流体流动设计改进的电化学电池制造技术

一种电化学电池堆，具有沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。电化学电池包括膜电极组件，膜电极组件具有阳极板和阴极板，膜电极组件插置于阳极板与阴极板之间。电化学电池还包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件，并且阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。电化学电池还包括阴极流场，阴极流场位于阴极板和阴极催化剂层之间，其中阴极流场包括多孔结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流体流动设计改进的电化学电池本申请要求于2018年1月17日提交的美国临时申请第62/618,221号的权益，其全部内容通过引用并入。
本公开涉及电化学电池，更具体地，涉及流体流动设计改进的电化学电池。
技术介绍
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。在燃料电池中，期望燃料和氧化剂完全均匀分布在整个流场中，以便使所利用的MEA的活性区域最大，从而改善整体性能。但是，现有技术的燃料电池设计一直在努力实现完全均匀分布。附加地，期望不会沿着燃料和氧化剂的流动路径产生过度压降，否则会消耗燃料电池堆所生成的一些电能并且降低燃料电池堆的整体效率。如此，改善燃料电池的流动设计一直面临挑战。改善燃料电池堆的整体性能和功率密度的另一方式可以是减小燃料电池堆的相邻电池之间的节距(即，间距)和/或电池的厚度。电池厚度可以例如通过减小每个单独燃料电池的流场的厚度来减小。然而，由于通过压缩燃料电池堆导致流动路径的减小，该压缩可能会增加燃料电池堆的负荷，所以在不会沿着燃料和氧化剂流动路径产生过度压降的情况下，可能难以实现这种情况。
技术实现思路
鉴于上述情况，本公开涉及一种流动设计改进且性能和功率密度改善的燃料电池和燃料电池堆设计。在一个方面中，本公开涉及一种电化学电池堆，其具有沿着纵轴堆叠的多个电化学电池。电化学电池可以各自包括膜电极组件，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。电化学电池还可以各自包括阳极板和阴极板，该阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件，并且阳极板限定多个通道，该多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。电化学电池还可以各自包括阴极流场，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。在一些实施例中，每个电化学电池还可以包括第一歧管段，该第一歧管段包括阳极供给歧管、阴极排出歧管、以及冷却剂排出歧管；以及第二歧管段，该第二歧管段包括阳极排出歧管、阴极供给歧管、以及冷却剂供给歧管。冷却剂排出歧管可以位于阳极供给歧管与阴极排出歧管之间，并且冷却剂供给歧管可以位于阳极排出歧管与阴极供给歧管之间。在一些实施例中，阴极排出歧管可以位于冷却剂排出歧管的一侧上，并且阳极供给歧管可以位于冷却剂排出歧管的相对侧上，而阴极供给歧管在冷却剂供给歧管的右侧并且阳极排出歧管在冷却剂供给歧管的左侧。在一些实施例中，通过阳极流场的阳极供给歧管与阳极排出歧管之间的流体流动与通过阴极流场的阴极排出歧管与阴极供给歧管之间的流体流动交叉并逆向。在一些实施例中，每个电化学电池还可以包括第一歧管段，该第一歧管段包括第一阳极供给歧管、第二阳极供给歧管、第一阴极排出歧管、第二阴极排出歧管、第一冷却剂排出歧管、以及第二冷却剂排出歧管；以及第二歧管段，该第二歧管段包括第一阳极排出歧管、第二阳极供给歧管、第一阴极供给歧管、第二阴极供给歧管、第一冷却剂供给歧管、以及第二冷却剂供给歧管。第一冷却剂排出歧管可以位于第一阳极供给歧管与第一阴极排出歧管之间，第二冷却剂排出歧管可以位于第二阳极供给歧管与第二阴极排出歧管之间。第一冷却剂供给歧管可以位于第一阳极排出歧管与第一阴极供给歧管之间，并且第二冷却剂供给歧管可以位于第二阳极排出歧管与第二阴极供给歧管之间。在一些实施例中，通过阳极流场的第一阳极供给歧管和第二阳极供给歧管与第一阳极排出歧管和第二阳极排出歧管之间的流体流动可以与第一阴极排出歧管和第二阴极排出歧管与第一阴极供给歧管和第二阴极供给歧管之间的流体流动交叉并逆向。在一些实施例中，阳极板和阴极板的右半部和左半部可以被布置为跨过二等分线的倒像。在一些实施例中，阴极排出歧管的面积可以大于冷却剂排出歧管的面积，并且冷却剂歧管的面积可以大于阳极供给歧管的面积。在一些实施例中，每个电化学电池还可以包括气体扩散层，该气体扩散层与膜电极组件的每侧相邻定位。在一些实施例中，多孔结构至少包括镍和铬。多孔结构可以包括质量的60％至质量的80％的镍浓度和质量的20％至质量的40％的铬浓度，并且多孔结构的至少一个表面可以包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。多孔结构可以包括约3％至约6％的铬浓度、约10％至约20％的锡浓度、以及约74％至约87％的镍浓度。在另一方面中，本公开涉及一种具有沿着纵轴堆叠的多个电化学电池的电化学电池堆。该电化学电池可以各自包括膜电极组件，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。该电化学电池还可以各自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，并且阳极板限定多个通道，该多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场。该电化学电池还可以各自包括阴极流场，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，并且阴极板包括沿着多孔结构的侧面的一对阴极流场边界。在一些实施例中，该对阴极流场边界从阴极板延伸到膜电极组件，并且可以被配置为防止氧化剂阴极流场周围流动。在一些实施例中，阴极流场边界之间的距离可以约等于阴极流场的宽度。在一些实施例中，阴极流场边界可以从阴极板突出的深度等于阴极流场的深度。在一些实施例中，阴极流场边界可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池堆，包括：/n多个电化学电池，多个电化学电池沿着纵轴堆叠，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和阳极催化剂层之间的聚合物膜；/n阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件，并且阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场；/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；以及/n第一歧管段以及第二歧管段，第一歧管段包括阳极供给歧管、阴极排出歧管以及冷却剂排出歧管；第二歧管段包括阳极排出歧管、阴极供给歧管以及冷却剂供给歧管；/n其中冷却剂排出歧管位于阳极供给歧管与阴极排出歧管之间，而冷却剂供给歧管位于阳极排出歧管与阴极供给歧管之间。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180117 US 62/618,2211.一种电化学电池堆，包括：
多个电化学电池，多个电化学电池沿着纵轴堆叠，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和阳极催化剂层之间的聚合物膜；
阳极板和阴极板，阳极板和阴极板之间插置有膜电极组件，并且阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场；
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；以及
第一歧管段以及第二歧管段，第一歧管段包括阳极供给歧管、阴极排出歧管以及冷却剂排出歧管；第二歧管段包括阳极排出歧管、阴极供给歧管以及冷却剂供给歧管；
其中冷却剂排出歧管位于阳极供给歧管与阴极排出歧管之间，而冷却剂供给歧管位于阳极排出歧管与阴极供给歧管之间。


