CN113991136B - 一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池 - Google Patents

一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池，具体涉及一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池，包括氧极板、中间板和氢极板组成的三板结构；氧极板为双场错排的阴极板，正面设有氧化剂分配流道、氧化剂反应流道和水反应流道，反面设有水分配流道，以及贯通氧极板正反两面的开口、氧化剂公共流道和反应水公共流道。与现有技术相比，本发明实现了水和气的分离传输，通过控制水、气流道出口的开闭实现在模式切换时的高效吹扫，提高了一体式可逆燃料电池的水气管理与传质性能，明显提高了一体式可逆燃料电池的性能。

Description

一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，具体涉及一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池。
背景技术
当前能源主要来自于煤炭、石油、天然气等化石燃料，其污染高且储备日渐减少。氢能和燃料电池由于其清洁、高效、可再生的特点，已成为各国的战略能源发展方向。一体式可逆燃料电池(Unitized Regenerative fuel cell,URFC)兼备了发电与电解两种功能，既可以利用氢气发电，也可以通过电解水制氢转化能量进行储备，将发电与电解合二为一，极大地减小了体积与重量，提高了能量密度，并且由于其储能能力强、自放电衰减小、低工作温度、无电池容量限制等优势，使得URFC的应用前景广泛。
一体式可逆燃料电池既能进行发电(Fuel Cell,FC)，又能进行电解(WaterElectrolyzer,WE)。一体式可逆燃料电池在发电时，将氢气与氧气通入电池中发生电化学反应并产生能量输出；一体式可逆燃料电池在电解时，将电解水通入电池中发生电化学反应生成氢气，将电能转化为氢能储存。由于URFC需要在一个电池中同时实现两种完全相反需求的模式，在发电时需要电池利于通入气体排出水，在电解时需要电池利于通入水排出气体，因此对电池的结构提出了相反的要求。目前用于URFC的双极板结构不能够同时满足水和气的良好的传质能力，因此导致了电池的效率不足。
中国专利CN100442582C公开了一种质子交换膜燃料电池用双燕尾形流场板的结构，流场板上包括氢气进气口、氢气出气口、空气进气口、空气出气口、连通气体进出气口的导流槽和冷却水流通槽等。流场板上有氢气进出气口和空气进出气口各一对，呈非整半圆形，而连通进出气口的导流凹槽采用了流线型多通道双燕尾形流场分布结构。该专利所提出的流场结构不能实现可逆燃料电池的水气分离。
中国专利CN102290581B公开了一体式双效再生燃料电池的双极板，包括双面流场基板和与之串联的单面流场基板，双面流场基板和单面流场基板上均设有若干个通孔即氢气进气孔、辅助气体进气孔、冷却水进水孔、氢气出气孔、辅助气体出气孔和冷却水出水孔，这些通孔与电池堆其他相邻部件上对应的通孔密封连接后构成对应的氢气分配管路、辅助气体分配管路和冷却水分配管路的进出通道。该专利所提出的流场结构分配能力差，并且也无法实现水气分离。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种阴极双场错排双极板流场结构及一体式可逆燃料电池，实现了水和气的分离传输，通过控制水、气流道出口的开闭实现在模式切换时的高效吹扫，提高了一体式可逆燃料电池的水气管理与传质性能，明显提高了一体式可逆燃料电池的性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种阴极双场错排双极板流场结构，包括氧极板、中间板和氢极板组成的三板结构；
