[發明專利]與電化學電池一起使用的流場

在審

• 申請號: 201580036657.6
• 申請日: 2015-05-13
• 公開（公告）號: CN106663823A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 班杰明·S·倫特;菲利波·甘比尼;阿米地奧·康迪
• 申請（專利權）人: 努威拉燃料電池有限責任公司
• 主分類號: H01M8/0232
• 分類號: H01M8/0232;H01M8/0258;C25B11/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 隆翔鷹

技術領域

本申請要求于2014年5月15日提交的申請號為61/993,911的美國臨時申請的權益，該美國臨時申請的全部內容通過引用而并入。

本發明針對電化學電池，更具體地，針對在電化學電池中使用的流場的設計。

背景技術

電化學電池，通常被分類為燃料電池或者電解槽，是用于由化學反應產生電流，或者利用電流的流動誘導化學反應的裝置。燃料電池將燃料（例如氫氣、天然氣、甲醇、汽油等）和氧化劑（空氣或氧氣）的化學能轉換成電以及熱量和水的廢產物。基本的燃料電池包括帶負電荷的陽極、帶正電荷的陰極以及稱為電解質的離子導電材料。

不同的燃料電池技術使用不同的電解質材料。例如，質子交換膜（PEM）燃料電池使用聚合物離子導電膜作為電解質。在氫PEM燃料電池中，氫原子在陽極電化學地分裂成電子和質子（氫離子）。然后，電子流動穿過電路至陰極并且產生電，而質子穿過電解質膜擴散至陰極。在陰極，氫質子與電子和（供應至陰極的）氧結合以產生水和熱量。

電解槽代表操作相反的燃料電池。當施加外部的電勢時，通過將水分解成氫氣和氧氣，基礎的電解槽起到作為氫氣發生器的作用。氫燃料電池或電解槽的基礎技術可應用于電化學氫處理，例如，電化學氫壓縮、提純或膨脹。電化學氫處理已作為傳統上用于氫管理的機械系統的可行的替代選擇出現。氫作為能量載體的成功的商業化以及“氫經濟”的長期的可持續性很大程度地依賴于燃料電池、電解槽和其他氫處理/管理系統的效率以及成本效益。

在操作中，單個的燃料電池一般可產生約1伏特。為了獲得期望的電功率總量，各個燃料電池被結合以形成燃料電池堆，其中燃料電池循序地堆疊在一起。每個燃料電池可包括陰極、電解質膜以及陽極。陰極/膜/陽極組件構成一般由雙極板支撐在兩側上的“膜電極組件”或者“MEA”。反應氣體（氫氣和空氣或氧氣）通過形成在板中的、被稱為流場的通道或凹槽而被供應至MEA的電極。除了提供機械支撐，當電連接在堆里的各個燃料電池時，雙極板（也被稱為流場板或分隔板）物理地分隔在堆里的各個燃料電池。一般的燃料電池堆包括歧管和進氣口，用于將燃料和氧化劑分別引導至陽極流場和陰極流場。燃料電池堆也包括排氣歧管和出氣口，用于排出過量的氣體和冷卻劑水。

圖1是示出現有技術PEM燃料電池10的各種部件的爆炸示意圖。如圖所示，雙極板2位于“膜電極組件”（MEA）的側面，“膜電極組件”（MEA）包括陽極7A、陰極7C和電解質膜8。供應至陽極7A的氫原子電化學地分裂成電子和質子（氫離子）。電子流動穿過電路至陰極7C并且在該過程中產生電，而質子移動穿過電解質膜8至陰極7C。在陰極，質子與電子和（供應至陰極的）氧結合以產生水和熱量。

此外，現有技術PEM燃料電池10包括導電的氣體擴散層（GDL）5，該導電的氣體擴散層5在電池內MEA的各側上。氣體擴散層5用作使電池內的氣體和液體能夠運輸的擴散媒介，提供雙極板2和電解質膜8之間的電傳導，幫助從電池中排除熱量和工藝用水，并且在某些情況下，向電解質膜8提供機械支撐。氣體擴散層5可包括織物的或非織物的碳布，電極7A和電極7C覆蓋在該碳布面向電解質膜的側面。在某些情況下，電催化劑材料可覆蓋在鄰近的GDL 5或者電解質膜8上。

通常，基于碳纖維的氣體擴散層無法滿足高壓差電池的性能需求，尤其是因為這些材料的受限的結構性質。因此，一些高壓電化學電池使用“熔塊型”致密燒結的金屬、過濾網組合或者結合或作為用于傳統的GDL的替代的網形金屬，以向MEA提供結構支撐，該MEA與形成在雙極板2中的傳統的槽脊（land）-通道流場4結合。層狀結構（即，過濾網和網形金屬）提供適用于高壓差操作的相對厚的結構。然而，它們引入了其他的性能缺陷，例如，高接觸電阻、高流動阻力、大單元間距等。為了克服這些層狀結構的物理限制，三維多孔金屬結構可用作用于在高壓差電化學電池中的傳統的槽脊-通道流場4和GDL 5的替代。

在使用多孔金屬流場的電化學電池中，在電解質膜的各側的反應氣體流動穿過多孔金屬流場以到達電解質膜。穿過多孔金屬流場的持續流動確保，當消耗了多數的燃料或氧化劑時，耗盡的氧化劑從燃料電池中持續地被沖洗掉。如同傳統的槽脊-通道流場，令人期望的是，這些多孔金屬結構促使反應氣體均勻的分布至電極，以便獲得單獨的燃料電池的高性能。此外，不期望在反應氣體流體中造成過度的壓降，否則會消耗由燃料電池堆產生的某些電能并且降低燃料電池堆的總效率。正因如此，改進多孔金屬流場的設計以提供反應氣體的改進分布，但不給電池增加額外的部件，存在持續的挑戰。

發明內容