CN113140767A - 一种一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件(2)，所述的水气分离流道包括下凹状水流道(3)和上凸状气体流道(4)；所述的上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)交错排列；所述的膜电极组件(2)与上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)的流道壁对应成折线状；所述的上凸状气体流道(4)通过气体分配区(6)连接，下凹状水流道(3)通过水分配区(5)连接。与现有技术相比，本发明具有不仅使得水气流道分离，有效提高可逆燃料电池的水管理与反应催化效率，真正实现了电池高效双向可逆等优点。

Description

一种一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础。随着人类社会的不断进步，人类赖以生存的煤炭、石油和天然气等化石燃料正日渐枯竭，同时，化石燃料的消耗带来空气污染日益严重、全球气候变暖加快。因此，开发新能源，提高燃料利用率，探索代替石油等化石燃料的清洁能源技术，已成为本世纪人类必须解决的世界性课题。作为新型的储能电池，可再生燃料电池URFC(Unitized Regenerative fuel cell)兼具发电和电解功能，比能量可高达500-1000Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池的几倍。作为储能物质的“氢”可循环使用，反应物与产物仅在氢、氧和水间转换，且具有使用中无自放电，无电池容量限制，使用寿命长等优点，是一种新型高效环保的储能与能量供应系统。

可逆燃料电池主要由双极板、膜电极组件、端板等组件组成，需兼顾发电和电解功能，执行发电功能时，氧电极O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O，氢电极H₂-2e^-→2H⁺，通入的氢气和氧气发生电化学反应，对外输出电能，生成的水储存；执行电解功能时，氧电极2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e^-→H₂，在外加电流下，存储的水电解成氢气和氧气储存。从可逆燃料电池的功能看，极板需要满足发电时分配气体，排出生成水，电解时分配水，排出生成氢气和氧气的可逆要求。但是，由于发电和电解两种模式下的流动介质相态不同，给极板的流场结构提出了很高的要求。此外在电解之后未反应完的水仍残留在流道与膜电极内，而发电时需通入氧气与氢气进行反应，故需进行气体吹扫以排出多余的水。而吹扫的流速压力时间，则会影响燃料电池的效率，此外吹扫的流速过大可能会损坏膜电极；吹扫的时间过短，水未排完全，影响传质能力；吹扫时间过长，催化层湿度过低，影响催化剂活性。

传统的URFC极板构型难以兼顾发电排水和电解需求水的目的，造成气体和水管理难以达标，反应物传质不足，而且无高效的模式切换策略，致使URFC系统效率低下，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。

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不仅使得水气流道分离，有效提高可逆燃料电池的水管理与反应催化效率，真正实现了电池高效双向可逆的一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

发明人了解到，传统可逆燃料电池的极板流场的气体和水为公用管道，发电时生成的水容易引起流道局部区域水淹导致反应气体不足，电解时产生的气体堵塞水传输通道造成电解反应不足，于是对URFC系统的极板与膜电极结构以及模式切换得控制策略进行改进，提出如下具体方案：

一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件，所述的水气分离流道包括下凹状水流道和上凸状气体流道；所述的上凸状气体流道和下凹状水流道交错排列；

所述的膜电极组件与上凸状气体流道和下凹状水流道的流道壁对应成折线状；

所述的上凸状气体流道通过气体分配区连接，下凹状水流道通过水分配区连接。

可逆燃料电池处于发电模式时，气体，即阴极气体和阳极气体通过气体集管口，即阳极气体集管口和阴极气体集管口进入流场区域，由相应的气体分配区均匀分配至各平行上凸状气体流道，再由扩散层分散至膜电极组件的发电催化反应介质，同时气压作用以及气体流道对应的憎水扩散层促使反应生成水流入下凹状水流道，汇集至水分配区并在水集管口汇集排出电池。具体而言，上凸状气体流道分配气体分配区进入的气体，生成的水经过折线状的膜电极组件引导，汇集进入水分配区并排出；

可逆燃料电池处于电解模式时，电解水通过水集管口进入流场区域，由水分配区均匀分配至各平行下凹状水流道，电解水引入膜电极组件的电解催化反应介质，生成的气体，即阳极气体和阴极气体在气压的作用下沿相应的气体分配区，即阴极气体分配区和阳极气体分配区在气体集管口汇集排出电池。具体而言，反应水由水分配区经下凹状水流道进入膜电极组件均匀分配，气体分配区汇集生成的气体并排出。

