CN111146471A - 一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构 - Google Patents

一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构，该一体式可再生燃料电池由膜电极、扩散层、流场板以及端板组成。所述的一体式可再生燃料电池易于组装，通过结构上的改进，在水电解模式时，有利于提高液态水在流场板分配效率和气体的产出效率，提高水电解的性能；在水电解模式向燃料电池模式转换时，可加快排水速率从而提高模式切换速率且节省能耗；在燃料电池模式时，可提高气体分配效率，同时避免水淹对燃料电池性能造成影响，提高燃料电池的性能。本发明的一体式可再生燃料电池可在水电解模式、燃料电池模式以及两模式切换时均具有高的效率，从而可提高一体式可再生燃料电池整体性能。

Description

一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构。
背景技术
燃料电池是一种高效的、环境友好的发电装置，它可直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。
在各类燃料电池中，可再生燃料电池是目前比能量最高的储能系统，它既可以实现燃料电池模式(FC)发电又能实现水电解模式(WE)制氢。可再生燃料电池具有充放电方便、无自放电、不受放电深度及电池容量限制等燃料电池的所有优点，主要应用于空间飞行器、太空船的能量存储系统以及海岛、边防等军事能源供应领域。
可再生燃料电池在模式切换过程中存在大量液态水，涉及到电池水管理问题，如果在水电解模式向燃料电池模式切换过程中液态水不能及时移除会影响燃料电池模式启动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体式可再生燃料电池流场板及其电池结构，可实现高效率的模式切换，且能同时实现水电解制氢模式以及燃料电池发电模式均具有高性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种一体式可再生燃料电池流场板，包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板包括阳极基板和阳极流场，水电解模式下水进口设置在所述阳极基板的左下方，燃料电池模式时氧化剂进气口设置在所述阳极基板右上方；
所述阳极流场靠近出口的上部区域为点状流场，下部区域为平行型流场，所述阳极流场下方的平行流场设有多个平行间隔设置的流道，所述流道之间设置多列肋，所述肋在竖直方向上进行断点，所述断点处做圆角处理；
所述阳极流场上方的点状流场设有圆形凸起，所述圆形凸起交错分布。
进一步，所述阴极流场板包括阴极基板和阴极流场，阴极流场入口设置在所述阴极基板的右上角，阴极流场出口设置在所述阴极基板的左下角，所述阴极流场入口处到阴极流场区为一分多的过渡结构，由一根流道变为多根流道，形成多个阴极流场单元，所述多个阴极流场单元末端到阴极流场出口处由多个流道汇合变成一根流道，所述阴极流场单元为直型流道，每个阴极流场单元中间隔设置流道和肋，两端做断点处理。
进一步，所述阴极流场板与阳极流场板均做疏水处理，减小排水阻力。
进一步，所述阳极流场板上的阳极流场下2/3～4/5段区域为直型流场，上1/5～1/3区域流场为点状流场。
进一步，所述阳极流场上下方缓冲区设有倾角，倾角角度范围为2°～10°。
进一步，所述阳极流场板和所述阴极流场板中的流道宽度2mm，深度2mm，肋宽度2mm。
本发明还提供一种可再生燃料电池结构，包括上述阳极流场板和阴极流场板，还包括阳极端板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层、和阴极端板，所述阳极端板、阳极流场板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层、阴极流场板和阴极端板依次堆叠组装。
进一步，所述阳极端板和阴极端板为绝缘板，其外缘尺寸大于上述的其他部件，电池放置时只有绝缘端板与工作台接触。
进一步，所述阳极流场板的阳极流场四周设置阳扩极散层的定位槽来定位扩散层，槽深度为0.1mm-0.2mm。
进一步所述阴极扩散层材料为碳纸，阳极扩散层材料为多孔钛毡或钛网。
进一步，膜电极采用CCM技术，将催化剂层涂覆在质子交换膜两侧制备而成的，可有效提高催化层与质子交换膜的接触，提高一体式可再生燃料电池性能。
进一步，所述阳极流场板和阴极流场板以钛为材料。
进一步，阳极流场板和阴极流场板在燃料电池模式时作为集电板收集电流；在水电解模式时作为导电板为电解池加载电流。
