CN111509255B - 流场自适应的电池极板结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流场自适应的电池极板结构及燃料电池，用于一体式再生燃料电池，该极板上的流场为双功能流场(1)，包括：依次连通的流场入口(101)、蜿蜒流道(102)、和流场出口(106)，其中相邻蜿蜒流道(102)之间为流场脊(103)，流场脊(103)上设有导水隔气结构(105)，流场边缘设有水分配区(104)。与现有技术相比，本发明创造性提出双功能流场可实现一体式再生燃料电池发电和电解不同模式下流场形态的自转变，在发电模式下，双功能流场形态趋于长流道的蛇形流场，有利于增大流场压降，利于排水，从而提高发电性能；在电解模式下，双功能流场的形态趋于短流道的平行流场，有利于水的均匀分配，防止电解水产生的气体堵塞流道，提高电解性能。

Description

流场自适应的电池极板结构及燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及用于可再生燃料电池的双极板组件，具体涉及适应于发电和电解功能的可再生燃料电池流场结构以及密封结构。

背景技术

一体式再生燃料电池(URFC)是一种在同一电池上实现燃料电池(发电)和水电解(充电)两种功能的电化学装置。URFC以其极高的比能量(实际比能量可达400-1000Wh/kg)、高的充放电效率、清洁无污染等特性非常适合低重量、长航时的用电需求，特别在空间、可移动电源领域有望取代传统二次电池，已被欧美国家列为今后空间能源技术的重要发展方向。

URFC可实现发电和电解两种工作模式的自由切换，在发电模式，通入氢气和氧气发生电化学反应生成水并储存，同时对外输出电能；在电解模式，在外加电能下，通入水电解成氢气和氧气并储存。由于URFC要求实现燃料电池发电和水电解两种互逆的功能模式，造成URFC中极板流场对发电/电解不同模式需具有不同的适应性。发电时，流场需具备较高的反应气利用率及较好的排水能力，流场需具有较高压降和较长的流道，以长流道的蛇形流场为主；电解时，流场需备有较好的水分配均匀性，并利于生成气的收集，流场需具有较短、较多的流道，以短流道的平行流场为主。因此，URFC的流场需同时满足燃料电池发电对长流道、高压降、和水电解对短流道、水均匀分配的需求。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利CN201163639Y，名称为“一体式再生燃料电池及其水电解装置的流场板”，采用平行流场设计，流场板实现了燃料电池与水电解池一体，具有结构简单、有利于电解水等有益效果，但是平行流场在燃料电池模式中、压降过低，导致气体流速低，造成流道排水不畅，特别对于大面积流场，在高电流密度下工作时，极易造成水淹，降低发电性能。

中国发明专利CN102290581A，名称为“一体式双效再生燃料电池的双极板”，基于蛇形流场设计，有利于避免水淹现象，有效提高燃料电池模式下发电性能，在电解模式，有利于水与生成的气体分离，然而该发明并不能从根本上解决水电解模式下，生成的气体在过长流道中积聚，阻碍电解水均匀分配的问题。

中国发明专利CN107579264A，名称“一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池”，创造性提出双层定向自润湿的双通道流场结构，可实现发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，有效提高电池发电/电解模式下水管理和传质效率。然而该发明流场结构复杂、可实施性不强，其流场性能效果也难以证实。

可见，针对于URFC的发电/电解的双功能流场结构设计目前还存在很多问题，且相关设计较少。

此外，为了提高一体式再生燃料电池(URFC)效率、稳定性，要求URFC在高气压下电解，从而不必消耗外部能量实现自增压储气，因此，URFC对高气压工作下的密封性要求较高，这对于URFC极板的耐压要求及密封性也提出了相当的考验。

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流场自适应的电池极板结构及燃料电池，极板具体有双功能流场，可实现发电模式和电解模式下不同流场形态的自动转换；极板具有新型密封结构，可缓解一体式再生燃料电池高气压工作状态下泄露问题；通过流场和密封等方面的创造性发明，有效提升一体式再生燃料电池的效率和稳定性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种流场自适应的电池极板结构，用于一体式再生燃料电池，该极板包括：双功能流场、内密封槽、外密封槽、冷却液腔口、氢气腔口氧气腔口、定位耳，其中：