所述的氧极板为双场错排的阴极板，正面设有氧化剂分配流道、氧化剂反应流道和水反应流道，反面设有水分配流道，以及贯通氧极板正反两面的开口、氧化剂公共流道和反应水公共流道。
优选地，所述的氧化剂反应流道和水反应流道交替排布，提供传输水和气的独立流道，氧化剂反应流道和水反应流道均位于氧极板正面。
优选地，所述的双极板流场结构包含八个公共管道以及对应的八个出入口，分别是氧化剂公共流道入口，氧化剂公共流道出口，氢公共流道入口，氢公共流道出口，反应水公共流道入口，反应水公共流道出口，冷却水公共流道入口，冷却水公共流道出口。
优选地，所述的氧化剂公共流道出口与反应水公共流道出口依据模式要求分别控制开闭。
优选地，所述的氧化剂反应流道与相邻的水反应流道中间通过脊结构隔开，所述的脊结构对应流道结构，其将相邻的两根流道隔开，并与双极板端面齐高。
优选地，所述的氧化剂反应流道与水反应流道处于同一高度。
优选地，所述的水反应流道为单面双封闭式流道，其进出口均与开口相连，所述的氧化剂反应流道为敞开式流道。所述的单面双封闭式流道为两端包含开口的蜿蜒形流道，其布置在一个平面内，流道与其对应的分配区不相连，布置在正反两面上，所述的敞开式流道为两端与对应分配区连通的流道，其与分配区共同布置在一个平面上。
优选地，所述的氧化剂反应流道和水反应流道采用的流道形式为平行流道或蛇形流道，氧化剂反应流道和水反应流道的蜿蜒方向一致。
优选地，所述的氧化剂反应流道和水反应流道采用的流道形式为波浪形蜿蜒的平行流道。
优选地，所述的氢极板正面设有氢气反应流道，所述的氢气反应流道采用的流道形式为平行流道、蛇形流道、交指型流道或蜿蜒型流道；
所述的中间板背面与氢极板背面形成冷却水流道，所述的冷却水流道采用的流道形式为平行流道或蛇形流道，与氧极板和氢极板上的流道呈垂直方向纵横布置。
优选地，所述的氢气反应流道采用的流道形式为波浪形蜿蜒的平行流道；所述的冷却水流道采用的流道形式为平行流道。
优选地，所述的中间板与氧极板在氧化剂公共流道、氢公共流道和冷却水公共流道各出入口处通过焊线实现密封，以及中间板与氧极板在反应水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封；
所述的中间板与氢极板在氧化剂公共流道、氢公共流道和反应水公共流道各出入口处通过焊线实现密封，以及中间板与氧极板在冷却水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封。
本发明第二方面公开了一体式可逆燃料电池，由上述任一所述阴极双场错排双极板流场结构的双极板与膜电极交替叠装而成，所述的双极板和膜电极之间设有气体扩散层；
发电时，氧化剂流经氧化剂公共流道入口、氧化剂分配流道，被分配至氧化剂反应流道中，到达膜电极进行反应，生成的水在压差的作用下进入水反应流道，并通过开口进入反应水公共流道出口排出；
电解时，反应水由反应水公共流道入口通入，经过水分配流道，通过开口进入水反应流道，到达膜电极进行反应，生成的氧气在压差的作用下通过氧化剂反应流道，由氧化剂公共流道出口排出。
优选地，所述的氧化剂选用氧气或空气。
优选地，所述的氧化剂反应流道和水反应流道均与膜电极相接触。
本发明的工作原理为：
一体式可逆燃料电池处于发电模式时，氧化剂通过氧化剂公共流道入口进入氧化剂分配流道进行分配，并进入氧化剂反应流道，到达膜电极的催化层进行反应，生成的水在压差的作用下被压入水反应流道，并通过开口到达水分配流道，到达反应水公共流道出口排出。
一体式可逆燃料电池处于电解模式时，反应水由反应水公共流道入口通入，经过水分配流道进行分配，再通过开口进入氧极板另一面的水反应流道，到达膜电极的催化层进行反应，生成的气在压差的作用下，通过氧化剂反应流道到氧化剂分配流道，汇集到氧化剂公共流道出口并排出。
一体式可逆燃料电池进行模式切换时，氧化剂公共流道出口与反应水公共流道出口均打开，对各流道进行吹扫。
