用于與電化學電池聯(lián)用的流動結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請要求于2012年6月13日提交的美國臨時申請No. 61/659, 302、和于2013 年4月30日提交的美國臨時申請No. 61/817,682的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本 文。
[0002] 本公開設(shè)及電化學電池，更具體地是，用于在高壓差電化學電池中使用的流動結(jié) 構(gòu)的設(shè)計和制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 電化學電池通常分類為燃料電池或電解池，為用于根據(jù)化學反應產(chǎn)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(例如氨、天然氣、甲醇、汽油等）和氧 化劑(空氣或氧氣)的化學能轉(zhuǎn)化為電能和廢棄物(熱量和水)?；救剂想姵匕◣д姷?陽極、帶負電的陰極、和稱為電解質(zhì)的離子傳導材料。
[0004] 不同的燃料電池技術(shù)利用不同的電解質(zhì)材料。質(zhì)子交換膜（PE^O燃料電池例如使 用聚合物離子傳導膜作為電解質(zhì)。在氨PEM燃料電池中，氨原子在陽極處被電化學地分解 成電子和質(zhì)子(氨離子)。電子通過電路流至陰極并產(chǎn)生電力，同時質(zhì)子通過電解質(zhì)膜擴散 至陰極。在陰極處，氨質(zhì)子與電子和氧結(jié)合(供給到陰極）而產(chǎn)生水和熱量。
[0005] 電解池（electrolysiscell)代表逆向工作的燃料電池。當施加外部電勢時，基 本電解池通過將水分解為氨氣和氧氣來用作氨發(fā)生器。氨燃料電池或電解池的基本技術(shù)可 W應用于電化學氨處理(諸如電化學氨壓縮、純化、或膨脹)。電化學氨處理已經(jīng)成為傳統(tǒng)上 用于氨管理的機械系統(tǒng)的可行替代品。氨氣作為能量載體的成功商業(yè)化和"氨經(jīng)濟"的長 期可持續(xù)性主要取決于燃料電池、電解池、和其它氨處理/管理系統(tǒng)的效率和成本效益。
[0006] 在操作中，單個燃料電池通?？蒞產(chǎn)生約1伏。為了獲得所需量的電力，各個燃料 電池可W組合W形成燃料電池堆。燃料電池依序地堆疊在一起，每個電池包括陰極、電解質(zhì) 膜、和陽極。每個陰極/膜/陽極組件構(gòu)成"膜電極組件"、或"MEA"，其通常由雙極板支撐 在兩側(cè)上。通過形成在板中的通道向MEA的電極供應氣體(氨氣和空氣)，該通道被稱為流 場。除了提供機械支撐之外，雙極板(也稱為流場板)也在物理上分開堆中的各個電池，同時 將它們電連接。
[0007] 圖1是示出了現(xiàn)有技術(shù)的PEM燃料電池10的各種部件的分解示意圖。如圖所示， 雙極板2側(cè)接"膜電極組件"（MEA)，該"膜電極組件"包括陽極7A、陰極7C、和電解質(zhì)薄膜 8。供應到電極7A的氨原子被電化學地分解成電子和質(zhì)子(氨離子)。電子通過電路流至陰 極7C并且在該過程中產(chǎn)生電流，同時質(zhì)子通過電解質(zhì)膜8移動至陰極7C。在陰極處，質(zhì)子 與電子和氧氣結(jié)合(供應到陰極）W產(chǎn)生水和熱量。
[000引另外，現(xiàn)有技術(shù)的陽M燃料電池10包括MEA的每一側(cè)上的電池內(nèi)的導電氣體擴散 層（GDL) 5。GDL5用作使能夠運輸電池內(nèi)的氣體和液體的擴散介質(zhì)，在雙極板2和電解質(zhì) 膜8之間提供電傳導，有助于從電池中除去熱量和工藝用水（processwater),并且在一些 情況中，向電解質(zhì)膜8提供機械支撐。GDL5可W包括織造的或非織造的碳布，該碳布的電 極7A和7C位于面向電解質(zhì)膜的側(cè)上。在一些情況中，電極7A和7C包括涂敷到相鄰的氣 體擴散層5或電解質(zhì)膜8上的電催化劑材料。通常，基于碳纖維的GDL并不滿足高壓差電 池的性能要求，特別是由于難W控制孔參數(shù)。因此，一些高壓電化學電池(例如電化學氨壓 縮機、凈化器等）使用"烙塊"型致密燒結(jié)金屬、網(wǎng)包（screenpacks)、或膨脹的金屬W形成 GDL5,W便更好的控制孔參數(shù)。然而，"烙塊"型介質(zhì)經(jīng)常導致低空隙分數(shù)、高氣流阻力，并 且容易在工作期間充滿水。層狀結(jié)構(gòu)（即，網(wǎng)包和膨脹的金屬）導致適合于高壓差操作的相 對較厚的氣體擴散層。然而，它們還會引入其它性能缺點(例如高接觸電阻、使其難W冷卻 該堆的高電流密度區(qū)域等)。傳統(tǒng)GDL結(jié)構(gòu)的物理限制限制了電化學電池在需要高壓差的 過程中的適用性。該形成了對改善電化學電池的設(shè)計、耐用性和效率的持續(xù)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本公開設(shè)及用于與電化學電池聯(lián)用的流場和氣體擴散層的設(shè)計和制造。具體地， 本公開設(shè)及用于與電化學電池聯(lián)用的=維多孔流動結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造方法。該種裝置可W 用于電化學電池，該電化學電池在高壓差下工作，包括但不限于燃料電池、電解池、氨凈化 器、氨膨脹器、和氨壓縮機。