双功能流场，包括：依次连通的流场入口、蜿蜒流道、和流场出口，其中相邻蜿蜒流道之间为流场脊，流场脊上设有导水隔气结构，流场边缘设有水分配区。

所述的双功能流场可实现一体式再生燃料电池发电和电解不同模式下流场形态的自转变：在发电模式下，反应气沿蜿蜒流道流动，此时，双功能流场形态趋于蛇形流场；在电解模式下，供应的水一部分沿蜿蜒流道流动，另一部分通过渗透作用流经导水隔气结构直接穿过流场脊，此时，双功能流场的形态趋于平行流场。

所述的导水隔气结构为在流场脊上填充导水隔气材料构成，导水隔气材料在阻隔气体的同时，水可通过渗透作用在导水隔气结构间传输。

所述的导水隔气材料为高分子亲水材料，包括市售Nafion离聚物或全氟磺酸膜。

所述的导水隔气结构包括导水隔气结构一和导水隔气结构二；流场入口与水分配区之间、流场出口与水分配区之间皆设有导水隔气结构一；流场脊上设有若干个有序分布的导水隔气结构二，导水隔气结构二根据双功能流场不同区域透水通量需求的不同而渐变分布；随着透水通量的增加，导水隔气结构二的数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，蜿蜒流道中的水从含水量高的区域通过导水隔气结构二向含水量低的区域渗透，有效实现流蜿蜒流道中水分配的调节。在不同流道间，在越靠流场外侧的流场脊上，导水隔气结构二的数量和尺寸都随之增加；在流道方向上，在越靠近流场出口的方向上，导水隔气结构二的数量和尺寸都随之增加；这样可有效解决电解模式中，传统流场流道末端易出现供水不足的现象。

进一步地，导水隔气结构的一种实现方式是通过在流场脊上打出通孔，在孔内填充导水隔气薄膜；这种实现方式可降低接触电阻。孔径大小根据不同区域水通量的不同需求而定，直径一般在0.1mm至1mm之间，导水隔气薄膜厚度根据不同区域水通量的不同需求而定，厚度一般在10um至500um之间；导水隔气薄膜可由Nafion离聚物制备或采用全氟磺酸膜。

发电和电解两种工作模式具体为：

在发电模式下：反应气从流场入口进入，沿蜿蜒流道流动，并从流场出口流出双功能流场；此时，反应气在双功能流场的流动轨迹趋于蛇形；同时，电化学反应生成的水：一部分沿蜿蜒流道，从流场出口排出，另一部分在浓差驱动下，通过有序分布的导水隔气结构二，不断向水量少的区域渗透，并最终进入水分配区得以保存。这样不但可平衡发电模式流道中水量的分布，避免流道内局部积水；并且还可以在后续发电中起到对反应气自增湿的效果，不至于反应气过干。

在电解模式下：供应的水从流场入口进入，一部分水进入蜿蜒流道向双功能流场供水；水一方面沿蜿蜒流道流动，另一方面，在浓差驱动下，蜿蜒流道之间的水可通过导水隔气结构二传输，使水不断向水量少的区域渗透；此时，水在双功能流场中的流动轨迹趋于平行。这样可使双功能流场中水的供应更加均匀，不至于导致流道末端出现气体堆积导致水流不畅。另一部分水通过导水隔气结构一进入水分配区，水分配区中的水通过有序分布的导水隔气结构二向双功能流场补水。使双功能流场中水的供应更加充沛、均匀。

所述的水分配区对双功能流场不同水含量的区域对应分配可变的水量，在发电模式，生成的水在反应气吹扫下一部分经过蜿蜒流道，通过流场出口排出，另一小部分通过导水隔气结构二进入水分配区得以保存；在电解模式，供应的水通过流场入口，一部分进入蜿蜒流道向双功能流场供水，另一部分通过导水隔气结构一进入水分配区，水分配区中的水通过有序分布的导水隔气结构二向双功能流场补水。

所述水分配区具有亲水性，位于双功能流场边缘区域，对电解模式供应的水和发电模式生成的水具有分配效果，不但可对双功能流场缺水区域进行有效补水，还具有调节双功能流场水含量的作用，促进水分配均匀。

所述的水分配区为设置在双功能流场边缘的凹槽，且凹槽表面涂敷亲水涂层、或在凹槽中填充亲水材料，所述的亲水涂层为(亲水有机硅涂层或亲水碳涂层)，亲水材料可用Nafion离聚物)。

所述双功能流场，在一体式再生燃料电池不同工作模式下，流场形态能够实现自切换，所述双功能流场不限于说明书附图中所述具体形式、针对双功能流场所包含的技术特征的改进和修改都在本发明保护范畴内。

