CN107546401B - 一种双向可逆燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向可逆燃料电池系统，该系统包括可逆燃料电池模块、氢气储存模块、氧气储存模块、储水模块以及电源转换模块，可逆燃料电池模块包括多个相互串联的单电池，单电池包括双流道氧气侧极板、氢气侧极板以及膜电极组件。与现有技术相比，本发明双流道氧气侧极板采用双排并行的流道和定向微通道结构，实现堆内水气分离；气体扩散层采用电激励动态切换有序孔道结构，实现水传输的动态可控；催化剂以IrOx化合物为基础，将高氧还原Pt负载在颗粒结构IrOx/SrIrO₃上，实现高稳定的氧还原‑氧析出双效催化，真正达到发电模式与电解模式兼顾，可实现堆内水传输可控，提高了可逆系统的反应效率和稳定性。

Description

一种双向可逆燃料电池系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种双向可逆燃料电池系统。

背景技术

21世纪是能源变迁与环境保护的世纪，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的传统不可再生资源，不仅因日渐枯竭而储量不断减少，而且还造成了严重的环境污染，人类正面临着日益严峻的能源危机和环境污染，亟需一种能量转化效率高、环境友好的替代能源。氢能作为公认的可再生清洁能源，被誉为21世纪最具发展前景的替代能源，其开发利用技术得到世界范围的关注。其中，燃料电池(Fuel Cell，FC)作为一种将化学能直接转化成电能的新型能源装置，具有能量密度高、环境友好、启动快、工作温度低等优势，有望在交通工具、航空航天、电子设备、工作电站等诸多领域得到广泛应用。电解电池(WaterElectrolysis，WE)是将电能转化为化学能的一种装置，可用于电能的化学方式储存。

可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell，URFC)兼顾燃料电池(FC)和电解电池(WE)的功能，当执行FC功能时，氧电极O₂+4H⁺+4e→2H₂O，氢电极H₂－2e→2H⁺，氢气和氧气发生电化学反应生成水，并对外输出电能；当执行WE功能时，氧电极2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e→H₂，在外加电能的条件下，水电解生成氢气和氧气，达到储能目的。可再生燃料电池作为一种新型的可再生能源系统，实现了燃料电池发电系统和电解系统的复合，降低了系统整体的体积和成本，但其正向功能和逆向功能兼顾困难，例如：氧气侧极板发电排水和电解需水难以兼顾，气体扩散层发电憎水环境和电解亲水环境难以兼顾，催化剂的发电氧还原与电解析氧反应难以同时兼顾。因此，现有的URFC系统效率低下，难以实现高效双向可逆反应，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。

中国发明专利CN102185327A公开了一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，包括AC/DC变换系统、可逆燃料电池系统、DC/AC变换系统、控制系统、储氢系统、储氧系统和储水系统等，该专利介绍了一种储能装置的工作原理，但并未涉及可逆燃料电池系统的具体构造和具体实现方式。国际专利US20140234734A1(中国发明专利CN104115327A)公开的可逆燃料电池系统包括：含有二氧化锰的正极；含有储氢材料的负极；独立的氢储存室和氧储存室。该系统虽然可实现一次电池放电，二次电池蓄电，但是并未考虑系统水管理问题，对催化剂如何高效地达到可逆反应并未涉及，因此系统效率有待提高。国际专利US9391339B2(中国发明专利CN104285328A)、国际专利US9214694B2(中国发明专利CN103210534A)、中国发明专利CN105449250A等均对各自公开的可再生燃料电池工作原理进行了介绍，但是对系统内部关键组件结构的研究较少，且未能解决水管理、双向催化等关键问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够兼顾发电模式与电解模式的双向可逆燃料电池系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双向可逆燃料电池系统，该系统包括可逆燃料电池模块、分别与可逆燃料电池模块相连通的氢气储存模块、氧气储存模块、储水模块以及与可逆燃料电池模块电连接的电源转换模块，所述的可逆燃料电池模块包括多个相互串联的单电池，所述的单电池包括分别与氧气储存模块及储水模块相连通的双流道氧气侧极板、与氢气储存模块相连通的氢气侧极板以及设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的膜电极组件。

可逆燃料电池模块：在发电模式时，氢气和氧气反应产生电能和水；在电解模式时，利用电能将水分解为氢气和氧气。可逆燃料电池模块包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池或磷酸燃料电池中的一种。可逆燃料电池模块中，多个单电池相互串联堆叠。