2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阴极排出歧管位于冷却剂排出歧管的一侧上，并且阳极供给歧管位于冷却剂排出歧管的相对侧上，而阴极供给歧管在冷却剂供给歧管的右侧并且阳极排出歧管在冷却剂供给歧管的左侧。


3.根据权利要求2所述的电化学电池堆，其中通过阳极流场的阳极供给歧管与阳极排出歧管之间的流体流动与通过阴极流场的阴极排出歧管与阴极供给歧管之间的流体流动交叉并逆向。


4.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中阴极排出歧管的面积大于冷却剂排出歧管的面积，并且冷却剂歧管的面积大于阳极供给歧管的面积。


5.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中每个电化学电池还包括气体扩散层，气体扩散层与膜电极组件的每侧相邻定位。


6.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中多孔结构至少包括镍和铬。


7.根据权利要求6所述的电化学电池堆，其中多孔结构包括质量的60％至质量的80％的镍浓度和质量的20％至质量的40％的铬浓度，并且多孔结构的至少一个表面包括质量的约3％至质量的约50％的铬浓度。


8.根据权利要求6所述的电化学电池堆，其中多孔结构可以包括约3％至约6％的铬浓度、约10％至约20％的锡浓度以及约74％至约87％的镍浓度。


9.一种电化学电池堆，包括：
多个电化学电池，多个电化学电池沿着纵轴堆叠，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，并且阳极板限定多个通道，多个通道形成面向阳极催化剂层的阳极流场；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；
其中阴极板包括沿着多孔结构的侧面的一对阴极流场边界。


10.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中一对阴极流场边界从阴极板延伸到膜电极组件，并且被配置为防止氧化剂在阴极流场周围流动。


11.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中阴极流场边界之间的距离约等于阴极流场的宽度。


12.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中阴极流场边界从阴极板突出的深度等于阴极流场的深度。


13.根据权利要求9所述的电化学电池堆，其中阴极流场边界大体...

【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，
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