所述蜿蜒流道，为多通道蛇形流道；流道数目依流场大小而定，流道数目一般在1至50之间；蜿蜒流道长度应相对较长。

所述流场脊，位于相邻两流道之间；流场脊上有序分布着若干个导水隔气结构。

所述的极板为圆形结构，包括设置在外围的定位耳和三腔进出口：冷却液腔口、氢气腔口和氧气腔口，以及设置在内部的双功能流场，其中双功能流场为方形，三腔进出口为弓形结构，这样有效提高圆形极板面积利用率；提升电池装配压力分配均匀性；提升气密性。

极板上还设有由内密封槽与外密封槽组合而成的双层密封结构。

所述的内密封槽由方形的内环槽和圆环形的外环槽组成，内环槽围绕双功能流场，外环槽围绕冷却液腔口、氢气腔口和氧气腔口，内环槽与外环槽相连通，对双功能流场与腔口进行一体式密封；所述外密封槽深度大于内密封槽深度。

所述的外密封槽为圆环形，位于内密封槽的外围，外密封槽截面为上宽下窄的弧形，这样可方便O型圈定位，防止O型圈错位；外密封槽结合O型圈实现外围高压密封，可有效防止一体式再生燃料电池极板高压储气时气体外漏现象；通过内外密封槽的槽深匹配，确保燃料电池极板高压储气时气体的密封性。

所述的氢气腔口和氧气腔口皆呈半弓形，氢气腔口相对氧气腔口对称布置，所述冷却液腔口呈弓形，相对氢气腔口和氧气腔口正交布置，所述冷却液腔口的弦长与双功能流场宽度近似，从而保证双功能流场均匀冷却。

所述定位耳由极板外围的方形凸台和定位孔组成；定位耳中心对称分布，在装配过程中，即可通过定位销装配、也可通过推杆定位。

一种燃料电池，包括氧极板，氢极板和膜电极，所述的氧极板采用上述电池极板结构，氢极板也可使用上述电池极板结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明极板结构包含双功能流场，可满足一体式再生燃料电池发电和电解两种工作状态对不同流场形态的需求，有效提升发电和电解模式下的效率。

(2)本发明设计的双功能流场：在发电模式，流场趋于长流道的蛇形流场，有利于增大流场压降，有利于排水，从而提高发电性能；在电解模式，流场趋于短流道的平行流场，有利于水的均匀分配，有利于防止电解水产生的气体堵塞流道，从而提高了电解性能。

(3)本发明极板设有导水隔气结构的设计，使水在流道中分布更加均匀，并可使长流道的蛇形流场在电解模式下自动转变为短流道的平行流场。

(4)本发明创造性提出水分配区，具有发电模式下保水，电解模式下补水的有益效果；特别是结合导水隔气结构的配置，可实现发电模式下双功能流场的自增湿，不至于流场过干，在电解模式下，对水的供应起到分配作用，针对双功能流场缺水区域有效补水，提高水分布的均匀性。

(5)本发明极板外圆内方的构型设计，并且通过双功能流场、密封槽等结构的巧妙布置，有效提升圆形极板的面积利用率，从而提升一体式再生燃料电池的功率密度。

(6)本发明通过双层密封结构的设计，可提升一体式再生燃料电池的整体密封性能；特别是结合O型圈实现极板外围的高压密封，有效防止一体式再生燃料电池高压储气时气体外漏现象。

附图说明

图1为本发明极板结构示意图；

图2a为发电模式下双功能流场功能示意图；

图2b为电解模式下双功能流场功能示意图；

图3a为采用本发明做氧极板组成的燃料电池结构：其中导水隔气结构采用实施例1实现方式；

图3b为采用本发明做氧极板组成的燃料电池结构：其中导水隔气结构采用实施例2实现方式；

图4为采用本发明做氧极板和氢极板组成的燃料电池结构；

图5为密封结构示意图。

图中标记说明：

1—双功能流场、2—内密封槽、2′—硅胶垫、3—外密封槽、3′—O型圈、4—冷却液腔口、5—氢气腔口、6—氧气腔口、7—定位耳、8—氧极板、8′—氢极板、9—双功能膜电极；101—流场入口、102—蜿蜒流道、103—流场脊、104—水分配区、105—导水隔气结构、流场出口—106；105A—导水隔气结构一、105B—导水隔气结构二。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。

实施例1

如图1-5所示，一种流场自适应的一体式再生燃料电池极板结构，包括：双功能流场1、内密封槽2、外密封槽3、冷却液腔口4、氢气腔口5、氧气腔口6、定位耳7；双功能流场1包括：流场入口101、蜿蜒流道102、流场脊103、水分配区104、导水隔气结构105、流场出口106；蜿蜒流道102采用3通道蛇形流道。