发电与电解过程中，冷却水在中间板背面与氢极板背面形成的冷却水流道中流通进行循环冷却。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用氧极板的双场错排结构，分别设计了氧化剂分配流道、反应流道、水分配流道、水反应流道，实现了水和气的独立分离传输，不会由于反应生成的水或气聚集在流道内影响电池效率，适用于既需要发电，又需要电解的一体式可逆燃料电池，同时提高一体式可逆燃料电池的水气管理与传质性能。
2、一体式可逆燃料电池在发电模式时，反应生成水通过反应水公共流道出口排出；在电解模式时，反应生成的氧气通过氧化剂公共流道出口排出；电解模式切换为发电模式时，对水、气流道进行吹扫，提高了一体式可逆燃料电池的水气管理与传质性能，可以进一步提高一体式可逆燃料电池的性能。
3、本发明中双极板的三板结构适用于冲压等制造工艺，极大减小了一体式可逆燃料电池的厚度与体积。
附图说明
图1为本发明一体式可逆燃料电池的结构示意图；
图2为本发明阴极双场错排双极板流场结构的氧极板正面的结构示意图；
图3为本发明阴极双场错排双极板流场结构的氧极板反面的结构示意图；
图4为本发明阴极双场错排双极板流场结构的中间板的结构示意图；
图5为本发明阴极双场错排双极板流场结构的氢极板的结构示意图；
图6为本发明一体式可逆燃料电池的氧极板和氢极板夹气体扩散层与膜电极构成一节电池的局部结构示意图；
图7为本发明阴极双场错排双极板流场结构的氧极板的焊线分布的结构示意图；
图8为本发明阴极双场错排双极板流场结构的中间板的焊线分布的结构示意图；
图9为本发明阴极双场错排双极板流场结构的氢极板的焊线分布的结构示意图；
图10为实施例1中一体式可逆燃料电池发电模式时，氧极板局部流场流道中水和气流动方向示意图；
图11为实施例1中一体式可逆燃料电池电解模式时，氧极板局部流场流道中水和气流动方向示意图；
图中：1-氧极板；2-氧化剂分配流道；3-氧化剂反应流道；4-水分配流道；5-水反应流道；6-开口；7-氧化剂公共流道出口；8-反应水公共流道出口；9-中间板；10-冷却水流道；11-氧化剂公共流道入口；12-氢极板；13-氢气反应流道；14-反应水公共流道入口；15-气体扩散层；16-膜电极；17-氢公共流道入口；18-氢公共流道出口；19-冷却水公共流道入口；20-冷却水公共流道出口；21-焊线。
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。
实施例1
一种阴极双场错排双极板流场结构，如图2-5所示，包括氧极板1、中间板9和氢极板12组成的三板结构；
氧极板1为双场错排的阴极板，正面设有氧化剂分配流道2、氧化剂反应流道3和水反应流道5，反面设有水分配流道4，以及贯通氧极板1正反两面的开口6、氧化剂公共流道和反应水公共流道。
更具体地，本实施例中：
如图2和图3所示，氧极板1上氧化剂反应流道3和水反应流道5各设置29根，共58根流道，均位于氧极板1正面，交替排布，提供传输水和气的独立流道，每根流道的长度约为130mm，整个流场的宽度约为130mm。氧化剂反应流道3和水反应流道5采用的流道形式为波浪形蜿蜒的平行流道，氧化剂反应流道3和水反应流道5的蜿蜒方向一致。氧化剂反应流道3为单面双封闭式流道，其流道深度为0.35mm，流道宽度随着流道的延伸变化，宽度最小为1mm，宽度最大1.5mm；水反应流道5的流道深度为0.35mm，流道宽度随着流道的延伸变化，宽度最小为1mm，宽度最大1.5mm，水反应流道5为敞开式流道，其与氧化剂反应流道3的宽度变化一致。在氧化剂反应流道3与相邻的水反应流道5中间通过脊结构隔开(相邻两根氧化剂反应流道3之间间隔两个脊结构和一根水反应流道5，其中，脊结构为蜿蜒形结构，其对应两侧的流道结构，将两侧的流道隔开，宽度与氧化剂反应流道3的宽度以及水反应流道5的宽度均为1:1，高度与极板端面齐高。氧化剂反应流道3与水反应流道5位于氧极板1同一面的同一高度处，水反应流道5，其进出口均与开口6相连，并连通氧极板1反面的水分配流道4，开口6的宽度与水反应流道5的宽度一致，开口6的长度为5mm。
