[发明专利]与电化学电池一起使用的流场

说明书

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。

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。