CN102290581B - 一体式双效再生燃料电池的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式双效再生燃料电池的双极板。该双极板包括双面流场基板和与之串联的单面流场基板，双面流场基板和单面流场基板上均设有若干个通孔即氢气进气孔、辅助气体进气孔、冷却水进水孔、氢气出气孔、辅助气体出气孔和冷却水出水孔，这些通孔与电池堆其他相邻部件上对应的通孔密封连接后构成对应的氢气分配管路、辅助气体分配管路和冷却水分配管路的进出通道。本发明在燃料电池模式时提高了燃料利用率，有利于双极板上气体流速、电流密度和温度的均匀分布，有效避免出现水积现象，提高了电池发电性能；在水电解模式时，有利于水与产生的气体分离，防止气体阻断水的流动，从而有效提高水电解的效率。

Description

一体式双效再生燃料电池的双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池流场的装置，具体涉及再生燃料电池的双极板。

背景技术

再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell，简称RFC)是一种将氢氧燃料电池技术与水电解技术相结合的、以氢气作为能量载体的新型储能装置，它的主要功能部分——电池组具有两种运行模式：水电解模式即充电模式和燃料电池模式即放电模式。在水电解模式下，向电池组的正极供给纯水，通过水电解反应分别在正极室即氧电极室和负极室即氢电极室产生氢气和氧气，以氢气作为能量载体把电能储存起来；在燃料电池模式下，将储存的氢气和氧气或者氢气和空气分别供给电池组的氧电极室和氢电极室，进行燃料电池发电反应。

再生燃料电池是以氢作为能量载体的储能技术，不受放电深度及电池容量的限制，储能容量仅与储氢容量即容器大小有关，安全性好；没有自放电问题，不工作，无能量损失，不带电；寿命长，可达几万小时；不仅可以供电，还可以向外界提供高纯度的氢气和氧气，这为储能系统提供了更多的灵活性；没有对环境污染问题，因为排放产物只有水；能够达到很高能量密度(300-800Wh/kg)，在质量严格限制场合有重要意义。

如果燃料电池和水电解器的功能均在一个电池组内完成，即将燃料电池和水电解两种功能合二为一，就构成了一体式再生燃料电池(Unitized Regenerative FuelCell，简称URFC)，从而能够有效简化系统结构、降低系统重量、提高系统比能量和比功率特性。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利授权公告号为：CN 201163639Y，名称为“一体式再生燃料电池及其水电解装置的流场板”的专利，采用平行结构流场，该结构流场板实现了燃料电池与水电解器一体，具有结构简单、节约能耗、应用灵活等有益效果，但是平行结构流场在燃料电池模式时，气体流速低，会造成流道排水不畅，出现在流道中积水现象，降低发电性能和效率；气体流速高，则会造成气体利用率低，降低系统效率。

中国专利公开号为：CN 101267042A，名称“双极板流场中的流道的分叉”的专利申请，在双极板流场通道设计中使用分叉的流道构型，所述的双极板流场采用入口区域连通的流道的数量比与出口区域连通的流动通道的数量更多，在中间部分流道通道交叉和合并等方案，从而抑制了流场中水的滞流，实现了优化的电流密度、减轻了电极的碳腐蚀，并且使得燃料电池的稳定性和抗冷冻性能最大化。

中国专利公开号为：CN 101047252A，名称为“一种质子交换膜燃料电池混合型逐变流场”的专利申请，也提及了一种质子交换膜燃料电池用流道数目逐次递减蛇形流场和多通道圆形流场混合构成的流场结构，此发明提高了燃料利用率、双极板上温度场均匀性，有效提高了电池的排水速度，避免了在流道中积水现象。但是这些流场设计仅针对燃料电池模式运行特点，不适合水电解模式要求流体压降低的条件，因而无法满足一体式再生燃料电池要求。

