施例中，多孔金属流场板也可W执行GDL通常所需的功能，从而引入了从电 化学电池组件中清除GDL的可能性。在另一个替代实施例中，多孔金属衬底可W与阳M接触 放置，该多孔金属衬底由具有不同的平均孔径(较大的孔构成流场板，和较小的孔替换GDL) 的两个不同的层组成。因此，在下文中，流场板和GDL统称为"流动结构"，除非另有规定。 然而，在本公开的范围内，制造与传统GDL联用的多孔金属流场板、或者制造与传统通道型 流场板组合使用的多孔金属GDL。
[001引本公开的第一个方面是一种制造用于在电化学电池使用的用多孔金属材料制造 流动结构的方法。在一个说明性实施例中，可W通过压实高度多孔金属材料(诸如泡沫、烧 结金属烙块、或任何其它多孔金属）形成开口蜂窝流动结构。多孔金属材料可W包括金属 (诸如不诱钢、铁、侣、镶、铁等)、或金属合金(诸如镶铭合金等)。在一些说明性实施例中，金 属材料的孔径范围可W为约10ym~约1000ym。例如，金属材料的孔径范围可W为约 20ym~约1000 ]im(诸如约50ym~约1000ym、约20ym~约900ym等)、约30 ym~约800ym、从约40ym~约700ym、约50ym~约600ym、约60ym~约500 ^111、约70^1]1~约 500 ^111、约100^1]1~约 450 ^111、约 200 ^1]1~约 450 ^111、和约350ym~450ym。在说明性实施例中，金属材料的平均孔径为约400ym、约500ym，或约 800ym。在其它实施例中，金属材料的空隙体积的范围为约70%~约99%。例如，金属材料 的空隙体积的范围可W为约70%~约98%(诸如约75%~约98%、约75%~约95%、约75%~ 约90%、约75%~约85%、约70%~约80%、约73%~约77%、约80%~约90%、约83%~约87〇/〇、 约90%~约99%、和约93~约97%)。在说明性实施例中，金属材料的空隙体积可W为约75%、 约85%、或约95%。
[0019] 在一个该样的实施例中，具有约为95%的空隙体积和约为400ym的平均孔径的 金属材料用作起始材料，然后可W使用一种或多种机械技术(例如压制、轴制、铸造、锻造 等）压实多孔金属材料。
[0020] 图2A和图2B图示了在压实工艺之前和之后的多孔金属材料。如图2A所示，在压 实之前，在多孔金属材料中，系带（ligament) 20和系带20之间的空隙40形成了大致S维 结构。在压实工艺中，如图2B所示，系带20形成了大体上二维网络，同时空隙40保持 维连接。在示例性实施例中，压实工艺会造成增加材料的屈服强度的系带20的塑形变形 (也称为应变硬化或冷加工)。在一些实施例中，在能够进一步增加基体的有效强度的压实 工艺中，系带20可W折叠并且互相接触。因此，压实工艺可W增加多孔金属材料的强度。例 如，在一个实施例中，多孔金属材料在压实之前的屈服强度为30psi和在压实之后强度增 加至14,000psi。由于压实工艺之后，空隙40保持维连接，所W压实的多孔金属结构 可W维持充分的孔隙率W允许流体从中通过。
[0021] 在示例性实施例中，将旨在形成电化学电池的流动结构中的其中一个的多孔金属 材料压实至暴露后的轴向应力等级("Pexp。%/')，该暴露后的轴向应力等级("PexpDsed")等于 或大于电化学电池的预期的工作压力（"Pweuti。。")。例如，如果电化学电池旨在在约4,000 psi的压差下工作，则将形成流动结构中的其中一个的多孔金属材料压实至等于或大于约 4,000psi的应力等级。在高压差电化学电池的示例性实施例中，将低压流动结构（即，电 池的阳极侧上的流动结构）压实至大于高压流动结构（即，电池的阴极侧上的流动结构）的 密度等级的密度等级。在一些实施例中，暴露应力与工作压力（？。,。。,。<1作。。。1。《。。)的比值为约 1~约1. 5。
