CN112467163A - 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。该流场包括多孔金属结构，该多孔金属结构包括进气口和冲压在该结构中的多个通道。多个通道与进气口流体连通以接收反应气体，并被构造以使反应气体在相邻的通道之间扩散穿过多孔金属结构。

Description

与电化学电池一起使用的流场

本申请要求在2014年6月27日提交、申请号为62/017,943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。

技术领域

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，通常被归类为燃料电池或电解池，是用于从化学反应产生电流 或利用电流引起化学反应的装置。燃料电池将燃料(如氢气、天然气、甲醇、汽 油等)和氧化剂(空气或氧气)的化学能转化为电以及热量和水的废产物。基础 的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使用不同的电解质材料。例如，质子交换膜(PEM)燃 料电池利用聚合离子传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极电 化学地分裂为电子和质子(氢离子)。然后，电子流过电路到达阴极并产生电， 而质子扩散穿过电解质膜到达阴极。在阴极，氢质子与电子和(供应至阴极的) 氧结合以生产水和热量。

电解池代表相反运作的燃料电池。当施加外部电势时，基础的电解池通过将 水分解为氢气和氧气而起到氢气发生器的作用。氢燃料电池或电解池的基础技术 能够被应用于电化学氢处理，例如电化学氢压缩、纯化或膨胀。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替代品出现。氢气作为能量载体的成功 的商品化以及“氢经济”长期的可持续性很大程度依赖于燃料电池、电解池以及 其他氢处理/管理系统的效率和成本效益。

在运作中，单个的燃料电池通常能够产生约1伏特。为了获得期望的电功率 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、电解质膜和阳极。阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组 件”或“MEA”，该膜电极组件或MEA一般被双极板支持在两侧上。反应气体(氢 气和空气或氧气)通过在板中形成的、被称为流场的通道或沟槽而被供应至MEA 的电极。除了提供机械支持，双极板(也被称为流场板或分隔板)物理地分隔在 电池堆中的各个电池，同时电性地连接它们。一般的燃料电池堆包括歧管和进气 口，该岐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 电池堆还包括排气歧管和排气口，该排气歧管和排气口用于排出过量的气体和冷 却剂水。

图1为显示现有技术PEM燃料电池10的各个部件的爆炸示意图。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为电子和质子(氢 离子)。电子流过电路到达阴极7C并在该过程中产生电，而质子移动穿过电解质 膜8到达阴极7C。在阴极，质子与电子和(供应至阴极的)氧结合以生产水和 热量。

另外，现有技术PEM燃料电池10包括导电的气体扩散层(GDL)5，该气体 扩散层5在电池内MEA的每一侧上。气体扩散层5用作使气体和液体能够在电池 内运输的扩散介质，提供在双极板2和电解质膜8之间的电传导，帮助从电池中 去除热量和工艺用水，并且在某些情况下，给电解质膜8提供机械支持。气体扩 散层5能够包括编织的或非编织的碳布，电极7A和电极7C覆盖在该碳布面向电 解质膜的侧上。在某些情况下，电催化材料能够覆盖在相邻的GDL 5或电解质膜 8上。

通常，碳纤维基气体扩散层不能满足高压差电池的性能需求，尤其因为这些 材料有限的结构性质。因此，一些高压电化学电池利用“熔块型”致密烧结的金 属、过滤网组合或者与传统GDL结合或作为传统GDL的替代品的网眼金属，以结 合在双极板2中形成的传统槽脊(land)-通道流场4来给MEA提供结构支持。 层状结构(即过滤网组合和网眼金属)提供适用于高压差运作的相对厚的结构。 然而，它们引入其他性能损失，如高接触电阻、高流阻、大的电池间距等。为了 克服这些层状结构的物理限制，三维多孔金属结构在高压差电化学电池中能够作 为传统槽脊-通道流场4和/或GDL 5的替代品而被应用。

在使用多孔金属流场的电化学电池中，在电解质膜每一侧上的反应气体流过 多孔金属流场以到达电解质膜。像传统的槽脊-通道流场一样，令人期望的是， 这些多孔金属结构促进反应气体均匀分布至电极，以便实现单个燃料电池的高性 能。另外，不期望在反应气体流中形成过度的压降，否则会消耗由燃料电池堆产 生的部分电能并降低燃料电池堆的整体效率。因此，改进与电化学电池一起使用 的多孔金属流场的设计存在持续的挑战。