进一步，所述阳极端板、阳极流场板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层、阴极流场板和阴极端板采用螺栓螺杆结构装夹，并使用蝶形弹簧垫片，避免松动，保证电池均匀受力。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：1.在水电解模式时，增强水气传输，提高电解效率；2.在电池模式切换时，提高电池模式切换速度，降低能耗；3.在燃料电池模式时，提高气体分配均匀性。
附图说明
图1是本发明一体式可再生燃料电池的装配结构示意图；
图2是本发明一体式可再生燃料电池的质子交换膜电极结构示意图；
图3是本发明一体式可再生燃料电池的阳极流场板结构示意图；
图4是本发明一体式可再生燃料电池的阴极流场板结构；
图5是本发明一体式可再生燃料电池的端板结构示意图；
图中：1-阳极流场板，11-阳极基板，12-阳极流场，13-下水进口，14-氧化剂进气口，15-流道，16-肋，17-圆形凸起，18-缓冲区，19-定位槽；2-阴极流场板，21-阴极基板，22-阴极流场，23-阴极流场入口，24-阴极流场出口，25-阴极流场单元；3-阳极端板；4-阳极扩散层；5-膜电极，51-催化层，52-质子交换膜；6-阴极扩散层；7-阴极端板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-5所示，本申请提供一种一体式可再生燃料电池流场板，包括阳极流场板1和阴极流场板2，所述阳极流场板1包括阳极基板11和阳极流场12，水电解模式下水进口13设置在所述阳极基板11的左下方，燃料电池模式时氧化剂进气口14设置在所述阳极基板11右上方；
所述阳极流场12靠近出口的上部区域为点状流场，下部区域为平行型流场，所述阳极流场12下方的平行流场设有多个平行间隔设置的流道15，所述流道15之间设置多列肋16，所述肋16在竖直方向上进行断点，所述断点处做圆角处理；
所述阳极流场12上方的点状流场设有圆形凸起17，所述圆形凸起17交错分布。
在上述实施例中，当电池处于水电解模式时，液态水从下水进口13流入，水逐渐溢满整个流道15，流场中的断点使得水能充分溢满整个流道15。随着反应的进行，流道15内会堆积大量的气体，且不断从下至上汇聚，因此上方的点状流场能够有效地分散产生的气体，防止了气泡堵塞流道15，降低水扩散入催化层51的阻力，提高水电解效率。当电池处于燃料电池模式时，反应气体入口位于流场上方，反应气体经过交错断点流场后进入流场，因此交错断点起到气体导流作用，从而提高气体分配均匀性，进而提高燃料电池模式下的性能。
进一步优选的实施例中，所述阴极流场板2与阳极流场板1均做疏水处理，减小排水阻力，所述阳极流场12上下方的缓冲区18设有倾角，倾角角度范围为2°～10°。
当电池处于模式转换时，流道15中的残余液态水在重力作用下从流场下方出口排出，下方缓冲区18倾角且由于流场板做了疏水处理，使得残余水能更顺利液态水的排出。
进一步优选的实施例中，所述阳极流场板1上的阳极流场12下2/3～4/5段区域为直型流场，上1/5～1/3区域流场为点状流场。由于在阳极流场的上1/5～1/3区域处在电池运行时会有气体集聚产生气柱，因此将阳极流场的上1/5～1/3设置为点状流场，防止气柱堵塞流道，提高气体分配均匀性。
在上述实施例中。阳极流场板1和所述阴极流场板2中的流道15宽度2mm，深度2mm，肋宽度2mm。
在上述实施例中，由于流道15为宽2mm的宽直流道，水在重力作用下能沿着直流道顺利通过下方的出口流出。因此流道15中的残余水得到有效减少，吹扫气体的时间与能耗也能相应减少，从而提高电池模式转换效率。阳极流场板1以钛为材料，提高了流场板抗腐蚀能力，提高了电池使用寿命。
进一步优选的实施例中，阴极流场板2包括阴极基板21和阴极流场22，阴极流场入口23设置在所述阴极基板21的右上角，阴极流场出口24设置在所述阴极基板21的左下角，所述阴极流场入口23处到阴极流场区为一分多的过渡结构，由一根流道变为多根流道，形成多个阴极流场单元25，所述多个阴极流场单元25末端到阴极流场出口24处由多个流道汇合变成一根流道，所述阴极流场单元25为直型流道，每个阴极流场单元25中间隔设置流道和肋16，两端做断点处理。
在上述实施例中，流道宽度2mm，深度2mm，肋宽度2mm。阴极流场板2做疏水处理，一体式可再生燃料电池运行时竖直放置，气体经过断点能够得到平均分配，提高气体分配效率。阴极流场板2以钛为材料，提高了流场板抗腐蚀能力，提高了电池使用寿命。
如图1所示，本发明还提供一种可再生燃料电池结构，包括上述的阳极流场板1和阴极流场板2，还包括阳极端板3、阳极扩散层4、膜电极5、阴极扩散层6和阴极端板7，所述阳极端板3、阳极流场板1、阳极扩散层4、膜电极5、阴极扩散层6、阴极流场板2和阴极端板7依次堆叠组装。
