CN112952134A - 一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构 - Google Patents

一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，用于一体式可逆燃料电池，包括纵横立体流道和进出口，所述的纵横立体流道由阴极气体主流道、阴极气体反应流道和电解水主流道组成；一体式可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道中的气体分配至阴极气体反应流道发生反应，生成的水在压差作用下经过气体扩散层进入电解水主流道；一体式可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入气体扩散层反应生成气体，阴极气体反应流道汇集生成的阴极气体并经由阴极气体主流道排出。与现有技术相比，本发明实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高了电池系统的性能。

Description

一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构。
背景技术
近来，煤炭、石油和天然气等化石燃料储备快速减少，正日渐枯竭。因此，探索代替化石燃料的清洁能源，已成为本世纪的世界性课题。氢能是一种无污染，储能密度高的清洁能源，是新能源研究的一大热门。一体式可逆燃料电池URFC(Unitized Regenerativefuelcell)兼具发电和电解功能，可以利用氢能发电，也可以利用一次能源产氢，比能量最高可达1000Wh/kg，是目前比能量最大的可充电电池的几倍。一体式可逆燃料电池具有无自放电，无电池容量限制等优点，是一种高效环保的储能系统。
一体式可逆燃料电池具有燃料电池(FC)和电解电池(WE)功能，发电模式下，通入的氢气和氧气发生电化学反应，氧电极O2+4H++4e→2H2O，氢电极H2－2e→2H+，输出电能；电解模式下，外加电能，将存储的水电解成氢气和氧气，氧电极2H2O－4e→O2+4H+，氢电极2H++2e→H2。一体式可逆燃料电池两种模式下，对于水气的传输要求不同，电解时需要分散水，收集并排出气体；发电时需要分散气体，排出水。传统的极板构型难以兼顾发电散气排水和电解散水排气的目的，反应物传质不足，这使得应用传统流场的URFC系统效率低下。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 211929621 U公开的燃料电池叉状交指流场可以增加分配均匀性，有水气分离的效果，但是不针对于可逆燃料电池的水气分离。中国发明专利CN 208955111 U公开的流场为树枝状结构交指流场，树枝间为蛇形流道，用于集水排水，虽然可提高排水能力，但是分配能力稍差，无法针对于可逆燃料电池的水气分离。中国发明专利CN 109935852 A的流场的仿生结构无法较好满足分配性能。目前，流场设计较多针对于燃料电池功能，而专门针对URFC流场的设计很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高了电池系统的性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，用于一体式可逆燃料电池，包括纵横立体流道和进出口，所述的纵横立体流道由阴极气体主流道、阴极气体反应流道和电解水主流道组成；
一体式可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道中的气体分配至阴极气体反应流道发生反应，生成的水在压差作用下经过气体扩散层进入电解水主流道；一体式可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入气体扩散层反应生成气体，阴极气体反应流道汇集生成的阴极气体并经由阴极气体主流道排出。
优选地，所述的阴极气体主流道和电解水主流道纵横立体交错，阴极气体主流道位于电解水主流道的上方，即阴极气体主流道的高度大于电解水主流道的高度。
优选地，所述的阴极气体主流道是波浪形，波谷位于相邻两个电解水主流道之间。阴极气体主流道的波峰位于电解水主流道之上。
优选地，所述的阴极气体反应流道与阴极气体主流道的波谷连接。阴极气体主流道与阴极反应气体流道相通。
优选地，所述的阴极气体主流道为半封闭式流道，在波谷处与阴极气体反应流道相通。
优选地，所述的阴极气体反应流道为敞开式流道，电解水主流道为敞开式流道。
优选地，所述的阴极气体主流道不与膜电极组件接触，所述的阴极反应气体流道与电解水主流道的底面均与膜电极组件接触。
优选地，所述的阴极气体反应流道与电解水主流道的底面处于同一高度，侧壁完全分隔。
优选地，所述的阴极气体主流道采用的流场形式包括蛇形流场、交指流场、平行流场或蜿蜒流场。
优选地，所述的电解水主流道采用的流场形式包括蛇形流场、交指流场、平行流场或蜿蜒流场。