如图4所示，中间板9背面与氢极板12背面形成冷却水流道10，冷却水流道10采用的流道形式为平行流道，与氧极板1和氢极板12上的流道呈垂直方向纵横布置。冷却水流道10的深度为0.3mm，宽度为1mm，相邻冷却水流道10也通过脊结构分隔，脊结构的宽度与冷却水流道10宽度比为1:1，中间板9的整个冷却水流场长度约为130mm，宽度约为130mm。
如图5所示，氢极板12正面设有氢气反应流道13，氢气反应流道13采用的流道形式为波浪形蜿蜒的平行流道。氢气反应流道13的流道深度为0.35mm，流道宽度随着流道的延伸变化，宽度最小为1mm，宽度最大1.5mm；水反应流道5的流道深度为0.35mm，流道宽度随着流道的延伸变化，宽度最小为1mm，宽度最大1.5mm。
如图2-5所示，双极板流场结构包含八个公共管道以及对应的八个出入口，分别是氧化剂公共流道入口11，氧化剂公共流道出口7，氢公共流道入口17，氢公共流道出口18，反应水公共流道入口14，反应水公共流道出口8，冷却水公共流道入口19，冷却水公共流道出口20。其中，氧化剂公共流道出口7与反应水公共流道出口8依据模式要求分别控制开闭。
如图7-9所示，中间板9与氧极板1在氧化剂公共流道、氢公共流道和冷却水公共流道各出入口处通过焊线21实现密封，以及中间板9与氧极板1在反应水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封；
中间板9与氢极板12在氧化剂公共流道、氢公共流道和反应水公共流道各出入口处通过焊线21实现密封，以及中间板9与氧极板1在冷却水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封。
如图1和图6所示，由包含上述阴极双场错排双极板流场的双极板与膜电极16构成的燃料电池，其中双极板与膜电极16交替叠装而成，在双极板与膜电极16之间设置了气体扩散层15。
发电时，氧化剂流经氧化剂公共流道入口11、氧化剂分配流道2，被分配至氧化剂反应流道3中，到达膜电极16进行反应，生成的水在压差的作用下进入水反应流道5，并通过开口6进入反应水公共流道出口8排出；电解时，反应水由反应水公共流道入口14通入，经过水分配流道4，通过开口6进入水反应流道5，到达膜电极16进行反应，生成的氧气在压差的作用下通过氧化剂反应流道3，由氧化剂公共流道出口7排出。在本实施例中，氧化剂选用氧气，氧化剂反应流道3和水反应流道5均与膜电极16相接触。
本发明的工作原理为：
如图10所示，一体式可逆燃料电池处于发电模式时，氧化剂公共流道出口7关闭，反应水公共流道出口8打开，氧化剂通过氧化剂公共流道入口11进入氧化剂分配流道2进行分配，并进入氧化剂反应流道3，到达膜电极16的催化层进行反应，生成的水在压差的作用下被压入水反应流道5，并通过开口6到达水分配流道4，到达反应水公共流道出口8排出。
如图11所示，一体式可逆燃料电池处于电解模式时，氧化剂公共流道出口7打开，反应水公共流道出口8出口关闭，反应水由反应水公共流道入口14通入，经过水分配流道4进行分配，再通过开口6进入氧极板1另一面的水反应流道5，到达膜电极16的催化层进行反应，生成的气在压差的作用下，通过氧化剂反应流道3到氧化剂分配流道2，汇集到氧化剂公共流道出口7并排出。
一体式可逆燃料电池进行模式切换时，氧化剂公共流道出口7与反应水公共流道出口8均打开，对各流道进行吹扫。
发电与电解过程中，冷却水在中间板9背面与氢极板12背面形成的冷却水流道10中流通进行循环冷却。
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)