作为优选的技术方案，所述的单电池的功率为2-4kW，数量为20-40个。

氢气储存模块：在发电模式时，释放氢气供可逆燃料电池模块使用；在电解模式时，存储充电过程中产生的氢气。氢气储存模块包括储气瓶或储气罐中的一种，采用的储氢方式包括高压储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、玻璃微球储氢、吸附储氢或有机化合物储氢中的一种。

作为优选的技术方案，所述的氢气储存模块为高压碳纤维储气瓶，该高压碳纤维储气瓶的体积为8-12L，最高可承受压力25-35MPa。

氧气储存模块：发电模式时，释放氧气供可逆燃料电池模块使用；在电解模式时，存储充电过程中产生的氧气。氧气储存模块包括储气瓶或储气罐中的一种，采用的储氧方式包括高压储氧、液化储氧或储氧材料储氧中的一种。

作为优选的技术方案，所述的氧气储存模块为高压氧气瓶，该高压氧气瓶的体积为6-10L，最高可承受压力25-35MPa。

储水模块：在发电模式时，存储产生的水；在电解模式时，释放水供电解过程使用。储水模块包括储水罐或储水箱中的一种。

作为优选的技术方案，所述的储水模块为聚碳酸酯(PC)清洁水罐。

电源转换模块：根据电源类型自动切换转换方式，设置在可逆燃料电池模块与用电设备/供电模块之间，在发电模式时，将可逆燃料电池模块输出的非稳定电压转换为稳定输出电压，输出至无人机、电子设备等用电设备中；在电解模式时，将电源等供电模块的外接电压转化为稳定电压，输出至可逆燃料电池模块中。电源转换模块包括DC/DC转换器或AC/DC转换器中的一种。

所述的双流道氧气侧极板包括氧气侧极板基体以及开设在氧气侧极板基体内的双流道，该双流道包括开设在氧气侧极板基体内并与氧气储存模块相连通的氧气流道、开设在氧气侧极板基体内并与储水模块相连通的水流道以及设置在氧气流道与水流道之间的微细管道，所述的氧气流道通过微细管道与水流道相连通。

氧气流道与水流道并行，通过定向微细管道结构，实现氧气和水的分离，提高传质效率。发电时，氧气进入氧气流道，产生的水由于水压和毛细作用，经微细管道进入水流道，之后排出收集；电解时，水由储水模块进入水流道，在水压和毛细作用下，经微细管道进入氧气流道，并到达催化介质处发生电解，产生的氧气进入氧气流道后排出收集。

所述的膜电极组件包括设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的质子交换膜，该质子交换膜与双流道氧气侧极板之间设有气体扩散层及催化剂层，所述的气体扩散层与双流道氧气侧极板相贴合，所述的催化剂层与质子交换膜相贴合。

所述的气体扩散层上均匀开设有多个孔洞，所述的孔洞的内壁上设有电活性聚合物薄膜。

气体扩散层采用电激励动态切换的有序孔道，遇水分解带负电荷，在电解和发电模式下气体扩散层两侧电位转换，使得孔洞内分子发生有序的偏转，引发构相变化，实现水接触角的改变，实现发电排水、电解增湿的目的，进而实现堆内水定向传输可控。在电解模式时，气体扩散层内孔洞的内壁表面为亲水层；在发电模式时，气体扩散层内孔洞的内壁表面为疏水层。

所述的电活性聚合物薄膜为含氟掺杂类聚合物有序薄膜。

所述的催化剂层内设有催化剂，该催化剂为负载Pt的IrOx/SrIrO₃。催化剂采用双向发电-电解催化复合功能催化剂，以IrOx/SrIrO₃作为核心，将Pt以岛状结构负载在颗粒结构上，减小了Pt原子间距。

所述的氢气侧极板内设有氢气流道。氢气流道为氢气进出可逆燃料电池模块的通道。氢气侧极板为常规流场极板，供氢气流通，包括蛇形流场极板、交直流场极板、平行直流场极板或蜿蜒流场极板中的一种。

所述的可逆燃料电池模块还包括一对相对设置的端板以及将两端板固定连接在一起的夹紧元件，所述的单电池设置在两端板之间，并且所述的单电池与端板之间设有绝缘层。夹紧元件包括同时贯穿两端板的连接螺杆以及一对分别设置在连接螺杆两端的螺母，通过施加装配压力组装而成。