改进燃料电池堆的整体性能和功率密度的一个方法，可以是减少燃料电池堆 的相邻的电池之间的间距(即间隔)。对于使用多孔金属流场的电池，电池间距 能够通过减少每个单独的燃料电池的流场的厚度来减少。然而，不在反应气体流 中形成能够增加燃料电池堆上的负载的过度的压降，则难以实现上述改进。

尤其地，燃料电池堆能够与空气压缩机结合以对供应至流场的进气歧管的反 应气体(如氧气)进行加压，以克服横跨每个流场的压降。空气压缩机所消耗的 功率通常是微不足道的，且对于110kW网状系统而言范围能够在20kW左右。期 望控制反应气体流中的压降，以便调节与电池堆关联的空气压缩机所消耗的功率 量。这常常会限制与电化学电池一起使用的流场的设计。

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。尤其地，本发明针对在电 化学电池中使用、用于改进燃料电池堆的整体性能和功率密度的多孔金属流场的 设计。这些装置能够用于在高压差下运作的电化学电池，该电化学电池包括但不 仅限于燃料电池、电解池和氢气压缩机。

在本发明的说明性的实施例中，利用金属泡沫或其他多孔金属基材制造流 场。在多孔金属流场的表面中设有反应气体能够流过的通道，与其他多孔金属流 场结构相比，这能够降低穿过多孔金属流场的压降。这允许燃料电池堆的其他参 数被修改，而不增加对供应至燃料电池堆的气体进行压缩所需的能量。

根据本发明的实施例，与其他多孔金属流场结构相比，多孔金属流场的厚度 可被减少，而不影响供应至燃料电池堆进气歧管的反应气体的压力。减少每个单 独的燃料电池的厚度反过来能够减少电池间距(即相邻的电池之间的间隔)，并 允许将额外的电池添加到燃料电池堆，以改进燃料电池堆的整体功率密度和性 能。

应该理解到，以上大概的说明和以下具体的说明都只是解释性的，并非对所 要求保护的本发明的限制。

附图说明

附图并入说明书且构成本说明书的一部分，示出了本发明的实施例，并连同 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)燃料电池的各个部件的爆炸示意图。

图2是根据本发明实施例的电化学电池的一部分的示意图。

图3是根据本发明实施例的流场的侧视图。

图4A是不具有多个通道的流场的剖视图。

图4B是根据本发明实施例的具有多个通道的流场的剖视图。

图5A至图5E示出根据本发明实施例的多个通道的各种冲压图案。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，本发明的示例在附图中示出。在任何可能 的情况下，作为例子的附图标记将在全部附图使用，以参照相同或相似的部分。 尽管已描述涉及使用氢气、氧气和水的电化学电池，但应该理解到，本发明的装 置和方法能够与各种类型的电化学电池一起使用，包括那些在高压差下运作的电 化学电池。

图2显示电化学电池200的爆炸示意图。电化学电池200能够包括两个双极 板210、220。两个双极板210、220能够作为支持板和导体。双极板210、220 还能够包括接入通道，该接入通道用于使冷却流体(即水、乙二醇或水乙二醇混 合物)循环，以将热量从电化学电池200中去除。双极板210、220能够由铝、 钢、不锈钢、钛、铜、镍-铬合金、石墨或任何其他导电材料制成。

除了双极板210、220，电化学电池200能够包括膜电极组件(“MEA”)。MEA 230能够包括阳极231、阴极232和质子交换膜(“PEM”)233。PEM 233能够配 置在阳极231和阴极232之间，使阳极231和阴极232彼此电绝缘。可以预期， 在其他材料(例如硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐和磷酸锆)能够嵌入聚 合物基体中的情况下，PEM 233能够包括纯的聚合物膜或复合膜。PEM 233可以 是能够透过质子而不传导电子。阳极231和阴极232能够包括包含催化层(未显 示)的多孔碳电极。催化材料能够是(例如)能够提高反应速率的铂。