1.一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，包括氧极板（1）、中间板（9）和氢极板（12）组成的三板结构；
所述的氧极板（1）为双场错排的阴极板，正面设有氧化剂分配流道（2）、氧化剂反应流道（3）和水反应流道（5），反面设有水分配流道（4），以及贯通氧极板（1）正反两面的开口（6）、氧化剂公共流道和反应水公共流道；
所述的中间板（9）背面与氢极板（12）背面形成冷却水流道（10），所述的冷却水流道（10）采用的流道形式为平行流道或蛇形流道，与氧极板（1）和氢极板（12）上的流道呈垂直方向纵横布置；
所述的中间板（9）与氧极板（1）在氧化剂公共流道、氢公共流道和冷却水公共流道各出入口处通过焊线（21）实现密封，以及中间板（9）与氧极板（1）在反应水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封；
所述的中间板（9）与氢极板（12）在氧化剂公共流道、氢公共流道和反应水公共流道各出入口处通过焊线（21）实现密封，以及中间板（9）与氧极板（1）在冷却水公共流道出入口处通过凹凸平面的接触贴合实现密封；
所述的氧化剂反应流道（3）和水反应流道（5）交替排布，提供传输水和气的独立流道，氧化剂反应流道（3）和水反应流道（5）均位于氧极板（1）正面；
所述的氧化剂反应流道（3）与相邻的水反应流道（5）中间通过脊结构隔开。
2.根据权利要求1所述的一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，所述的双极板流场结构包含八个公共管道以及对应的八个出入口，分别是氧化剂公共流道入口（11），氧化剂公共流道出口（7），氢公共流道入口（17），氢公共流道出口（18），反应水公共流道入口（14），反应水公共流道出口（8），冷却水公共流道入口（19），冷却水公共流道出口（20）。
3.根据权利要求2所述的一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，所述的氧化剂公共流道出口（7）与反应水公共流道出口（8）依据模式要求分别控制开闭。
4.根据权利要求1所述的一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，所述的水反应流道（5）为单面双封闭式流道，其进出口均与开口（6）相连，所述的氧化剂反应流道（3）为敞开式流道。
5.根据权利要求1所述的一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，所述的氧化剂反应流道（3）和水反应流道（5）采用的流道形式为平行流道或蛇形流道，氧化剂反应流道（3）和水反应流道（5）的蜿蜒方向一致。
6.根据权利要求1所述的一种阴极双场错排双极板流场结构，其特征在于，所述的氢极板（12）正面设有氢气反应流道（13），所述的氢气反应流道（13）采用的流道形式为平行流道、蛇形流道、交指型流道或蜿蜒型流道。
7.一体式可逆燃料电池，其特征在于，由带有权利要求1-6任一所述阴极双场错排双极板流场结构的双极板与膜电极（16）交替叠装而成，所述的双极板和膜电极（16）之间设有气体扩散层（15）；
发电时，氧化剂流经氧化剂公共流道入口（11）、氧化剂分配流道（2），被分配至氧化剂反应流道（3）中，到达膜电极（16）进行反应，生成的水在压差的作用下进入水反应流道（5），并通过开口（6）进入反应水公共流道出口（8）排出；
电解时，反应水由反应水公共流道入口（14）通入，经过水分配流道（4），通过开口（6）进入水反应流道（5），到达膜电极（16）进行反应，生成的氧气在压差的作用下通过氧化剂反应流道（3），由氧化剂公共流道出口（7）排出。
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