、锡(Sn)和铬(例如，NiSnCr)的组合。对于多孔结构的NiCr实施例，铬的质量浓度范围可以为约20％至40％，而剩余余量可以为镍，其为60％至80％。对于多孔结构的NiSnCr实施例，铬的浓度的范围可以为约3％至6％，锡的浓度的范围可以为约10％至20％，而余量可以为镍的浓度范围，其为74％至87％。多孔结构可以包括钛或钢。

在一些实施例中，多孔结构的至少一个表面包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。例如，形成阴极流场28的多孔结构的一个或两个表面的铬浓度的范围可以为质量的约3％至质量的约50％、质量的约5％至质量的约40％、或质量的约7％至质量的约40％。增加多孔金属体的表面的铬浓度可以增加酸性环境中多孔结构的耐腐蚀性。例如，当形成阴极流场28的多孔金属体的至少一个表面的铬浓度为质量的约3％至质量的约50％时，与多孔金属体相邻的双极板可以在阴极板20处的基本为酸性的环境中具有耐腐蚀性。如本文中所描述的多孔结构可以提供的耐腐蚀性可以使得阴极板20由未涂覆的不锈钢形成。

在一些实施例中，多孔结构的一个表面的铬浓度可以高于多孔结构的另一表面的铬浓度。在这种实例中，具有较高铬浓度的表面可能更耐腐蚀。铬浓度较高的表面可以被布置为面向MEA 18。在一些实施例中，多孔结构的耐腐蚀性较高的表面可以具有质量的约3％至质量的约50％的铬浓度，而金属多孔结构的耐腐蚀性较低的表面的铬浓度可以小于质量的约3％的铬。

多孔结构可以通过一种或多种电镀工艺来形成。例如，树脂成型体可以最初用作三维网络结构的基板。树脂成型体可以包括聚氨酯、三聚氰胺、聚丙烯、聚乙烯等中的一种或多种。树脂成型体在其三维网络结构中可以包括孔。在一些实施例中，树脂成型体的孔隙率范围可以为约80％至约98％，并且孔径可以为约50μm至约500μm。在一些实施例中，树脂成型体的厚度可以为约150μm至约5.000μm、约200μm至2.000μm、或约300μm至约1.200μm。

为了形成多孔结构，金属层可以镀覆到树脂成型体上。对于多孔结构的NiCr实施例，例如，镍层和铬层可以镀覆到树脂成型体上。对于多孔结构的NiSnCr实施例，例如，镍层、锡层和铬层可以镀覆到树脂成型体上。可以对树脂成型体进行导电处理，诸如化学镀覆、气相沉积、溅射和/或施加导电金属(例如，镍颗粒、锡颗粒和/或碳颗粒)。然后，镍层和/或锡层可以电镀覆在三维结构的表面或经处理的树脂成型体的骨架上。例如，当树脂成型体涂覆有导电层时，随后可以通过电镀工艺在树脂成型体的骨架上形成镍层。在形成镍层之后，可以随后通过另一电镀工艺在树脂成型体的骨架上形成锡层。可替代地，当树脂模制体涂覆有导电层时，可以首先电镀锡层，然后电镀镍层。在一些实施例中，化学气相沉积可以用于将铬添加到基本上为镍的结构中。

在一些实施例中，在一个或多个金属层镀覆到树脂成型体的骨架(诸如镍层和/或锡层)上之后，可以通过电镀工艺添加铬层。可以形成镀铬层，使得多孔结构的至少一个表面的铬浓度范围为质量的约3％至质量的约50％。在镀覆了镀铬层之后或在镀覆了镀镍层和/或镀锡层之后，可以通过热处理去除初始树脂成型体来形成多孔结构。例如，可以在惰性气氛或还原气氛中在约900℃至约1300℃的温度下加热多孔结构。在一些实施例中，多孔结构可以包括镍和铬，但不含锡。

图6是根据示例性实施例的阴极流场28的后视图。图6中可见的一侧是被配置为面向相邻的MEA 18B的一侧(例如，参见图2)。阴极流场28的至少一侧可以是基本上光滑的，以防止刺穿MEA 18B。阴极流场28可以在例如轧机中辊压，以减小其厚度和/或使其侧面的一个或多个侧面光滑。在一些实施例中，阴极流场28的区域102可以压靠在MEA 18B的子垫圈202上。在一些实施例中，阴极流场28的区域102可以比阴极流场28的其他区域更光滑。使阴极流场28的区域102更平滑可以防止刺穿子垫圈202。可以例如使用冲压模具把区域102冲压成光滑的，使得区域102可以是光滑的。代替或除了被冲压成光滑之外，区域102可以在例如轧机中进行辊压过程以增加其光滑度。在初始辊压过程期间，可以使用专用辊压模具使区域102比阴极流场28的其他区域更光滑，其中辊的各个部分上的特殊特征与区域102接触。在一些实施例中，区域102的算术平均粗糙度可以小于约100μin。结果，区域102的粗糙度可以与流场28的后表面的其他部分的粗糙度不同。在一些实施例中，流场28的整个后表面的粗糙度可以大体上相等。例如，在一些实施例中，区域102与流场28的整个后侧的其余部分一起可以是光滑表面。流场28的整个后表面的算术平均粗糙度可以小于约100μin。