本实施例极板结构作为一体式再生燃料电池的氧极板8使用，与双功能膜电极9、氢极板8′层叠装配组成单电池，可在发电和电解两种工作模式下工作。

发电模式下：由氧气腔口5供入的氧气，从极板背面的流体通道进入流场入口101，氧气沿蜿蜒流道102流动，并从流场出口106流出双功能流场1；此时氧气在双功能流场的流动轨迹趋于蛇形。

同时，氢极板8′供应的氢气，电化学反应生成的水在氧极板8一侧聚集，生成的水在氧气吹动下一部分沿蜿蜒流道102，从流场出口106排出，另一部分在浓差驱动下，通过有序分布的导水隔气结构二105B，水不断向水量少的区域渗透，并最终进入水分配区4得以保存。这样不但可平衡发电模式流道中水的分布，避免流道内局部积水；并且在后续发电中起到对氧气自增湿的效果，不至于反应气过干。

电解模式下：由氧气腔口5供入的水，从极板背面的流体通道进入流场入口101，一部分水进入蜿蜒流道102向双功能流场供水；一方面水沿流道流动，另一方面，在浓差驱动下，蜿蜒流道之间水的可通过导水隔气结构二105B传输，使水不断向水量少的区域渗透；此时，水在双功能流场中的流动轨迹趋于平行。使双功能流场中水的供应更加均匀。另一部分水通过导水隔气结构一进入水分配区104，水分配区104中的水通过有序分布的导水隔气结构二向双功能流场补水，使双功能流场中水的供应更加充沛、均匀。

具体地：如图3a，导水隔气结构105的一种实现方式是通过在流场脊103上打出通孔，在孔内填充导水隔气薄膜；这种实现方式可降低接触电阻。孔径大小根据不同区域水通量的不同需求而定，直径一般在0.1mm至1mm之间，导水隔气薄膜厚度根据不同区域水通量的不同需求而定，厚度一般在10um至500um之间；导水隔气薄膜可由Nafion离聚物制备或采用全氟磺酸膜。

导水隔气结构一105A在流场入口起到水分配区4与流场入口101或流场出口106之间水传输的作用；流场入口101与水分配区4之间的导水隔气结构一105A的尺寸应大于流场出口106与水分配区4之间导水隔气结构一的尺寸。

若干数量导水隔气结构二105B在流场脊103上有序布置，起到调节蜿蜒流道102中水量的作用；在不同流道间，在越靠流场外侧的流场脊103上，导水隔气结构二105B的数量和尺寸都随之增加；在流道方向上，在越靠近流场出口的方向上，导水隔气结构二105B的数量和尺寸都随之增加。

水分配区104通过加工凹槽实现，且凹槽表面可涂敷亲水涂层、或在凹槽中填充亲水材料。

如图5所示，内密封槽2截面为矩形；深度一般在0.3至0.7mm之间、宽度一般在3mm至5mm之间；内密封槽中填充的密封垫2′为硅胶垫；外密封槽截面为上宽下窄的弧形，其深度应大于内密封槽深度；深度一般在1mm至1.8mm之间、外密封槽中填充的密封垫3′为O型圈；这样可实现高气压下外围密封，防止O型圈错位。

一体式再生燃料电池极板为圆形结构，板厚一般为2-3.5mm，可采用铣削加工实现，极板外围设置四个定位耳7，定位耳通过加工方形凸台实现，中部打通孔作为定位孔；在多层电堆装配中，配置方形凸台易于实现推杆定位、在手动电堆装配中，定位孔可方便定位销定位，定位耳中心对称布置、简洁美观。

实施例2：

如图3b，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于导水隔气结构105采取另一种方式实现：通过在流场脊103上加工出凹槽，并在凹槽内填充导水隔气材料；这种实现方式可减轻加工难度、增强保水性能。凹槽宽度随不同区域水通量需求的增大，宽度一般在0.1mm至1mm之间，凹槽深度一般在0.1mm至0.5mm之间；导水隔气薄膜可由Nafion离聚物制备。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于蜿蜒流道采用单通道蛇形流道；从而减小了双功能流场的流道数目，增大了流道长度；从而使导水隔气结构105和水分配区104发挥更加关键的作用；这样的布置更适用于小面积一体式再生燃料电池极板上。

