[发明专利]一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池

说明书

本发明涉及一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池，该阴极流场结构包括双层立体流道和定向微通道，双层立体流道由阴极气体主流道和电解水主流道组成，定向微通道由发电定向微通道和电解定向微通道组成；可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道分配进入的阴极气体，生成水经过发电定向微通道汇集进入电解水主流道并排出，可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入并通过发电定向微通道分配，阴极气体主流道汇集生成的阴极气体并排出；本发明的可逆燃料电池具有该阴极流场结构。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，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。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池技术领域的流场结构，尤其是涉及一种电解和发电功能复合的一体式双向可逆可再生燃料电池用阴极流场结构以及具有该阴极流场结构的可逆燃料电池。

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 Regenerativefuel cell)兼具发电和电解功能，比能量可高达400～1000Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池的几倍。作为储能物质的“水”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，无电池容量限制等优点，是一种新型高效环保的储能系统。

可逆燃料电池主要由双极板、膜电极组件、端板等组件组成，需兼顾燃料电池(FC)和电解电池(WE)功能，执行FC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WE功能时，氧电极2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e→H₂，在外加电能下，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FC时分配气体，排出生成水，WE时分配水，排出生成氢气和氧气的可逆要求。但是，由于燃料电池和电解电池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。传统的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，URFC系统效率低下，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 102157739B公开的燃料电池双极板通过在极板表面涂膜可逆的亲水-疏水涂层，改变极板的亲疏水性，但无法实现水气分离，反应效率仍有待提高。中国发明专利CN 101944618A公开的双极板端部为树状结构流场，中间为平行流场，虽然可提高燃料电池反应中的气体分布的均匀性，但是并不能满足电解电池的水管理和气体排出。中国发明专利CN101465435 B的双极板同样面向燃料电池水管理需求，采用多道蛇形流场结构，提高了燃料电池排水功能。可见，针对燃料电池(FC)功能的流场设计较多，而专门针对URFC流场的设计很少。

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可逆燃料电池阴极流场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：

一种可逆燃料电池阴极流场结构，用于可逆燃料电池，设置在可逆燃料电池的极板本体上，包括双层立体流道和定向微通道，所述的双层立体流道由阴极气体主流道和电解水主流道组成，所述的定向微通道由发电定向微通道和电解定向微通道组成；