用于与电化学电池联用的流动结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求于2012年6月13日提交的美国临时申请No. 61/659, 302、和于2013 年4月30日提交的美国临时申请No. 61/817,682的优先权，其全部内容通过引用并入本 文。
[0002] 本公开设及电化学电池，更具体地是，用于在高压差电化学电池中使用的流动结 构的设计和制造方法。
【背景技术】
[0003] 电化学电池通常分类为燃料电池或电解池，为用于根据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(例如氨、天然气、甲醇、汽油等）和氧 化剂(空气或氧气)的化学能转化为电能和废弃物(热量和水)。基本燃料电池包括带正电的 阳极、带负电的阴极、和称为电解质的离子传导材料。
[0004] 不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。质子交换膜（PE^O燃料电池例如使 用聚合物离子传导膜作为电解质。在氨PEM燃料电池中，氨原子在阳极处被电化学地分解 成电子和质子(氨离子)。电子通过电路流至阴极并产生电力，同时质子通过电解质膜扩散 至阴极。在阴极处，氨质子与电子和氧结合(供给到阴极）而产生水和热量。
[0005] 电解池（electrolysiscell)代表逆向工作的燃料电池。当施加外部电势时，基 本电解池通过将水分解为氨气和氧气来用作氨发生器。氨燃料电池或电解池的基本技术可 W应用于电化学氨处理(诸如电化学氨压缩、纯化、或膨胀)。电化学氨处理已经成为传统上 用于氨管理的机械系统的可行替代品。氨气作为能量载体的成功商业化和"氨经济"的长 期可持续性主要取决于燃料电池、电解池、和其它氨处理/管理系统的效率和成本效益。
[0006] 在操作中，单个燃料电池通常可W产生约1伏。为了获得所需量的电力，各个燃料 电池可W组合W形成燃料电池堆。燃料电池依序地堆叠在一起，每个电池包括阴极、电解质 膜、和阳极。每个阴极/膜/阳极组件构成"膜电极组件"、或"MEA"，其通常由双极板支撑 在两侧上。通过形成在板中的通道向MEA的电极供应气体(氨气和空气)，该通道被称为流 场。除了提供机械支撑之外，双极板(也称为流场板)也在物理上分开堆中的各个电池，同时 将它们电连接。
[0007] 图1是示出了现有技术的PEM燃料电池10的各种部件的分解示意图。如图所示， 双极板2侧接"膜电极组件"（MEA)，该"膜电极组件"包括阳极7A、阴极7C、和电解质薄膜 8。供应到电极7A的氨原子被电化学地分解成电子和质子(氨离子)。电子通过电路流至阴 极7C并且在该过程中产生电流，同时质子通过电解质膜8移动至阴极7C。在阴极处，质子 与电子和氧气结合(供应到阴极）W产生水和热量。
[000引另外，现有技术的阳M燃料电池10包括MEA的每一侧上的电池内的导电气体扩散 层（GDL) 5。GDL5用作使能够运输电池内的气体和液体的扩散介质，在双极板2和电解质 膜8之间提供电传导，有助于从电池中除去热量和工艺用水（processwater),并且在一些 情况中，向电解质膜8提供机械支撑。GDL5可W包括织造的或非织造的碳布，该碳布的电 极7A和7C位于面向电解质膜的侧上。在一些情况中，电极7A和7C包括涂敷到相邻的气 体扩散层5或电解质膜8上的电催化剂材料。通常，基于碳纤维的GDL并不满足高压差电 池的性能要求，特别是由于难W控制孔参数。因此，一些高压电化学电池(例如电化学氨压 缩机、净化器等）使用"烙块"型致密烧结金属、网包（screenpacks)、或膨胀的金属W形成 GDL5,W便更好的控制孔参数。然而，"烙块"型介质经常导致低空隙分数、高气流阻力，并 且容易在工作期间充满水。层状结构（即，网包和膨胀的金属）导致适合于高压差操作的相 对较厚的气体扩散层。然而，它们还会引入其它性能缺点(例如高接触电阻、使其难W冷却 该堆的高电流密度区域等)。传统GDL结构的物理限制限制了电化学电池在需要高压差的 过程中的适用性。该形成了对改善电化学电池的设计、耐用性和效率的持续要求。