作为优选的技术方案，所述的单电池与绝缘层之间设有集流元件。

作为优选的技术方案，所述的单电池内设有密封元件。

所述的端板上开设有分别与氧气储存模块相连通的氧气进口及氧气出口、分别与储水模块相连通的水进口及水出口、分别与氢气储存模块相连通的氢气进口及氢气出口，所述的氧气进口与氧气储存模块之间、水进口与储水模块之间、氢气进口与氢气储存模块之间均设有减压调节模块，所述的氧气出口与氧气储存模块之间、水出口与储水模块之间、氢气出口与氢气储存模块之间均设有增压调节模块。

减压调节模块及增压调节模块：控制氢气、氧气或水的压力，达到燃料电池发电耗能或电解储能需求，包括手动调压阀或自动调压阀中的一种。其中，减压调节模块能够减小发电模式时氢气和氧气的压强，以达到燃料电池系统使用需求；增压调节模块能够提高电解模式时产生的氢气和氧气的压强，以提高电池效率和储存密度。

作为优选的技术方案，所述的增压调节模块中，气体增压比为100:1；所述的减压调节模块中，输出压力为0-2.5bar。

所述的氧气储存模块与氧气进口及氧气出口之间、储水模块与水进口及水出口之间、氢气储存模块与氢气进口及氢气出口之间均设有电磁开关及流量调节模块。

流量调节模块：控制氢气、氧气或水的流动方向和流量，达到燃料电池发电耗能或电解储能需求。流量调节模块包括单向节流阀或电动流量调节阀中的一种。

作为优选的技术方案，所述的流量调节模块为单向流量调节模块。

作为优选的技术方案，所述的流量调节模块的控制电压为24V，压力为0-2bar，流量范围0-30L/min。

电磁开关：控制氢气、氧气或水管路的流通，从而打开或者关闭该管路。电磁开关包括氢气电磁开关、氧气电磁阀或水用电磁阀中的一种。

本发明的工作过程如下：发电模式时，水进口、氢气出口、氧气出口的电磁开关均关闭，氢气储存模块、氧气储存模块中的氢气、氧气分别经氢气进口、氧气进口进入可逆燃料电池模块的氢气侧极板和双流道氧气侧极板中，并根据用电设备需求，通过减压调节模块和流量调节模块控制H₂和O₂的气压和流量，可逆燃料电池模块发生正向电化学反应，气体扩散层表现为疏水性，催化剂氧还原反应增强，产生的电能通过电源转换模块调节电压和电流后，输送至用电设备中，产生的H₂O通过流量调节模块和增压调节模块后进入储水模块中；电解模式时，水出口、氢气进口、氧气进口的电磁开关均关闭，外接电源通过电源转换模块调节电压和电流后接入可逆燃料电池模块中，储水模块中的H₂O通过减压调节模块和流量调节模块达到合适的压力和流量，之后进入可逆燃料电池模块中，在外接电压作用下，可逆燃料电池模块发生逆向电解反应，气体扩散层表现为亲水性，催化剂氧析出反应增强，产成的H₂和O₂通过流量调节模块和增压调节模块后，分别储存在氢气储存模块、氧气储存模块中。

本发明的工作原理为：在发电模式时，氢气和氧气反应，将化学能转化为电能，生成的水进行储存；在电解模式时，储存的水重新分解为氢气和氧气，将电能转化为化学能，生成的氢气和氧气进行储存，以供发电模式下使用。为了解决正向功能和逆向功能的水管理难以同时兼顾问题，本发明双流道氧气侧极板采用双排并行的流道和定向微通道结构，实现堆内水气分离；气体扩散层采用电激励动态切换有序孔道结构，实现水传输的动态可控；催化剂以IrOx化合物为基础，将高氧还原Pt负载在颗粒结构IrOx/SrIrO₃上，实现高稳定的氧还原-氧析出双效催化。该系统根据发电与电解两种功能不同，进行自适应调节，保证系统的水管理和催化特性，真正实现了一体式双向可逆燃料电池的有效运行，达到发电模式与电解模式兼顾，可实现堆内水传输可控，提高了可逆系统的反应效率和稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)双流道氧气侧极板采用并行双流道与定向微细管道结构，实现氧气和水的分离，防止产生水淹和欠气现象，在发电时，氧气进入氧气流道，产生的水由微细管道进入水流道后排出收集；电解时，水进入水流道，之后经微细管道进入氧气流道，并到达催化剂处，产生的氧气进入氧气流道后排出收集，提高了传质效率；