优选地，所述的进出口包括阴极气体流道入口、阴极气体流道出口、电解水流道入口和电解水流道出口；所述的阴极气体流道入口和阴极气体流道出口分别位于阴极气体主流道两端且与阴极气体主流道相通，所述的电解水流道入口和电解水流道出口分别位于电解水主流道两端且与电解水主流道相通。
优选地，所述的阴极气体流道出口与电解水流道出口可以依据模式要求分别控制开闭。
本发明通过以下方式进行工作：
一体式可逆燃料电池发电模式下，阴极气体流道出口关闭，电解水流道出口打开，阴极气体通过流道入口进入流场区域，由阴极气体主流道均匀分配至阴极气体反应流道，到达膜电极组件的催化层，在压差作用下，生成水被压入电解水主流道，并在电解水流道出口被排出。
一体式可逆燃料电池处于电解模式时，阴极气体流道出口打开，电解水流道出口关闭，水通过电解水入口进入流场，由电解水主流道均匀分配，在水压作用下，生成的阴极气体进入阴极气体反应流道，通过阴极气体主流道汇集到阴极气体流道出口并排出。
一体式可逆燃料电池进行模式切换时，可以将两个出口全部打开，分别对水、气流道进行吹扫。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：现有一体式可逆燃料电池所用流场中，水和气体在同一流道中流动，两相流体混合，发电时生成的水容易在脊下和脊侧聚集，导致气体传质不足，电解时产生的气体易形成气膜，堵塞在流道后段，减少了电解水的反应面积，造成电解反应效率低；本发明的纵横立体流道使得水气流道分离，而且分别设置水、气流道出口开关，在模式切换时可以有效进行吹扫，因此有效提高了一体式可逆燃料电池的水气管理效率，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高电池系统的性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明通过纵横立体流道、进出口以及气体扩散层的配合，使得水气流道分离，避免水和气体在同一流道中流动而造成的气体传质不足、电解水反应面积低等缺点；
2.本发明通过阴极气体主流道、阴极气体反应流道以及电解水主流道的形状和位置设计，使得整体结构简单，稳定可靠且不易发生相互干扰；
3.本发明通过将阴极气体主流道的波谷位置连通阴极气体反应流道，使得阴极气体进入阴极气体反应流道时，有垂直于气体扩散层的速度，相比于专利CN107579264B中底面平直的阴极气体主流道，本发明阴极气体主流道的波浪构型增强了传质效果；
4.本发明实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，同时通过阴极气体流道入口、阴极气体流道出口、电解水流道入口和电解水流道出口的配合设置，在模式切换时可以有效进行吹扫，因此有效提高了一体式可逆燃料电池的水气管理效率，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高电池系统的性能。
附图说明
图1为纵横式可逆燃料电池阴极流场结构的示意图；
图2为可逆燃料电池下层电解水流道示意图；
图3为可逆燃料电池阴极气体流场结构和阴极气体扩散层示意图；
图4为可逆燃料电池单根阴极气体流道纵剖面结构示意图；
图5为实施例1中可逆燃料电池发电模式时，流场流道中水和氧气流动方向示意图；
图6为实施例1中可逆燃料电池电解模式时，流场流道中水和氧气流动方向示意图；
图中，1-阴极气体流道入口，2-阴极气体主流道，3-阴极气体反应流道，4-阴极气体流道出口，5-电解水流道入口，6-电解水主流道，7-电解水流道出口，8-气体扩散层。
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。以下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
一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，如图1所示，包括阴极气体流场和电解水流场，纵横立体流道由阴极气体主流道2，阴极气体反应流道3和电解水主流道6组成，阴极气体流道设有阴极气体流道入口1和阴极气体流道出口4，电解水流道设有电解水流道入口5和电解水流道出口7。一体式可逆燃料电池发电模式下，阴极气体流道出口4关闭，电解水流道出口7打开，阴极气体通过阴极气体流道入口1进入流场区域，由阴极气体主流道2均匀分配至阴极气体反应流道3，透过气体扩散层8到达催化层，在压差作用下，生成水被压入电解水主流道6，并在电解水流道出口7被排出。一体式可逆燃料电池处于电解模式时，阴极气体流道出口4打开，电解水流道出口7关闭，水通过电解水入口5进入流场，由电解水主流道6均匀分配，在水压作用下，生成的阴极气体进入阴极气体反应流道3，通过阴极气体主流道2汇集到阴极气体流道出口4并排出。一体式可逆燃料电池进行模式切换时，可以将阴极气体流道出口4和电解水流道出口7全部打开，分别对水、气流道进行吹扫。