在上述实施例中，阳极端板3、阳极流场板1、阳极扩散层4、膜电极5、阴极扩散层6、阴极流场板2和阴极端板7采用螺栓螺杆结构装夹，并使用蝶形弹簧垫片，避免松动，保证电池均匀受力。
进一步优选的实施例中，如图2所示，质子交换膜52电极采用CCM技术，将催化层51涂覆在质子交换膜52两侧制备而成，可有效提高催化层51与质子交换膜52的接触，提高一体式可再生燃料电池性能。为了同时满足水电解模式与燃料电池模式的要求，阴极扩散层6材料为碳纸，阳极扩散层4材料为多孔钛毡或钛网。
如图4所示，可再生燃料电池阳极流场板1设置定位槽19专门定位扩散层，槽深0.1mm-0.2mm。根据不同扩散层的厚度，选择不同的密封圈厚度进行匹配密封，使得扩散层与流场板及膜电极均匀接触有一定的压缩率，提高一体式可再生燃料电池性能。
本实施例将两流场板同时也作为导电板，在燃料电池模式时作为集电板收集电流，在水电解模式时作为导电板为电解池加载电流。
如图5所示，一体式再生燃料电池两端分别安装阳极端板3和阴极端板7，阳极端板3和阴极端板7的外缘大于电池的其他部件，电池放置时只有绝缘端板与工作台接触，起到电池绝缘的作用。
综上所述，本发明所述的一体式燃料电池同时具有水电解制氢与燃料电池发电双功能特性，可有效简化可再生燃料电池系统，提高其比功率。本发明的一体式燃料电池流场板，具有高效自排水性能，在水电解和燃料电池模式切换过程中速度快，能耗低。且在水电解制氢和燃料电池发电双模式下均能具有高性能的特点。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于:包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板包括阳极基板和阳极流场，水电解模式下水进口设置在所述阳极基板的左下方，燃料电池模式时氧化剂进气口设置在所述阳极基板右上方；
所述阳极流场靠近出口的上部区域为点状流场，下部区域为平行型流场，所述阳极流场下方的平行流场设有多个平行间隔设置的流道，所述流道之间设置多列肋，所述肋在竖直方向上进行断点，所述断点处做圆角处理；
所述阳极流场上方的点状流场设有圆形凸起，所述圆形凸起交错分布。
2.根据权利要求1所述的一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于：所述阴极流场板包括阴极基板和阴极流场，阴极流场入口设置在所述阴极基板的右上角，阴极流场出口设置在所述阴极基板的左下角，所述阴极流场入口处到阴极流场区为一分多的过渡结构，由一根流道变为多根流道，形成多个阴极流场单元，所述多个阴极流场单元末端到阴极流场出口处由多个流道汇合变成一根流道，所述阴极流场单元为直型流道，每个阴极流场单元中间隔设置流道和肋，两端做断点处理。
3.根据权利要求1所述的一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于：所述阴极流场板与阳极流场板均做疏水处理，减小排水阻力。
4.根据权利要求1所述的一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于：所述阳极流场板上的阳极流场下2/3～4/5段区域为直型流场，上1/5～1/3区域流场为点状流场。
5.根据权利要求1所述的一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于：所述阳极流场上下方缓冲区设有倾角，倾角角度范围2°～10°。
6.根据权利要求1所述的一种一体式可再生燃料电池流场板，其特征在于：所述阳极流场板和所述阴极流场板中的流道宽度2mm，深度2mm，肋宽度2mm。
7.一种可再生燃料电池结构，其特征在于：包括权利要求1-6所述的阳极流场板和阴极流场板，还包括阳极端板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层、和阴极端板，所述阳极端板、阳极流场板、阳极扩散层、膜电极、阴极扩散层、阴极流场板和阴极端板依次堆叠组装。
8.根据权利要求7所述的一种可再生燃料电池结构，其特征在于：所述阳极端板和阴极端板为绝缘板，其外缘尺寸大于上述的其他部件，电池放置时只有绝缘端板与工作台接触。
9.根据权利要求7所述的一种可再生燃料电池结构，其特征在于：所述阳极流场板的阳极流场四周设置阳扩极散层的定位槽来定位扩散层，槽深度为0.1mm-0.2mm。
10.根据权利要求7所述的一种可再生燃料电池结构，其特征在于：所述阴极扩散层材料为碳纸，阳极扩散层材料为多孔钛毡或钛网。
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