2)气体扩散层带有电激励动态切换的有序孔洞，能够利用电解和发电模式下气体扩散层两侧电位的转换，使孔洞内分子发生有序的偏转，引发构相变化，实现水接触角的改变，进而实现堆内水定向传输可控；

3)催化剂层内设有双向发电-电解催化复合功能催化剂，以IrOx/SrIrO₃作为核心，将Pt以岛状结构负载在颗粒结构上，缩短了Pt原子间距，改善了外层电子云分布，提高了稳定性和电化学活性，且Pt的负载可以加速氧分子的吸附，使得氧化铱析氧效率提高，实现了双向复合催化功能。

附图说明

图1为实施例中双向可逆燃料电池系统的整体结构示意图；

图2为实施例中双流道氧气侧极板内的氧气和水在发电模式时的流动方向示意图；

图3为实施例中双流道氧气侧极板内的氧气和水在电解模式时的流动方向示意图；

图4为实施例中气体扩散层孔洞内壁在不同模式下的结构示意图；

图中标记说明：

1—可逆燃料电池模块、2—氢气储存模块、3—氧气储存模块、4—储水模块、5—电源转换模块、6—单电池、7—氧气侧极板基体、8—氧气流道、9—水流道、10—微细管道、11—气体扩散层、12—催化剂层、13—端板、14—夹紧元件、15—绝缘层、16—氧气进口、17—氧气出口、18—水进口、19—水出口、20—氢气进口、21—氢气出口、22—减压调节模块、23—增压调节模块、24—电磁开关、25—流量调节模块、26—集流元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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：

如图1所示的一种双向可逆燃料电池系统，该系统包括可逆燃料电池模块1、分别与可逆燃料电池模块1相连通的氢气储存模块2、氧气储存模块3、储水模块4以及与可逆燃料电池模块1电连接的电源转换模块5，可逆燃料电池模块1包括多个相互串联的单电池6，单电池6包括分别与氧气储存模块3及储水模块4相连通的双流道氧气侧极板、与氢气储存模块2相连通的氢气侧极板以及设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的膜电极组件。

如图2所示，双流道氧气侧极板包括氧气侧极板基体7以及开设在氧气侧极板基体7内的双流道，该双流道包括开设在氧气侧极板基体7内并与氧气储存模块3相连通的氧气流道8、开设在氧气侧极板基体7内并与储水模块4相连通的水流道9以及设置在氧气流道8与水流道9之间的微细管道10，氧气流道8通过微细管道10与水流道9相连通。

膜电极组件包括设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的质子交换膜，该质子交换膜与双流道氧气侧极板之间设有气体扩散层11及催化剂层12，气体扩散层11与双流道氧气侧极板相贴合，催化剂层12与质子交换膜相贴合。气体扩散层11上均匀开设有多个孔洞，孔洞的内壁上设有电活性聚合物薄膜。电活性聚合物薄膜为含氟掺杂类聚合物有序薄膜。催化剂层12内设有催化剂，该催化剂为负载Pt的IrOx/SrIrO₃。

氢气侧极板内设有氢气流道。

可逆燃料电池模块1还包括一对相对设置的端板13以及将两端板13固定连接在一起的夹紧元件14，单电池6设置在两端板13之间，并且单电池6与端板13之间设有绝缘层15。单电池6与绝缘层15之间设有集流元件26。端板13上开设有分别与氧气储存模块3相连通的氧气进口16及氧气出口17、分别与储水模块4相连通的水进口18及水出口19、分别与氢气储存模块2相连通的氢气进口20及氢气出口21，氧气进口16与氧气储存模块3之间、水进口18与储水模块4之间、氢气进口20与氢气储存模块2之间均设有减压调节模块22，氧气出口17与氧气储存模块3之间、水出口19与储水模块4之间、氢气出口21与氢气储存模块2之间均设有增压调节模块23。

氧气储存模块3与氧气进口16及氧气出口17之间、储水模块4与水进口18及水出口19之间、氢气储存模块2与氢气进口20及氢气出口21之间均设有电磁开关24及流量调节模块25。

