[發(fā)明專利]一種縱橫式可逆燃料電池陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110372111.5
• 申請(qǐng)日: 2021-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN112952134B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭孟迪;邱殿凱;彭林法;易培云;來新民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/0258
• 分類號(hào): H01M8/0258;H01M4/86
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發(fā)明涉及一種縱橫式可逆燃料電池陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，用于一體式可逆燃料電池，包括縱橫立體流道和進(jìn)出口，所述的縱橫立體流道由陰極氣體主流道、陰極氣體反應(yīng)流道和電解水主流道組成；一體式可逆燃料電池發(fā)電時(shí)，陰極氣體主流道中的氣體分配至陰極氣體反應(yīng)流道發(fā)生反應(yīng)，生成的水在壓差作用下經(jīng)過氣體擴(kuò)散層進(jìn)入電解水主流道；一體式可逆燃料電池電解時(shí)，反應(yīng)水由電解水主流道進(jìn)入氣體擴(kuò)散層反應(yīng)生成氣體，陰極氣體反應(yīng)流道匯集生成的陰極氣體并經(jīng)由陰極氣體主流道排出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在發(fā)電和電解兩種工作模式下，水和氣的分離，也有效優(yōu)化了模式切換的速度和效果，明顯提高了電池系統(tǒng)的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種縱橫式可逆燃料電池陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

近來，煤炭、石油和天然氣等化石燃料儲(chǔ)備快速減少，正日漸枯竭。因此，探索代替化石燃料的清潔能源，已成為本世紀(jì)的世界性課題。氫能是一種無污染，儲(chǔ)能密度高的清潔能源，是新能源研究的一大熱門。一體式可逆燃料電池URFC(Unitized Regenerativefuelcell)兼具發(fā)電和電解功能，可以利用氫能發(fā)電，也可以利用一次能源產(chǎn)氫，比能量最高可達(dá)1000Wh/kg，是目前比能量最大的可充電電池的幾倍。一體式可逆燃料電池具有無自放電，無電池容量限制等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效環(huán)保的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

一體式可逆燃料電池具有燃料電池(FC)和電解電池(WE)功能，發(fā)電模式下，通入的氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氧電極O₂+4H⁺+4e→2H₂O，氫電極H₂－2e→2H⁺，輸出電能；電解模式下，外加電能，將存儲(chǔ)的水電解成氫氣和氧氣，氧電極2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氫電極2H⁺+2e→H₂。一體式可逆燃料電池兩種模式下，對(duì)于水氣的傳輸要求不同，電解時(shí)需要分散水，收集并排出氣體；發(fā)電時(shí)需要分散氣體，排出水。傳統(tǒng)的極板構(gòu)型難以兼顧發(fā)電散氣排水和電解散水排氣的目的，反應(yīng)物傳質(zhì)不足，這使得應(yīng)用傳統(tǒng)流場(chǎng)的URFC系統(tǒng)效率低下。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利CN 211929621 U公開的燃料電池叉狀交指流場(chǎng)可以增加分配均勻性，有水氣分離的效果，但是不針對(duì)于可逆燃料電池的水氣分離。中國(guó)發(fā)明專利CN 208955111 U公開的流場(chǎng)為樹枝狀結(jié)構(gòu)交指流場(chǎng)，樹枝間為蛇形流道，用于集水排水，雖然可提高排水能力，但是分配能力稍差，無法針對(duì)于可逆燃料電池的水氣分離。中國(guó)發(fā)明專利CN 109935852 A的流場(chǎng)的仿生結(jié)構(gòu)無法較好滿足分配性能。目前，流場(chǎng)設(shè)計(jì)較多針對(duì)于燃料電池功能，而專門針對(duì)URFC流場(chǎng)的設(shè)計(jì)很少。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種縱橫式可逆燃料電池陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在發(fā)電和電解兩種工作模式下，水和氣的分離，也有效優(yōu)化了模式切換的速度和效果，明顯提高了電池系統(tǒng)的性能。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種縱橫式可逆燃料電池陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，用于一體式可逆燃料電池，包括縱橫立體流道和進(jìn)出口，所述的縱橫立體流道由陰極氣體主流道、陰極氣體反應(yīng)流道和電解水主流道組成；

一體式可逆燃料電池發(fā)電時(shí)，陰極氣體主流道中的氣體分配至陰極氣體反應(yīng)流道發(fā)生反應(yīng)，生成的水在壓差作用下經(jīng)過氣體擴(kuò)散層進(jìn)入電解水主流道；一體式可逆燃料電池電解時(shí)，反應(yīng)水由電解水主流道進(jìn)入氣體擴(kuò)散層反應(yīng)生成氣體，陰極氣體反應(yīng)流道匯集生成的陰極氣體并經(jīng)由陰極氣體主流道排出。

優(yōu)選地，所述的陰極氣體主流道和電解水主流道縱橫立體交錯(cuò)，陰極氣體主流道位于電解水主流道的上方，即陰極氣體主流道的高度大于電解水主流道的高度。

優(yōu)選地，所述的陰極氣體主流道是波浪形，波谷位于相鄰兩個(gè)電解水主流道之間。陰極氣體主流道的波峰位于電解水主流道之上。