[發明專利]一種雙向可逆燃料電池系統

有效

• 申請號: 201710631167.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107546401B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 邱殿凱;彭林法;邵恒;易培云;來新民
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/04082
• 分類號: H01M8/04082;H01M8/04186;H01M8/0656;H01M8/2457
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

本發明涉及一種雙向可逆燃料電池系統，該系統包括可逆燃料電池模塊、氫氣儲存模塊、氧氣儲存模塊、儲水模塊以及電源轉換模塊，可逆燃料電池模塊包括多個相互串聯的單電池，單電池包括雙流道氧氣側極板、氫氣側極板以及膜電極組件。與現有技術相比，本發明雙流道氧氣側極板采用雙排并行的流道和定向微通道結構，實現堆內水氣分離；氣體擴散層采用電激勵動態切換有序孔道結構，實現水傳輸的動態可控；催化劑以IrOx化合物為基礎，將高氧還原Pt負載在顆粒結構IrOx/SrIrO₃上，實現高穩定的氧還原?氧析出雙效催化，真正達到發電模式與電解模式兼顧，可實現堆內水傳輸可控，提高了可逆系統的反應效率和穩定性。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種雙向可逆燃料電池系統。

背景技術

21世紀是能源變遷與環境保護的世紀，以石油、天然氣和煤炭等化石能源為主的傳統不可再生資源，不僅因日漸枯竭而儲量不斷減少，而且還造成了嚴重的環境污染，人類正面臨著日益嚴峻的能源危機和環境污染，亟需一種能量轉化效率高、環境友好的替代能源。氫能作為公認的可再生清潔能源，被譽為21世紀最具發展前景的替代能源，其開發利用技術得到世界范圍的關注。其中，燃料電池(Fuel Cell，FC)作為一種將化學能直接轉化成電能的新型能源裝置，具有能量密度高、環境友好、啟動快、工作溫度低等優勢，有望在交通工具、航空航天、電子設備、工作電站等諸多領域得到廣泛應用。電解電池(WaterElectrolysis，WE)是將電能轉化為化學能的一種裝置，可用于電能的化學方式儲存。

可再生燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cell，URFC)兼顧燃料電池(FC)和電解電池(WE)的功能，當執行FC功能時，氧電極O₂+4H⁺+4e→2H₂O，氫電極H₂－2e→2H⁺，氫氣和氧氣發生電化學反應生成水，并對外輸出電能；當執行WE功能時，氧電極2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氫電極2H⁺+2e→H₂，在外加電能的條件下，水電解生成氫氣和氧氣，達到儲能目的?？稍偕剂想姵刈鳛橐环N新型的可再生能源系統，實現了燃料電池發電系統和電解系統的復合，降低了系統整體的體積和成本，但其正向功能和逆向功能兼顧困難，例如：氧氣側極板發電排水和電解需水難以兼顧，氣體擴散層發電憎水環境和電解親水環境難以兼顧，催化劑的發電氧還原與電解析氧反應難以同時兼顧。因此，現有的URFC系統效率低下，難以實現高效雙向可逆反應，嚴重制約了可再生燃料電池的推廣應用。

中國發明專利CN102185327A公開了一種基于可逆燃料電池的大容量電力儲能裝置，包括AC/DC變換系統、可逆燃料電池系統、DC/AC變換系統、控制系統、儲氫系統、儲氧系統和儲水系統等，該專利介紹了一種儲能裝置的工作原理，但并未涉及可逆燃料電池系統的具體構造和具體實現方式。國際專利US20140234734A1(中國發明專利CN104115327A)公開的可逆燃料電池系統包括：含有二氧化錳的正極；含有儲氫材料的負極；獨立的氫儲存室和氧儲存室。該系統雖然可實現一次電池放電，二次電池蓄電，但是并未考慮系統水管理問題，對催化劑如何高效地達到可逆反應并未涉及，因此系統效率有待提高。國際專利US9391339B2(中國發明專利CN104285328A)、國際專利US9214694B2(中國發明專利CN103210534A)、中國發明專利CN105449250A等均對各自公開的可再生燃料電池工作原理進行了介紹，但是對系統內部關鍵組件結構的研究較少，且未能解決水管理、雙向催化等關鍵問題。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能夠兼顧發電模式與電解模式的雙向可逆燃料電池系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：