具体地，本实施例中的阴极气体为氧气。阴极气体主流道3为波浪形平行流场，实际中也可根据需要采用蛇形流场、交指流场或蜿蜒流场等流场形式。电解水主流道6为平行流场，实际中也可根据需要采用蛇形流场、交指流场或蜿蜒流场等流场形式。电解水主流道6与阴极气体主流道2及阴极气体反应流道3纵横交错，并且阴极气体主流道2的高度大于电解水主流道6的高度。阴极气体主流道2波峰在电解水主流道6之上，波谷位于相邻两个电解水主流道6之间，且波谷与阴极气体反应流道3相通。阴极气体反应流道3与电解水主流道6的底面处于同一高度，侧壁完全分隔。阴极气体反应流道3及电解水主流道6与阴极气体扩散层8压紧；电解水主流道6为敞开式流道，阴极气体主流道2为封闭式流道，仅与阴极气体反应流道3相通。本实施例中，阴极气体主流道2的纵截面呈波浪形，流道宽度1mm，振幅为0.2mm，相邻阴极气体主流道2之间的间距为0.4mm；阴极气体反应流道3的横截面呈矩形，宽度长度均为1mm，流道总高度为0.8mm；电解水主流道6的截面呈矩形，宽度为1mm，深度为0.6mm。
本发明的工作过程如下：该可逆燃料电池流场的发电模式的工作原理如图5所示，发电模式下，阴极气体流道出口4关闭，电解水流道出口7打开，氧气通过阴极气体流道入口1进入流场区域，经由阴极气体主流道2和阴极气体反应流道3，透过气体扩散层8到达催化层反应生成水，在压差作用下，生成的水被压入电解水主流道6，汇集到电解水流道出口7被排出；电解模式的工作原理如图6所示，电解模式时，阴极气体流道出口4打开，电解水流道出口7关闭，电解水主流道6中的水通过气体扩散层8进入催化层反应，在水压作用下，生成的氧气经由阴极气体反应流道3和阴极气体主流道2，汇集到阴极气体流道出口4并排出；进行模式切换时，可以将阴极气体流道出口4和电解水流道出口7全部打开，分别对水、气流道进行吹扫。
本发明实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高了电池系统的性能。
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 (10)

1.一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，用于一体式可逆燃料电池，其特征在于，包括纵横立体流道和进出口，所述的纵横立体流道由阴极气体主流道(2)、阴极气体反应流道(3)和电解水主流道(6)组成；
一体式可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道(2)中的气体分配至阴极气体反应流道(3)发生反应，生成的水在压差作用下经过气体扩散层(8)进入电解水主流道(6)；一体式可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道(6)进入气体扩散层(8)反应生成气体，阴极气体反应流道(3)汇集生成的阴极气体并经由阴极气体主流道(2)排出。
2.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(2)和电解水主流道(6)纵横立体交错，阴极气体主流道(2)位于电解水主流道(6)的上方。
3.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(2)是波浪形，波谷位于相邻两个电解水主流道(6)之间。
4.根据权利要求3所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体反应流道(3)与阴极气体主流道(2)的波谷连接。
5.根据权利要求4所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(2)为半封闭式流道，在波谷处与阴极气体反应流道(3)相通。
6.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体反应流道(3)为敞开式流道，电解水主流道(6)为敞开式流道。
7.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体反应流道(3)与电解水主流道(6)的底面处于同一高度，侧壁完全分隔。
8.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(2)采用的流场形式包括蛇形流场、交指流场、平行流场或蜿蜒流场。
9.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的电解水主流道(6)采用的流场形式包括蛇形流场、交指流场、平行流场或蜿蜒流场。
10.根据权利要求1所述的纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的进出口包括阴极气体流道入口(1)、阴极气体流道出口(4)、电解水流道入口(5)和电解水流道出口(7)；
所述的阴极气体流道入口(1)和阴极气体流道出口(4)分别位于阴极气体主流道(2)两端且与阴极气体主流道(2)相通，所述的电解水流道入口(5)和电解水流道出口(7)分别位于电解水主流道(6)两端且与电解水主流道(6)相通。
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