进一步地，所述的气体分配区与水分配区之间的流道脊成倾斜状，气体侧高而水侧低。

进一步地，所述的上凸状气体流道和/或下凹状水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。

进一步地，所述的上凸状气体流道的流通面积小于气体分配区的流通面积，下凹状水流道的流通面积小于水分配区的流通面积。

进一步地，所述的上凸状气体流道和下凹状水流道均进行表面处理，并且下凹状水流道的亲水性优于上凸状气体流道。可逆燃料电池发电时，生成水可通过倾斜的膜电极组件进入下凹状水流道。

进一步地，所述的膜电极组件包括与流道形态对应的扩散层、催化剂层和质子交换膜；

所述的扩散层包括疏水扩散层与亲水扩散层，其中疏水扩散层在位置上与上凸状气体流道对应，亲水扩散层在位置上与下凹状水流道对应。

进一步地，所述的催化剂层为铂铱双功能催化层。

进一步地，所述的催化剂层还包括上凸状气体流道对应的发电专用催化层和与下凹状水流道对应的电解专用催化层。

一种一体式可逆燃料电池，包括极板本体，还包括如上所述的水气分离流道以及如上所述的膜电极组件，依次为扩散层、催化剂层、质子交换膜、催化剂层，扩散层。

进一步地，所述的膜电极组件设于两极板本体之间，极板本体与膜电极组件交错排布，并相互接触。所述的气体分配区与水分配区不与膜电极组件接触。所述的上凸状气体流道与下凹状水流道与膜电极组件接触。

与现有技术相比，本发明的重力驱动的水气分离流道和特异性膜电极，不仅使得水气流道分离，而且在双向反应时膜电极特异性催化反应的进行，因此有效提高了可逆燃料电池的水管理与反应催化效率，真正实现了电池的高效双向可逆。

附图说明

图1为实施例1中燃料电池整体结构示意图：

图2为实施例1中燃料电池的流道结构示意图；

图3为实施例1中燃料电池的膜电极结构示意图；

图4为实施例1中燃料电池发电模式时的功能示意图；

图5为实施例1中燃料电池电解模式时的功能示意图；

图中标号所示：极板本体1、膜电极组件2、下凹状水流道3、上凸状气体流道4、水分配区5、气体分配区6、扩散层7、催化剂层8、质子交换膜9。

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。

一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件2，水气分离流道包括下凹状水流道3和上凸状气体流道4；上凸状气体流道4和下凹状水流道3交错排列；膜电极组件2与上凸状气体流道4和下凹状水流道3的流道壁对应成折线状；

上凸状气体流道4通过气体分配区6连接，下凹状水流道3通过水分配区5连接。气体分配区6与水分配区5之间的流道脊成倾斜状，气体侧高而水侧低。上凸状气体流道4和/或下凹状水流道3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。上凸状气体流道4的流通面积小于气体分配区6的流通面积，下凹状水流道3流通面积小于水分配区5的流通面积。上凸状气体流道4和下凹状水流道3均进行表面处理，并且下凹状水流道3的亲水性优于上凸状气体流道4。可逆燃料电池发电时，生成水可通过倾斜的膜电极组件2进入下凹状水流道3。

膜电极组件2包括与流道形态对应的扩散层7、催化剂层8和质子交换膜9；扩散层7包括疏水扩散层与亲水扩散层，其中疏水扩散层在位置上与上凸状气体流道4对应，亲水扩散层在位置上与下凹状水流道3对应。催化剂层8为铂铱双功能催化层，还包括上凸状气体流道4对应的发电专用铂催化层和与下凹状水流道3对应的电解专用氧化铱催化层。

一种一体式可逆燃料电池，包括极板本体1，还包括如上水气分离流道以及如上膜电极组件2，依次为扩散层7、催化剂层8、质子交换膜9、催化剂层8，扩散层7。膜电极组件2设于两极板本体1之间，极板本体1与膜电极组件2交错排布，并相互接触。气体分配区6与水分配区5不与膜电极组件2接触。上凸状气体流道4与下凹状水流道3与膜电极组件2接触。

实施例1

一种可逆燃料电池，如图1-3，包括极板本体1和膜电极组件2，极板本体1的两面设有重力驱动的水气分离流道，水气分离流道由下凹状水流道3，上凸状气体流道4，水分配区5，气体分配区6组成，气体分配区6的侧面连接平行上凸状气体流道4，另一端通向极板本体1外侧，水分配区5的侧面连接平行下凹状水流道5，另一端通向极板本体1外侧。