[0022] 图3示出了作为暴露应力函数的=种不同的多孔材料的相对密度，其暴露应力范 围为约0~约20,000psi和相对密度范围为约5%~约45% (空隙体积，定义为1-相对密 度，范围为约55%~约95%)。例如，在一个示例性实施例中，在约14,000psi的暴露应力 时，多孔金属材料的相对密度为约35%。如图3所示，多孔金属材料的密度可W随暴露应力 增加。通过调整暴露应力，可W定制流动结构中的孔的尺寸、形状、和分布（即，流动结构的 所得到的密度）W提供高压差电化学操作所必需的机械强度。在一个实施例中，例如，压实 可W提供大于约12,000psi的机械强度，同时在所得到的基体中维持约55%的空隙体积 讨目对密度约45%)。
[0023] 在一些实施例中，压实的多孔金属流动结构可W在电解质膜和流动结构之间的界 面处提供低接触电阻。接触电阻大致取决于两个相互作用的表面之间的接触压力，其接触 电阻随着接触压力的增加而降低。图4示出了作为接触压力函数的示例性压实的金属基体 的电接触电阻，其接触压力的范围为约1k奸/cm2~约300k奸/cm2并且接触电阻的范围为 约2mQ-cm2~100mQ-cm2。如图4所示，随着接触压力的增加，流动结构-PEM界面处的 接触电阻可W减小。在一个实施例中，即使在低接触压力下，压实的金属基体的接触电阻可 W较低(例如，小于约50mQ-cm2)。如果接触压力增加，则接触电阻可W进一步降低。
[0024] 界面处的接触电阻也由接触对的表面形貌控制。接触表面处的粗趟度特征可W减 少接触的实际面积并且电流仅流经接触凸（凹）体（contactasperities),其可W引起界面 两端的电压降。在本公开的示例性实施例中，压实工艺被设计成提供多孔金属流动结构，该 多孔金属流动结构具有至少一个平坦且平滑的表面。例如，在一个实施例中，所测量的表面 粗趟度（Ra)可W小于约32yin。在其它实施例中，用于压实的加工工具被选择和配置成 实现小于约20yin、约10yin、或约5yin的表面粗趟度。压实的金属基体的表面平直 度（surfaceflatness)也可W被测量W确保界面处的最佳接触电阻。在示例性实施例中， 所测量的平直度可W小于约0. 002英寸。在其它实施例中，平直度可W小于大约0. 001英 寸、或者小于约0. 0005英寸。压实的多孔金属流动结构的高平直度和低表面粗趟度可W在 相互作用的电池部件之间提供最佳接触电阻。
[0025] 在本公开的另一个方面，压实的多孔金属基体可W被层压在具有微孔材料层 (MPL)的一侧上W形成流动结构。例如，在压实工艺之前，多孔金属基体可W与MI^L层压，或 在压实工艺之后，多孔金属基体可W与MI^L层压。层压可W包括压延、压制、或将余覆 到多孔材料上。平坦且平滑的层压后的表面可W邻近电化学电池的电解质膜。
[0026] 在示例性实施例中，MPL的孔径的范围为约0. 1ym~50ym。例如，MPL 的平均孔径的范围可W为约0. 1ym~约40ym(诸如约0. 5ym~约20ym、 约0.5~10ym，约1ym~约10ym等)。在说明性实施例中，层压后的MPL的 平均孔径小于压实的层的平均孔径，该会通过金属流动结构形成孔隙率梯度并且 便于向电解质膜分布机械支撑。例如，MI^L与压实的多孔基体的平均孔径的比率 (目〇("斬1|}1|冲〇[6;。>1".|>!|?晚.。幽!1)可^小于约0.5。在另i^头施例中，fX>f6^柄中0'?^6i；CTnfae!?l_Malfil可!^J>小 于约0. 4、小于约0. 3、小于约0. 2、小于约0. 1、或者小于约0. 05。
[0027] 在示例性实施例中，可W通过层压多个MI^L形成孔隙率梯度，每个MI^L的平均孔径 小于紧邻的上一层的平均孔径。通过层压压实的多孔基体与多个MI^L所实现的孔径梯度如 图5A(在压实之前）和图5B(在压实和层压之后）中的示意图图示。孔径的梯度对于在高 压差下工作的电化学电池可能是合乎需要的，因为它有助