【发明内容】
[0009] 本公开设及用于与电化学电池联用的流场和气体扩散层的设计和制造。具体地， 本公开设及用于与电化学电池联用的=维多孔流动结构的设计和制造方法。该种装置可W 用于电化学电池，该电化学电池在高压差下工作，包括但不限于燃料电池、电解池、氨净化 器、氨膨胀器、和氨压缩机。
[0010] 本公开的第一个方面是一种制造用于在电化学电池中使用的开口多孔流动结构 的方法。该方法包括步骤；选择空隙体积大于约70%的多孔金属材料，使用至少一种机械技 术来压实多孔金属材料，和将至少一个微孔材料层层压在多孔金属材料的一侧上。选择具 有平均孔径小于压实的多孔金属材料的平均孔径的至少一个微孔材料层。
[0011] 本公开的另一个方面是一种用于在电化学电池中使用的流动结构。该流动结构包 括压实的多孔金属衬底和至少一个微孔材料层，该至少一个微孔材料层被层压在压实的多 孔金属材料的一侧上，其中所述至少一个微孔材料层的平均孔径小于压实的多孔金属衬底 的平均孔径。
[0012] 本公开的又一个方面是一种用于高压差操作的电化学电池。该电化学电池包括第 一电极、第二电极、和置于其间的质子交换膜。该电池还包括第一和第二流动结构，其中第 一流动结构包括第一压实的多孔金属衬底，该第一压实的多孔金属衬底与第一电极和膜流 体且电连通，并且第二流动结构包括第二压实的多孔金属衬底，该第二压实的多孔金属衬 底与第二电极和膜流体且电连通。
【附图说明】
[0013] 并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图对本发明的实施例进行了说明， 并与说明书一起，用来解释本发明的各个方面的原理。
[0014] 图1图示了示出现有技术的质子交换膜（PE^O燃料电池的各种部件的分解示意 图； 图2A图示了根据本公开的示例性实施例的在压实之前的多孔金属材料； 图2B图示了根据本公开的示例性实施例的在压实之后的多孔金属材料； 图3图示了根据本公开的示例性实施例的作为暴露应力函数的=种不同的多孔金属 材料的相对密度； 图4图示了根据本公开的示例性实施例的作为接触压力函数的在流动结构-电解质膜 界面处测量的接触电阻； 图5A图示了根据本公开的示例性实施例的未压实的多孔金属材料； 图5B图示了根据本公开的示例性实施例的在压实和与微孔材料层的层压之后的多孔 金属材料； 图6A图示了根据本公开的示例性实施例的形成具有可变孔隙率的压实的多孔金属基 体的方法； 图6B~6D图示了根据本公开的示例性实施例的具有可变孔隙率的压实的多孔金属基 体的各种配置； 图7图示了根据本公开的示例性实施例的形成具有可变孔隙率的压实的多孔金属基 体的另一种方法； 图8图示了根据本公开的示例性实施例的多孔金属材料的示意图； 图9图示了根据本公开的示例性实施例的示出多孔金属材料的另一个示意图；和 图10图示了根据本公开的示例性实施例的作为针对双电池电化学氨压缩堆的时间函 数的压缩压力的变化。
【具体实施方式】
[0015] 应该理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述均仅是示例性和说明性的，而 非对所请求保护的本发明的限制。
[0016] 现在将参照与本公开一致的某些实施例，本公开的示例在附图中示出。只要可能， 相同的附图标记在所有附图中均用来指相同或相似的部分。虽然关于采用氨、氧、和水的质 子交换膜（PE^O燃料电池进行了描述，但是应当理解的是，本公开的装置和方法可W用于各 种类型的电化学电池，包括在高压差下工作的那些。如本文所用，术语叩EM"和"电解质膜" 可互换用来指质子交换膜。
[0017] 本公开设及用作高压差电化学电池的流场板和GDL的S维多孔衬底的制造。在 本公开的说明性实施例，使用金属泡沫或其它多孔金属衬底来制造流场板和气体扩散层。 在一个该样的实施例中，阳M的每一侧上的反应气体沿流场板流动并通过多孔GDL扩散至 阳M。在替代实