[发明专利]与电化学电池一起使用的流场

说明书

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