实施例4：

如图4所示：本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例还可作为一体式再生燃料电池的氢极板8′使用；本实施例极板分别作为一体式再生燃料电池的氧极板8与氢极板8′，并与双功能膜电极9装配形成单电池；其中氧极板(8)的导水隔气结构105采用实施例1中的实现方式，氢极板8′的导水隔气结构105采用实施例2中的实现方式。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例中极板的背面设有冷却水流场及密封组件，从而通过本实施例中两个极板背面连接，可组成双极板。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种流场自适应的电池极板结构，用于一体式再生燃料电池，其特征在于，该极板上的流场为双功能流场(1)，包括：依次连通的流场入口(101)、蜿蜒流道(102)、和流场出口(106)，其中相邻蜿蜒流道(102)之间为流场脊(103)，流场脊(103)上设有导水隔气结构(105)，流场边缘设有水分配区(104)；所述的导水隔气结构(105)包括导水隔气结构一(105A)和导水隔气结构二(105B)；流场入口(101)与水分配区(104)之间、流场出口(106)与水分配区(104)之间皆设有导水隔气结构一(105A)；流场脊(103)上设有若干个有序分布的导水隔气结构二(105B)；

所述的双功能流场(1)可实现一体式再生燃料电池发电和电解不同模式下流场形态的自转变：在发电模式下，反应气沿蜿蜒流道(102)流动，此时，双功能流场(1)形态趋于蛇形流场；在电解模式下，供应的水一部分沿蜿蜒流道(102)流动，另一部分通过渗透作用流经导水隔气结构(105)直接穿过流场脊(103)，此时，双功能流场(1)的形态趋于平行流场。

2.根据权利要求1所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的导水隔气结构(105)为在流场脊(103)上填充导水隔气材料构成，导水隔气材料在阻隔气体的同时，水可通过渗透作用在导水隔气结构(105)间传输。

3.根据权利要求2所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的导水隔气材料为高分子亲水材料，包括Nafion离聚物或全氟磺酸膜。

4.根据权利要求1所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，导水隔气结构二(105B)根据双功能流场不同区域透水通量需求的不同而渐变分布；随着透水通量的增加，导水隔气结构二(105B)的数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，蜿蜒流道(102)中的水会从含水量高的区域通过导水隔气结构二(105B)向含水量低的区域渗透，有效实现流蜿蜒流道中水分配的调节。

5.根据权利要求1所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的水分配区(104)对双功能流场(1)不同水含量的区域对应分配可变的水量，在发电模式，生成的水在反应气吹扫下一部分经过蜿蜒流道(102)，通过流场出口(106)排出，另一小部分通过导水隔气结构二(105B)进入水分配区(104)得以保存；在电解模式，供应的水通过流场入口(101)，一部分进入蜿蜒流道(102)向双功能流场供水，另一部分通过导水隔气结构一(105A)进入水分配区(104)，水分配区(104)中的水通过有序分布的导水隔气结构二(105B)向双功能流场补水。

6.根据权利要求1所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的水分配区(104)对向双功能流场供应的水和生成的水具有分配效果，水分配区(104)为设置在双功能流场(1)边缘的凹槽，且凹槽表面涂敷亲水涂层、或在凹槽中填充亲水材料。

7.根据权利要求1所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的极板为圆形结构，包括设置在外围的定位耳(7)和三腔进出口：冷却液腔口(4)、氢气腔口(5)和氧气腔口(6)，以及设置在内部的双功能流场(1)，其中双功能流场(1)为方形，三腔进出口为弓形结构；还包括由内密封槽(2)与外密封槽(3)组合而成的双层密封结构。

8.根据权利要求7所述的一种流场自适应的电池极板结构，其特征在于，所述的外密封槽(3)为圆环形，位于内密封槽(2)的外围，外密封槽(3)截面为上宽下窄的弧形；

所述的内密封槽(2)由方形的内环槽和圆环形的外环槽组成，内环槽围绕双功能流场(1)，外环槽围绕冷却液腔口(4)、氢气腔口(5)和氧气腔口(6)，内环槽与外环槽相连通，对双功能流场与腔口进行一体式密封；

所述的氢气腔口(5)和氧气腔口(6)皆呈半弓形，氢气腔口(5)相对氧气腔口(6)对称布置，所述冷却液腔口(4)呈弓形，相对氢气腔口(5)和氧气腔口(6)正交布置；

所述定位耳(7)由极板外围的方形凸台和定位孔组成；定位耳中心对称分布，在装配过程中，既可通过定位销装配、也可通过推杆定位。

9.一种燃料电池，包括氧极板，氢极板和膜电极，其特征在于，所述的氧极板或氢极板都可采用权利要求1所述电池极板结构。