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能够在双极板210、220和MEA 230之间提供电传导，同时 还在电化学电池200内提供用于气体和流体的运输的介质。另外，阴极流场240 和阳极流场250能够给MEA 230提供机械支持。

阴极流场240和阳极流场250能够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能够通过压缩高度多孔金属材料(如泡沫、烧结金 属熔块或任何其他多孔金属)而形成。多孔金属材料能够包括金属(如不锈钢、 钛、铝、镍、铁等)或金属合金(如镍-铬合金等)。在某些说明性的实施例中， 金属材料的孔径的范围可为从约20μm到约1000μm。例如，金属材料的孔径的 范围可为从约20μm到约1000μm，如从约50μm到约1000μm，从约20μm到 约900μm等，从约30μm到约800μm，从约40μm到约700μm，从约50μm到 约600μm，从约60μm到约500μm，从约70μm到约500μm，从约100μm到 约450μm，从约200μm到约450μm，并从约350μm到约450μm。在说明性的 实施例中，金属材料的平均孔径为约400微米、约500微米或约800微米。在进 一步的实施例中，金属材料的空隙容积的范围为从约70％到约99％。例如，金属 材料的空隙容积的范围可为从约70％到约98％，例如从约75％到约98％，从约75％ 到约95％，从约75％到约90％，从约75％到约85％，从约70％到约80％，从约73％ 到约77％，从约80％到约90％，从约83％到约87％，从约90％到约99％，以及从约 93％到约97％。在说明性的实施例中，金属材料的空隙容积可为约75％、约85％或 约95％。

电化学电池200在MEA 230的每一侧上能够额外地包括导电的气体扩散层 (GDL)260、270。在某些实施例中，所公开的多孔金属流场可与传统的GDL一 起使用。然而，可以预期，多孔金属结构能够实现一般要求GDL的功能，因此引 入将GDL从电化学电池组件中消除的可能性。在可供选择的实施例中，由具有不 同的平均孔径的两个不同的层(例如，较大的孔的构成流场，较小的孔的替代 GDL)组成的多孔金属结构能够被放置成与MEA230接触。

图3显示根据本发明实施例的流场400的俯视图。如图所示，流场400包括 纵向延伸表面401，该表面限定第一边缘402和第二边缘403。进气口404能够 配置在第一边缘402，排气口406能够配置在第二边缘403。应该理解到，进气 口404和排气口403能够位于在流场400上的任何其他位置或结构。进气口404 和排气口406能够包括开口，该开口部分地或全部地延伸穿过流场400的厚度。 进气口404能够被构造以接收反应气体(如燃料、氧气或空气)，且排气口406 能够被构造以将耗尽的气体从流场400中去除。在某些可供选择的实施例中，进 气口404能够在电化学电池200的双极板210、220中形成。

如图所示，多个特征(例如通道408)能够在流场400的结构或表面内形成。 在某些实施例中，多个通道408能够在流场400的表面上形成，在朝向双极板的 方向上延伸并远离GDL。多个通道408能够与进气口404流体连通以接收反应气 体，和/或与排气口406流体连通以将耗尽的气体从电池中去除。此外，多个通 道408能够大体上没有对流体流动的障碍，以允许反应气体分布穿过流场400。

多个通道408能够在流场400的结构内或在流场400的表面401上形成，并 从第一边缘402(如流场400的近端)延伸至第二边缘403(如流场400的远端)。 多个通道408在流场400的表面401上能够具有任何已知的布置。例如，多个通 道408能够具有蛇形、直线平行、波浪形、Z字形或互相交叉的构造。此外，多 个通道408能够在第一边缘402和第二边缘403之间全部地或部分地延伸。通道 408的其他布置和横截面是可以预期的。

多个通道408能够具有任何合适的宽度、横截面面积、深度、形状和/或构 造，以(例如)沿每一个多个通道408的长度分布反应气体。槽脊410(图3) 能够配置在相邻的通道408之间。槽脊410能够具有任何合适的宽度、横截面面 积、高度、形状和/或构造。在某些实施例中，多个通道408横跨流场400的宽 度能够均匀地分布，使得在相邻的通道之间的槽脊410也能够具有均一的宽度。 在某些实施例中，多个通道408能够非均匀地分布且被构造，以优先地使气体流 偏斜并优化电池性能。可以预期，在某些其他实施例中，多个通道408横跨流场 400宽度能够具有不同的形状和/或横截面面积。在那些实施例中，相邻的槽脊 410的宽度能够不一样。可以预期，槽脊的高度与相邻的通道的宽度之间的比率 可被优化，以减少穿过流场400的压降。