美国专利号为：US 6833207B2，名称为“Unitized regenerative fuel cell withbifunctional fuel cell humidifier and water electrolyzer”(具有双功能燃料电池加湿器和水电解器的一体式再生燃料电池)，该专利介绍了将燃料电池和水电解器集成为一体的再生燃料电池，在该再生燃料电池中把燃料电池堆和水电解器堆分别采用不同的流场结构，每种模式分别使用不同的工作区域，水电解流场板在水电解模式下为电解水以及产生氢气和氧气提供流道，在燃料电池模式下起到预热和加湿气体作用；燃料电池流场板在燃料电池模式下提供发电的氢气和氧气流道，在水电解模式下提供电解水通道。两种模式之间可以快速切换，水电解流场板和燃料电池流场板能够保障两种模式下的高效运行。但使用两套双极板和相应电池，增加系统成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种一体式双效再生燃料电池的双极板，该装置兼顾了燃料电池模式和水电解模式的不同特点，在燃料电池模式时提高了燃料利用率，有利于双极板上气体流速、电流密度和温度的均匀分布，有效避免出现在流道中积水现象，提高了电池发电性能；在水电解模式时，有利于水与产生的气体分离，防止气体阻断水的流动，从而有效提高水电解的效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的一体式双效再生燃料电池的双极板包括：若干块双面流场基板和若干块单面流场基板，其中，若干块双面流场基板与若干块单面流场基板依次交替排列且串联连接。

所述的双面流场基板和单面流场基板上均设有若干个通孔即氢气进气孔、辅助气体进气孔、冷却水进水孔、氢气出气孔、辅助气体出气孔和冷却水出水孔，这些通孔与再生燃料电池堆的其它相邻部件(如其他双极板及端板)对应的通孔密封连接后构成对应的氢气分配管路、辅助气体分配管路和冷却水分配管路的进出通道。

所述的双面流场基板相背的两个侧面分别为辅助气体流场面和冷却水流场面。

所述的辅助气体流场面的表面上设有辅助气体流道，该辅助气体流道分别与辅助气体进气孔和辅助气体出气孔连接。

所述的辅助气体流道包括：辅助进气流道和辅助出气流道，其中，辅助进气流道与辅助出气流道连接，辅助进气流道和辅助出气流道分别与辅助气体进气孔和辅助气体出气孔连接，辅助进气流道的横截面面积大于辅助出气流道的横截面面积，当辅助气体分配管路中为氧气时，辅助进气流道的数量大于辅助出气流道的数量；当辅助气体分配管路中为空气时，辅助进气流道的数量等于辅助出气流道的数量。

所述的冷却水流场面上设有冷却水流道，冷却水流道分别与冷却水进水孔和冷却水出水孔连接。

所述的单面流场基板的一个侧面为氢气流场面，该氢气流场面上设有氢气流道，该氢气流道分别与氢气进气孔和氢气出气孔连接。

所述的氢气流道包括：氢气进气流道和氢气出气流道，其中：氢气进气流道与氢气出气流道连接，氢气进气流道和氢气出气流道分别氢气进气孔和氢气出气孔连接，氢气进气流道的横截面面积大于氢气出气流道的横截面面积，氢气进气流道的数量大于氢气出气流道的数量。

本发明能够用于一体式再生燃料电池，也能够用于一般燃料电池或者水电解器。在燃料电池发电时，辅助气体或氢气经双极板上设定的通孔入口区域进入对应的气体流道，未反应气体再通过双极板上设定的通孔导出；水电解时，电解生成气体也可经双极板上的对应通孔出口区域导出。因此，本发明兼顾了燃料电池模式和水电解模式对流道要求，具有结构简单、制造成本低、应用灵活的特点。

附图说明

图1a和图1b为本发明结构示意图，其中：图1a为连接后结构示意图，图1b为一块双极板组合结构示意图。

图2a和图2b为实施例1结构示意图，其中：图2a为辅助气体流场面，图2b为冷却水流场面。

图3为实施例1的氢气流场面结构示意图。

图4a和图4b为实施例2结构示意图，其中：图4a为辅助气体流场面，图4b为冷却水流场面。

图5a和图5b为实施例3结构示意图，其中：图5a为辅助气体流场面，图5b为冷却水流场面。

图6为实施例3的氢气流场面结构示意图。

图7a和图7b为实施例4结构示意图，其中：图7a为辅助气体流场面，图7b为冷却水流场面。

图8为实施例4的氢气流场面结构示意图。

图9为实施例1燃料电池模式下模拟结果。

图10为实施例1水电解模式下模拟结果。

图11为实施例2燃料电池模式下模拟结果。

图12为实施例2水电解模式下模拟结果。

图13为实施例3燃料电池模式下模拟结果。

图14为实施例3水电解模式下模拟结果。

图15为实施例4燃料电池模式下模拟结果。

图16为实施例4水电解模式下模拟结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例中，辅助气体管路中的气体为氧气，如图1a和图1b所示，本实施例包括：若干块双面流场基板1和若干块单面流场基板2，其中：若干块双面流场基板1与若干块单面流场基板2依次交替排列且串联连接。