[0010] 本公開的第一個方面是一種制造用于在電化學電池中使用的開口多孔流動結(jié)構(gòu) 的方法。該方法包括步驟；選擇空隙體積大于約70%的多孔金屬材料，使用至少一種機械技 術(shù)來壓實多孔金屬材料，和將至少一個微孔材料層層壓在多孔金屬材料的一側(cè)上。選擇具 有平均孔徑小于壓實的多孔金屬材料的平均孔徑的至少一個微孔材料層。
[0011] 本公開的另一個方面是一種用于在電化學電池中使用的流動結(jié)構(gòu)。該流動結(jié)構(gòu)包 括壓實的多孔金屬襯底和至少一個微孔材料層，該至少一個微孔材料層被層壓在壓實的多 孔金屬材料的一側(cè)上，其中所述至少一個微孔材料層的平均孔徑小于壓實的多孔金屬襯底 的平均孔徑。
[0012] 本公開的又一個方面是一種用于高壓差操作的電化學電池。該電化學電池包括第 一電極、第二電極、和置于其間的質(zhì)子交換膜。該電池還包括第一和第二流動結(jié)構(gòu)，其中第 一流動結(jié)構(gòu)包括第一壓實的多孔金屬襯底，該第一壓實的多孔金屬襯底與第一電極和膜流 體且電連通，并且第二流動結(jié)構(gòu)包括第二壓實的多孔金屬襯底，該第二壓實的多孔金屬襯 底與第二電極和膜流體且電連通。
【附圖說明】
[0013] 并入本說明書并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖對本發(fā)明的實施例進行了說明， 并與說明書一起，用來解釋本發(fā)明的各個方面的原理。
[0014] 圖1圖示了示出現(xiàn)有技術(shù)的質(zhì)子交換膜（PE^O燃料電池的各種部件的分解示意 圖； 圖2A圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的在壓實之前的多孔金屬材料； 圖2B圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的在壓實之后的多孔金屬材料； 圖3圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的作為暴露應力函數(shù)的=種不同的多孔金屬 材料的相對密度； 圖4圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的作為接觸壓力函數(shù)的在流動結(jié)構(gòu)-電解質(zhì)膜 界面處測量的接觸電阻； 圖5A圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的未壓實的多孔金屬材料； 圖5B圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的在壓實和與微孔材料層的層壓之后的多孔 金屬材料； 圖6A圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的形成具有可變孔隙率的壓實的多孔金屬基 體的方法； 圖6B~6D圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的具有可變孔隙率的壓實的多孔金屬基 體的各種配置； 圖7圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的形成具有可變孔隙率的壓實的多孔金屬基 體的另一種方法； 圖8圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的多孔金屬材料的示意圖； 圖9圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的示出多孔金屬材料的另一個示意圖；和 圖10圖示了根據(jù)本公開的示例性實施例的作為針對雙電池電化學氨壓縮堆的時間函 數(shù)的壓縮壓力的變化。
【具體實施方式】
[0015] 應該理解的是，前面的總體描述和下面的詳細描述均僅是示例性和說明性的，而 非對所請求保護的本發(fā)明的限制。
[0016] 現(xiàn)在將參照與本公開一致的某些實施例，本公開的示例在附圖中示出。只要可能， 相同的附圖標記在所有附圖中均用來指相同或相似的部分。雖然關(guān)于采用氨、氧、和水的質(zhì) 子交換膜（PE^O燃料電池進行了描述，但是應當理解的是，本公開的裝置和方法可W用于各 種類型的電化學電池，包括在高壓差下工作的那些。如本文所用，術(shù)語叩EM"和"電解質(zhì)膜" 可互換用來指質(zhì)子交換膜。
[0017] 本公開設(shè)及用作高壓差電化學電池的流場板和GDL的S維多孔襯底的制造。在 本公開的說明性實施例，使用金屬泡沫或其它多孔金屬襯底來制造流場板和氣體擴散層。 在一個該樣的實施例中，陽M的每一側(cè)上的反應氣體沿流場板流動并通過多孔GDL擴散至 陽M。在替代實