[发明专利]流体流动设计改进的电化学电池

说明书

一种电化学电池堆，具有沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。电化学电池包括膜电极组件，膜电极组件具有阳极板和阴极板，膜电极组件插置于阳极板与阴极板之间。电化学电池还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。电化学电池还包括阴极流场，阴极流场位于阴极板和阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构。

本申请要求于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,221号的权益，其全部内容通过引用并入。

技术领域

本公开涉及电化学电池，更具体地，涉及流体流动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。

在燃料电池中，期望燃料和氧化剂完全均匀分布在整个流场中，以便使所利用的MEA的活性区域最大，从而改善整体性能。但是，现有技术的燃料电池设计一直在努力实现完全均匀分布。附加地，期望不会沿着燃料和氧化剂的流动路径产生过度压降，否则会消耗燃料电池堆所生成的一些电能并且降低燃料电池堆的整体效率。如此，改善燃料电池的流动设计一直面临挑战。

改善燃料电池堆的整体性能和功率密度的另一方式可以是减小燃料电池堆的相邻电池之间的节距(即，间距)和/或电池的厚度。电池厚度可以例如通过减小每个单独燃料电池的流场的厚度来减小。然而，由于通过压缩燃料电池堆导致流动路径的减小，该压缩可能会增加燃料电池堆的负荷，所以在不会沿着燃料和氧化剂流动路径产生过度压降的情况下，可能难以实现这种情况。

发明内容

鉴于上述情况，本公开涉及一种流动设计改进且性能和功率密度改善的燃料电池和燃料电池堆设计。