根据本发明的实施例，多个通道408能够通过(例如)冲压多孔金属结构而 在流场400的表面401上形成。以这种方式，所公开的流场的多个通道408提供 反应气体能够流过的较大的横截面面积，与其他多孔金属流场结构相比，这能够 减少穿过多孔金属流场的压降。这能够降低对供应至流场的反应气体进行加压所 需的能量，其反过来能够允许燃料电池堆的其他参数被修改，而不提高对供应至 燃料电池堆的反应气体进行压缩所需的能量。

例如，在本发明的实施例中，与其他多孔金属流场结构相比，多孔金属流场 的厚度可减少，而不影响供应至进气口404的反应气体的压力。这在图4A和图 4B中显示。图4B是通过图3的线A-A剖切流场400的剖视图，图4A是不具有 多个通道408的多孔流场的剖视图。如图所示，本发明的流场的厚度能够具有厚 度L，该厚度L为至少1/3的多孔金属流场结构的厚度，该多孔金属流场结构不 具有冲压在其中的通道。减少每个单独的燃料电池的厚度能够具有一定的益处。 例如，减少每个单独的燃料电池的厚度能够减少相邻的电池之间的电池间距(即 间隔)。这能够允许将额外的电池添加到燃料电池堆，以改进燃料电池堆的整体 功率密度和性能，而不牺牲电池堆的效率。此外，在本发明的实施例中，燃料电 池运作能够接近具有某温度的近似等温运作，该温度将接近标准运作中的燃料电 池的平均值，这能够实际上提升电池的电压和效率，同时避免在电池内部极高温 度点的存在。

多个通道的可供选择的非限制性冲压图案如图5A-5E所示。在图5A中，第 一多个通道508a和第二多个通道508b可在流场500的结构内或在流场500的表 面上形成。在此实施例中，第二多个通道508b可从第一多个通道508a偏移，在 某些实施例中，可在流场400中终止。在图5B中，每个通道能够具有半圆形的 横截面。此外，第一多个通道518a和第二多个通道518b在流场500中能够具有 交错布置。在图5C中，凹坑528能够被冲压在形成在流场500中的每个通道周 围。图5D描绘出具有Z字形构造的多个通道538，图5E描绘出以交叉网格构造 布置的多个通道。

出于在本文中本发明的说明书和实践的考虑，本发明的其他实施例对本领域 技术人员来说将是显而易见的。这意味着，说明书和示例被视为仅是示例性的， 本发明的真实范围和精神通过所附权利要求书表明。

Claims (11)

1.一种制造在电化学电池中使用的开放式多孔流场的方法，该方法包括：

选择具有大于70％的孔隙容积的多孔金属材料；以及

将多个通道冲压进金属材料中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中多孔金属材料包括金属泡沫。

3.根据权利要求1所述的方法，在金属材料的相对边缘上设有进气口和排气口，其中多个通道被设置成与进气口和排气口流体连通。

4.根据权利要求1所述的方法，其中多个通道彼此平行。

5.根据权利要求4所述的方法，其中凹坑在多个平行通道的至少一个通道周围形成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中第一组多个通道从第二组多个通道偏移，并且其中第一组多个通道和第二组多个通道在多孔金属结构内终止。

7.根据权利要求1所述的方法，其中多个通道的每个具有半圆形的横截面，并且其中第一组多个通道相对于第二组多个通道具有交错布置。

8.根据权利要求1所述的方法，其中多个通道的每个具有半圆形的横截面，并且其中第一组多个通道比起第二组多个通道具有交错布置。

9.根据权利要求1所述的方法，其中多个通道被均匀地分布，并被构造尺寸以控制穿过流场的压降。

10.根据权利要求1所述的方法，其中多个通道非均匀地分布，且被构造以优先地使气体流偏斜。

11.根据权利要求1所述的方法，其中凹坑在多个通道的每个周围形成。

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