出于说明的目的已经给出了前面的描述。它并非是穷举的，并且不限于所公开的精确形式或实施例。通过考虑所公开的实施例的说明和实践，实施例的修改和改变将是显而易见的。

此外，虽然本文已经描述了说明性实施例，但是范围包括基于本公开的具有等同要素、修改、省略、组合(例如，各个实施例的各方面)、改变和/或变更的任何和所有实施例。权利要求中的要素应当基于权利要求中所采用的语言来广义地解释，并且不限于本说明书中或在本申请的追诉期间描述的示例，这些示例应当理解为非排他性的。进一步地，可以以任何方式修改所公开的方法的步骤，其包括对步骤进行重新排序和/或插入或删除步骤。

如本文中所使用的，术语“约”或“大约”意指在本领域普通技术人员所确定的特定值的可接受误差范围之内，这将部分取决于如何测量或确定该值，例如，测量系统的局限性。例如，“约”可以意指根据本领域的实践在一个或多个标准偏差之内。可替代地，“约”可以意指给定值的至多20％(诸如至多10％、至多5％、至多1％)的范围。

根据详细的说明书，本公开的特征和优点是显而易见的，因此，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有系统和方法。如本文中所使用的，不定冠词“一”和“一个”意指“一个或多个”。同样，除非在上下文中明确给出，否则使用复数术语不一定表示复数。除非另有明确指示，否则诸如“和”或“或”之类的词意指“和/或”。进一步地，由于通过研究本公开内容，容易想到许多修改和变型，所以不希望将本公开内容限制为示出和描述的确切构造和操作，因而，可以采用落入本公开的范围之内的所有合适的修改和等同物。

通过考虑本文中的本公开的说明书和实践，本公开的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，其中本公开的真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (33)

1.一种电化学电池堆，包括：

沿着纵轴堆叠的多个电化学电池，其中多个电化学电池中的一个或多个电化学电池包括：

膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。

阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件；以及

阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构。

2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。

3.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阳极板或阴极板中的至少一个由未涂覆的316不锈钢合金形成。

4.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

5.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。

6.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阳极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

7.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阴极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

8.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阴极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。

9.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阴极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

10.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多孔结构在多孔结构的第一侧上具有一个或多个光滑表面区域，其中一个或多个表面区域面向膜电极组件，并且一个或多个表面区域与膜电极组件的子垫圈对齐。

11.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多孔结构的第一侧是光滑的，使得第一侧的算术平均粗糙度小于约100μin，并且第一侧面向膜电极组件。

12.一种电化学电池，包括：

膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。

阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件；以及

阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构。

13.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。

14.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阳极板或阴极板中的至少一个由未涂覆的316不锈钢合金形成。

15.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

16.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阳极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。

17.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阳极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

18.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阴极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

19.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阴极板上的一个或多个表面的一个或多个部分的算术平均粗糙度为约5μin至约35μin。

20.根据权利要求12所述的电化学电池，其中阴极板的所有表面的算术平均粗糙度为约13μin至约28μin。

21.根据权利要求12所述的电化学电池，其中多孔结构在多孔结构的第一侧上具有一个或多个光滑表面区域，其中一个或多个表面区域面向膜电极组件，并且一个或多个表面区域与膜电极组件的子垫圈对齐。

22.一种电化学电池，包括：

阴极流场，阴极流场位于阴极板与膜电极组件之间，其中

阴极流场包括多孔结构，

多孔结构的第一侧上的一个或多个表面区域是光滑的，

第一侧面向膜电极组件，并且

一个或多个表面区域中的至少一个表面区域与膜电极组件的子垫圈对齐。

23.根据权利要求22所述的电化学电池，其中多孔结构的整个第一侧是光滑表面。

24.根据权利要求22所述的电化学电池，其中一个或多个表面区域的算术平均粗糙度小于约100μin。

25.根据权利要求22所述的电化学电池，其中多孔结构的第二侧具有凹入多孔结构的面向阴极板的表面中的第一阴极分布通道和第二阴极分布通道。

26.根据权利要求25所述的电化学电池，其中多孔结构包括在整个第一阴极分布通道和第二阴极分布通道中形成的多个支撑特征。

27.根据权利要求22所述的电化学电池，其中多孔结构至少包括镍和铬。

28.根据权利要求27所述的电化学电池堆，其中多孔结构包括质量的约60％至质量的约80％的镍浓度和质量的约20％至质量的约40％的铬浓度，并且多孔结构的至少一个表面包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。

29.根据权利要求27所述的电化学电池堆，其中多孔结构包括约3％至约6％的铬浓度、约10％至约20％的锡浓度、以及约74％至约87％的镍浓度。

30.根据权利要求29所述的电化学电池堆，其中多孔结构的至少一个表面包括质量的约10％至质量的约45％的铬浓度。

31.根据权利要求27所述的电化学电池堆，其中多孔结构的第一表面的铬浓度高于相对的第二表面的铬浓度。

32.根据权利要求31所述的电化学电池堆，其中第一表面的铬浓度为质量的约3％至质量的约50％，并且第二表面的铬浓度为小于质量的约3％。

33.根据权利要求4至8中任一项所述的电化学电池堆，其中粗糙度被压印、蚀刻、磨蚀或辊压到阳极板或阴极板上。

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