如图2a、图2b和图3所示，所述的双面流场基板1和单面流场基板2的上均设有若干个通孔即氢气进气孔3、辅助气体进气孔4、冷却水进水孔5、氢气出气孔6、辅助气体出气孔7和冷却水出水孔8，这些通孔与电池堆其他相邻部件上对应的通孔密封连接后构成对应的氢气分配管路、辅助气体分配管路和冷却水分配管路的进出通道。

所述的双面流场基板1相背的两个侧面分别为辅助气体流场面9和冷却水流场面10。

所述的辅助气体流场面9的表面上设有辅助气体流道11，该辅助气体流道11分别与辅助气体进气孔4和辅助气体出气孔7连接。

所述的辅助气体流道11包括：辅助进气流道12和辅助出气流道13，其中：辅助进气流道12与辅助出气流道13连接，辅助进气流道12和辅助出气流道13分别与辅助气体进气孔4和辅助气体出气孔7连接，辅助进气流道12的横截面面积大于辅助出气流道13的横截面面积，辅助进气流道12的数量大于辅助出气流道13的数量。

所述的冷却水流场面10上设有冷却水流道18，冷却水流道18分别与冷却水进水孔5和冷却水出水孔8连接。

所述的单面流场基板2的一个侧面为氢气流场面14，该氢气流场面14上设有氢气流道15，该氢气流道15分别与氢气进气孔3和氢气出气孔6连接。

所述的氢气流道15包括：氢气进气流道16和氢气出气流道17，其中：氢气进气流道16与氢气出气流道17连接，氢气进气流道16和氢气出气流道17分别氢气进气孔3和氢气出气孔6连接，氢气进气流道16的横截面面积大于氢气出气流道17的横截面面积，氢气进气流道16的数量大于氢气出气流道17的数量。

所述的双面流场基板1和单面流场基板2均为圆形。

当本实施例为燃料电池发电模式时，氢气和氧气分别经氢气进气孔3和辅助气体进气孔4流入后，通过对应的氢气进气流道16和辅助进气流道12，由于气体流动过程中逐渐减少气压下降，水量增加，为此合并部分气体流道，使得出气流道的数量小于对应进气流道的数量。氢气和氧气在各自的流道中分别通过扩散进入膜电极组件，进行电化学反应，剩余尾气通过对应的氢气出气流道17和辅助出气流道13导流经氢气出气孔6和辅助气体出气孔7流出。

当本实施例为水电解模式时，水经通孔氢气出气孔6和辅助气体出气孔7后，通过对应的氢气出气流道17和辅助出气流道13，由于水流动过程中逐渐减少，产生的气体增多，气体流速增大，流经对应的流道分别通过扩散，进入膜电极组件，进行电化学反应，氢气和氧气分别通过对应的氢气进气流道16和辅助进气流道12，从氢气进气孔3和辅助气体进气孔4流出。

本实施例的测试气体为N₂，压力为0.05MPa，不同流量的气体通过燃料电池模型，利用U型液压管测量通入燃料电池前后的压差，压差通过水柱高度差表示。

如图9所示，本实施例的燃料电池模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：a为燃料电池模式下氧气由辅助气体进气孔4进入、辅助气体出气孔7排出的液压管水柱高度差；b为燃料电池模式下氢气由氢气进气孔3进入、氢气出气孔6排出的液压管水柱高度差。

如图10所示，本实施例的水电解模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，c为水电解模式下由辅助气体出气孔7进入、辅助气体进气孔4排出的液压管水柱高度差；d为水电解模式下由氢气出气孔6进入、氢气进气孔3排出的液压管水柱高度差。

实施例2

本实施例中，辅助气体管路中的气体为空气，如图4a和图4b所示，所述的辅助进气流道12的数量等于辅助出气流道13的数量。

如图11所示，本实施例的燃料电池模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：a为燃料电池模式下空气由辅助气体进气孔4进入、辅助气体出气孔7排出的液压管水柱高度差；b为燃料电池模式下氢气由氢气进气孔3进入、氢气出气孔6排出的液压管水柱高度差；

如图12所示，本实施例的水电解模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：c为水电解模式下由辅助气体出气孔7进入、辅助气体进气孔4排出的液压管水柱高度差；d为水电解模式下由氢气出气孔6进入、氢气进气孔3排出的液压管水柱高度差。