本系统的工作过程如下：发电模式时，如图2所示，水进口18、氢气出口21、氧气出口17的电磁开关24均关闭，氢气储存模块2、氧气储存模块3中的氢气、氧气分别经氢气进口20、氧气进口16进入可逆燃料电池模块1的氢气侧极板和双流道氧气侧极板中，并根据用电设备需求，通过减压调节模块22和流量调节模块25控制H₂和O₂的气压和流量，可逆燃料电池模块1发生正向电化学反应，如图4所示，气体扩散层11表现为疏水性，催化剂氧还原反应增强，产生的电能通过电源转换模块5调节电压和电流后，输送至用电设备中，产生的H₂O通过流量调节模块25和增压调节模块23后进入储水模块4中；电解模式时，如图3所示，水出口19、氢气进口20、氧气进口16的电磁开关24均关闭，外接电源通过电源转换模块5调节电压和电流后接入可逆燃料电池模块1中，储水模块4中的H₂O通过减压调节模块22和流量调节模块25达到合适的压力和流量，之后进入可逆燃料电池模块1中，在外接电压作用下，可逆燃料电池模块1发生逆向电解反应，如图4所示，气体扩散层11表现为亲水性，催化剂氧析出反应增强，产成的H₂和O₂通过流量调节模块25和增压调节模块23后，分别储存在氢气储存模块2、氧气储存模块3中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，该系统包括可逆燃料电池模块(1)、分别与可逆燃料电池模块(1)相连通的氢气储存模块(2)、氧气储存模块(3)、储水模块(4)以及与可逆燃料电池模块(1)电连接的电源转换模块(5)，所述的可逆燃料电池模块(1)包括多个相互串联的单电池(6)，所述的单电池(6)包括分别与氧气储存模块(3)及储水模块(4)相连通的双流道氧气侧极板、与氢气储存模块(2)相连通的氢气侧极板以及设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的膜电极组件；

所述的双流道氧气侧极板包括氧气侧极板基体(7)以及开设在氧气侧极板基体(7)内的双流道，该双流道包括开设在氧气侧极板基体(7)内并与氧气储存模块(3)相连通的氧气流道(8)、开设在氧气侧极板基体(7)内并与储水模块(4)相连通的水流道(9)以及设置在氧气流道(8)与水流道(9)之间的微细管道(10)，所述的氧气流道(8)通过微细管道(10)与水流道(9)相连通；

所述的膜电极组件包括设置在双流道氧气侧极板与氢气侧极板之间的质子交换膜，该质子交换膜与双流道氧气侧极板之间设有气体扩散层(11)及催化剂层(12)，所述的气体扩散层(11)与双流道氧气侧极板相贴合，所述的催化剂层(12)与质子交换膜相贴合；

所述的气体扩散层(11)上均匀开设有多个孔洞，所述的孔洞的内壁上设有电活性聚合物薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的电活性聚合物薄膜为含氟掺杂类聚合物有序薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的催化剂层(12)内设有催化剂，该催化剂为负载Pt的IrO_x/SrIrO₃。

4.根据权利要求1所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的氢气侧极板内设有氢气流道。

5.根据权利要求1所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的可逆燃料电池模块(1)还包括一对相对设置的端板(13)以及将两端板(13)固定连接在一起的夹紧元件(14)，所述的单电池(6)设置在两端板(13)之间，并且所述的单电池(6)与端板(13)之间设有绝缘层(15)。

6.根据权利要求5所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的端板(13)上开设有分别与氧气储存模块(3)相连通的氧气进口(16)及氧气出口(17)、分别与储水模块(4)相连通的水进口(18)及水出口(19)、分别与氢气储存模块(2)相连通的氢气进口(20)及氢气出口(21)，所述的氧气进口(16)与氧气储存模块(3)之间、水进口(18)与储水模块(4)之间、氢气进口(20)与氢气储存模块(2)之间均设有减压调节模块(22)，所述的氧气出口(17)与氧气储存模块(3)之间、水出口(19)与储水模块(4)之间、氢气出口(21)与氢气储存模块(2)之间均设有增压调节模块(23)。

7.根据权利要求6所述的一种双向可逆燃料电池系统，其特征在于，所述的氧气储存模块(3)与氧气进口(16)及氧气出口(17)之间、储水模块(4)与水进口(18)及水出口(19)之间、氢气储存模块(2)与氢气进口(20)及氢气出口(21)之间均设有电磁开关(24)及流量调节模块(25)。

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