电化学电池堆的阴极流场分布制造技术

提供了一种电化学电池堆。电化学电池堆包括多个电化学电池。每个电化学电池具有膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。每个电化学电池还具有阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间。阴极流场包括多孔结构，多孔结构具有多个孔，多个孔具有平均孔径。多个电化学电池具有第一电化学电池，第一电化学电池位于堆的第一端处。第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。并且，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化学电池堆的阴极流场分布本申请要求于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,146号和于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,228号的权益，其全部内容各自通过引用并入本文。
本公开涉及电化学电池和电化学电池堆，更具体地，涉及电化学电池堆的阴极流场分布。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。如上文所描述的，在阴极处生成水，作为燃料和氧化剂转化为电的副产物。通常，凭借反应气体(例如，氧气)的流动从电化学电池中除去水。水除去效率低下可能导致电化学电池充满。充满电化学电池会导致反应气体流动减少或完全停止。积聚过多的水会导致单个电化学电池发生故障，进而导致电化学电池堆的不稳定和/或故障。在典型的电化学电池堆中，端部电化学电池的操作温度可能与位于其间的电化学电池的操作温度不同。通常，由于端部电化学电池仅具有一个发热相邻电化学电池，而位于其间的电化学电池经受来自两个发热相邻电化学电池的热量，所以这些端部电化学电池的操作温度低于位于端部电化学电池之间的电化学电池的操作温度。端部电池不仅会经受来自一个发热相邻电化学电池的热量，而且还会通过电化学电池堆组件的端部部件(诸如容纳电化学电池堆的电流提取板和端板)与大气更直接接触，因此进行传导冷却。在不受任何特定理论所束缚的情况下，增加对端部电池的冷却可能导致水的积聚，这可能对单个电池和电化学电池堆的性能造成不利影响。解决该问题的尝试包括添加与端部电池相邻定位的加热器，以努力在所有电化学电池中维持均匀的操作温度。然而，添加这样的加热器给电化学电池堆组件增加了不必要的复杂性、重量、寄生能量以及空间消耗。因而，需要改进的电化学电池堆设计，其控制电化学电池中(特别是端部电化学电池中)水的积聚量。
技术实现思路
鉴于前述电化学电池堆设计的考量，本公开涉及一种电化学电池堆，其旨在克服现有技术中为上述问题和/或其他问题中的一个或多个问题。在一个方面中，本公开涉及一种电化学电池堆。该电化学电池堆可以包括沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。每个电化学电池可以包括膜电极组件，该膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜。每个电化学电池还可以包括阳极板和阴极板，该阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及阴极流场，该阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构，该多孔结构具有多个孔，该多个孔具有平均孔径。在一些实施例中，多个电化学电池可以包括第一电化学电池，该第一电化学电池位于堆的第一端处。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的平均孔径可能大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力可能小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动尺寸(即，厚度)可能大于多个电化学电池的多孔结构的流动尺寸(即，厚度)。在一些实施例中，第一电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在其他实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在其他实施例中，第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。在一些实施例中，多个电化学电池包括最后一个电化学电池，该最后一个电化学电池位于堆的与第一电化学电池相对的一端处，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。在一些实施例中，多个电化学电池包括第二电化学电池，该第二电化学电池与第一电化学电池相邻定位，其中与第一电化学电池相邻定位的第二电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第二电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，第二电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。在一些实施例中，多个电化学电池包括第三电化学电池，该第三电化学电池与最后一个电化学电池相邻定位，其中与最后一个电化学电池相邻定位的第三电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。在一些实施例中，第三电化学电池的多孔结构的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池堆，包括：/n沿着纵轴堆叠的多个电化学电池，每个电化学电池包括：/n膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜；/n阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及/n阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构，多孔结构具有多个孔，多个孔具有平均孔径；/n其中多个电化学电池包括第一电化学电池，第一电化学电池位于堆的第一端处；/n其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径；以及/n其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180117 US 62/618,146;20180117 US 62/618,2281.一种电化学电池堆，包括：
沿着纵轴堆叠的多个电化学电池，每个电化学电池包括：
膜电极组件，膜电极组件包括阴极催化剂层、阳极催化剂层以及插置于阴极催化剂层与阳极催化剂层之间的聚合物膜；
阳极板和阴极板，阳极板与阴极板之间插置有膜电极组件；以及
阴极流场，阴极流场位于阴极板与阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构，多孔结构具有多个孔，多个孔具有平均孔径；
其中多个电化学电池包括第一电化学电池，第一电化学电池位于堆的第一端处；
其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径；以及
其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力小于多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力。


2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。


3.根据权利要求1或2所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。


4.根据权利要求3所述的电化学电池堆，其中第一电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括最后一个电化学电池，最后一个电化学电池位于堆的与第一电化学电池相对的一端处，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。


6.根据权利要求5所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。


7.根据权利要求5或6所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。


8.根据权利要求7所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括第二电化学电池，第二电化学电池与第一电化学电池相邻定位，其中与第一电化学电池相邻定位的第二电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。


10.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中第二电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。


11.根据权利要求9或10所述的电化学电池堆，其中第二电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。


12.根据权利要求11所述的电化学电池堆，其中最后一个电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约15％。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的电化学电池堆，其中多个电化学电池包括第三电化学电池，第三电化学电池与最后一个电化学电池相邻定位，其中与最后一个电化学电池相邻定位的第三电化学电池的多孔结构的平均孔径大于多个电化学电池的多孔结构的平均孔径。


14.根据权利要求13所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的平均孔径比多个电化学电池的多孔结构的平均孔径大约5％至约50％。


15.根据权利要求13或14所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％至约50％。


16.根据权利要求15所述的电化学电池堆，其中第三电化学电池的多孔结构的流动阻力比多个电化学电池的多孔结构的平均流动阻力小约5％。


17.根据权利要求1至16中任一项所述的电化学电池堆，其中多个电化...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利波·甘比尼，斯科特·布兰切特，奥尔加·波利瓦亚，爱德华·多米特，安德鲁·鲍尔，帕特里克·布兰德，
申请(专利权)人：努威拉燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US