可逆燃料电池发电时，气体分配区6分配进入的阴极与阳极气体，阴极生成水经过下凹状水流道3汇集进入水分配区5并排出；

可逆燃料电池电解时，反应水由水分配区5进入并通过下凹状水流道3分配进入膜电极组件2，生成的阳极与阴极气体进入上凸状气体流道4并汇集至气体分配区6排出。

具体地，本实施例中的阴极气体为氧气，阳极气体为氢气，膜电极组件2包括最外侧的扩散层7、靠内侧的催化剂层8以及最内侧的质子交换膜9。下凹状水流道3，上凸状气体流道4，水分配区5，气体分配区6置于极板本体1的两侧，下凹状水流道3，上凸状气体流道4均为等宽平行流场，实际中也可根据需要采用蛇形流场或蜿蜒流场等流场形式。

本实施例中，水分配区5的截面为矩形，宽度为1.2mm，深度为1.0mm；气体分配区6的截面也为矩形，宽度为1.4mm，深度为1.0mm。下凹状水流道3的截面为矩形，宽度为0.8mm，深度为0.8mm；上凸状气体流道4的截面也为矩形，宽度为0.8mm，深度为1.2mm。相邻两下凹状水流道3与上凸状气体流道4间间距为1.0mm。

气体扩散层7进行间隔溶液处理，使气体扩散层7分为在位置上与下凹状水流道3对应的亲水扩散层和在位置上与上凸状气体流道4对应的疏水扩散层。

本实施例中，疏水扩散层与水的接触角大于120°，亲水扩散层表面接触角为90°，从而促使发电生成的水向下凹状水流道流动。催化层8采用组合式设计，包括与上凸状气体流道4对应的铂发电催化层和与下凹状水流道3对应的氧化铱电解催化层。

本发明的工作过程如下：该可逆燃料电池的发电模式的工作原理如图4所示，氧气和氢气分别进入极板本体1上侧与下侧的上凸状气体流道4，在膜电极组件2内催化剂层8作用下，发生电化学反应生成水，在气压、重力和疏水扩散层作用下，产生的水流入下凹状水流道3，从而进入水分配区5排出电池；

电解模式的工作原理如图5所示，电解水进入极板本体1上侧的水分配区5，在水压与重力作用下，电解水流入膜电极组件的催化剂层8表面，在外部电流的作用下发生电解，产生的氧气和氢气分别从极板本体1上侧与下侧的上凸状气体流道8汇集排出电池。

本发明实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的高效分离，加快了工作模式切换的速度，提高了电池水管理和传质效率，保证了可逆燃料电池的高性能输出。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件(2)，所述的水气分离流道包括下凹状水流道(3)和上凸状气体流道(4)；所述的上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)交错排列；

所述的膜电极组件(2)与上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)的流道壁对应成折线状；

所述的上凸状气体流道(4)通过气体分配区(6)连接，下凹状水流道(3)通过水分配区(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的气体分配区(6)与水分配区(5)之间的流道脊成倾斜状，气体侧高而水侧低。

3.根据权利要求1所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的上凸状气体流道(4)和/或下凹状水流道(3)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。

4.根据权利要求1所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的上凸状气体流道(4)的流通面积小于气体分配区(6)的流通面积，下凹状水流道(3)的流通面积小于水分配区(5)的流通面积。

5.根据权利要求1所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)均进行表面处理，并且下凹状水流道(3)的亲水性优于上凸状气体流道(4)。

6.根据权利要求1所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的膜电极组件(2)包括与流道形态对应的扩散层(7)、催化剂层(8)和质子交换膜(9)；

所述的扩散层(7)包括疏水扩散层与亲水扩散层，其中疏水扩散层在位置上与上凸状气体流道(4)对应，亲水扩散层在位置上与下凹状水流道(3)对应。

7.根据权利要求6所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的催化剂层(8)为铂铱双功能催化层。

8.根据权利要求7所述的一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，其特征在于，所述的催化剂层(8)还包括上凸状气体流道(4)对应的发电专用催化层和与下凹状水流道(3)对应的电解专用催化层。

9.一种一体式可逆燃料电池，包括极板本体(1)，其特征在于，还包括如权利要求1-5任一项所述的水气分离流道以及如6-8任一项所述的膜电极组件(2)。

10.根据权利要求9所述的一种可逆燃料电池，其特征在于，所述的极板本体(1)与膜电极组件(2)交错排布，并相互接触。

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