实施例3

本实施例中，辅助气体管路中的气体为氧气，如图5a、图5b和图6所示，所述的双面流场基板1和单面流场基板2均为四边形。

所述的辅助进气流道12的数量大于辅助出气流道13的数量。

如图13所示，本实施例的燃料电池模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：a为燃料电池模式下氧气由辅助气体进气孔4进入、辅助气体出气孔7排出的液压管水柱高度差；b为燃料电池模式下氢气由氢气进气孔3进入、氢气出气孔6排出的液压管水柱高度差。

如图14所示，本实施例的水电解模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：c为水电解模式下由辅助气体出气孔7进入、辅助气体进气孔4排出的液压管水柱高度差；d为水电解模式下由氢气出气孔6进入、氢气进气孔3排出的液压管水柱高度差。

实施例4

本实施例中，辅助气体管路中的气体为空气，如图7a、图7b和图8所示，所述的双面流场基板1和单面流场基板2的上均设有两个辅助气体进气孔4，即为第一辅助进气孔19和第二辅助进气孔20。

所述的双面流场基板1和单面流场基板2均为四边形。

所述的辅助进气流道12的数量等于辅助出气流道13的数量。

如图15所示，本实施例的燃料电池模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：a1和a2分别为燃料电池模式下空气由第一辅助进气孔19和第二辅助进气孔20进入、辅助气体出气孔7排出的液压管水柱高度差；b为燃料电池模式下氢气由氢气进气孔3进入、氢气出气孔6排出的液压管水柱高度差。

如图16所示，本实施例的水电解模式下模拟结果，横轴为流量Q(L/min)，纵轴为水柱高度差ΔH(cm)，其中：c为水电解模式下由辅助气体出气孔7进入、辅助气体进气孔4排出的液压管水柱高度差；d为水电解模式下由氢气出气孔6进入、氢气进气孔3排出的液压管水柱高度差。

Claims (2)

1.一种一体式双效再生燃料电池的双极板，其特征在于，包括：若干块双面流场基板和若干块单面流场基板，其中，若干块所述双面流场基板与若干块所述单面流场基板依次交替排列且串联连接；

所述的双面流场基板和单面流场基板上均设有若干个通孔即氢气进气孔、辅助气体进气孔、冷却水进水孔、氢气出气孔、辅助气体出气孔和冷却水出水孔，这些通孔与再生燃料电池堆的其它相邻组件上对应的通孔密封连接后构成对应的氢气分配管路、辅助气体分配管路和冷却水分配管路的进出通道；

所述的双面流场基板相背的两个侧面分别为辅助气体流场面和冷却水流场面；

所述的辅助气体流场面的表面上设有辅助气体流道，所述辅助气体流道分别与所述辅助气体进气孔和所述辅助气体出气孔连接；

所述的辅助气体流道包括：辅助进气流道和辅助出气流道，其中：所述辅助进气流道与所述辅助出气流道连接，所述辅助进气流道和所述辅助出气流道分别与所述辅助气体进气孔和所述辅助气体出气孔连接；

所述辅助气体为空气或氧气；

所述的辅助进气流道的横截面面积大于所述辅助出气流道的横截面面积，当辅助气体分配管路中为氧气时，所述辅助进气流道的数量大于所述辅助出气流道的数量；当辅助气体分配管路中为空气时，所述辅助进气流道的数量等于所述辅助出气流道的数量；

所述的单面流场基板的一个侧面为氢气流场面，所述氢气流场面上设有氢气流道，所述氢气流道分别与所述氢气进气孔和所述氢气出气孔连接；

所述氢气流道包括：氢气进气流道和氢气出气流道，其中，所述氢气进气流道与所述氢气出气流道连接，所述氢气进气流道和所述氢气出气流道分别所述氢气进气孔和所述氢气出气孔连接；

所述氢气进气流道的横截面面积大于所述氢气出气流道的横截面面积，所述氢气进气流道的数量大于所述氢气出气流道的数量；

所述双极板在燃料电池发电模式时氢气和辅助气体经由所述氢气进气孔和所述辅助气体进气孔分别进入所述氢气进气流道和所述辅助气体进气流道，并经由所述氢气出气流道和所述辅助气体出气流道流向所述氢气出气孔和所述辅助气体出气孔；在电解模式时；电解反应产生的气体沿与所述燃料电池发电模式时的气体流向相反的方向经由所述氢气进气孔和辅助气体进气孔流出所述进出通道。

2.根据权利要求1所述的一体式双效再生燃料电池的双极板，其特征在于，所述的冷却水流场面上设有冷却水流道，所述冷却水流道分别与所述冷却水进水孔和所述冷却水出水孔连接。

Images