[发明专利]流场自适应的电池极板结构及燃料电池

说明书

本发明涉及一种流场自适应的电池极板结构及燃料电池，用于一体式再生燃料电池，该极板上的流场为双功能流场(1)，包括：依次连通的流场入口(101)、蜿蜒流道(102)、和流场出口(106)，其中相邻蜿蜒流道(102)之间为流场脊(103)，流场脊(103)上设有导水隔气结构(105)，流场边缘设有水分配区(104)。与现有技术相比，本发明创造性提出双功能流场可实现一体式再生燃料电池发电和电解不同模式下流场形态的自转变，在发电模式下，双功能流场形态趋于长流道的蛇形流场，有利于增大流场压降，利于排水，从而提高发电性能；在电解模式下，双功能流场的形态趋于短流道的平行流场，有利于水的均匀分配，防止电解水产生的气体堵塞流道，提高电解性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及用于可再生燃料电池的双极板组件，具体涉及适应于发电和电解功能的可再生燃料电池流场结构以及密封结构。

背景技术

一体式再生燃料电池(URFC)是一种在同一电池上实现燃料电池(发电)和水电解(充电)两种功能的电化学装置。URFC以其极高的比能量(实际比能量可达400-1000Wh/kg)、高的充放电效率、清洁无污染等特性非常适合低重量、长航时的用电需求，特别在空间、可移动电源领域有望取代传统二次电池，已被欧美国家列为今后空间能源技术的重要发展方向。

URFC可实现发电和电解两种工作模式的自由切换，在发电模式，通入氢气和氧气发生电化学反应生成水并储存，同时对外输出电能；在电解模式，在外加电能下，通入水电解成氢气和氧气并储存。由于URFC要求实现燃料电池发电和水电解两种互逆的功能模式，造成URFC中极板流场对发电/电解不同模式需具有不同的适应性。发电时，流场需具备较高的反应气利用率及较好的排水能力，流场需具有较高压降和较长的流道，以长流道的蛇形流场为主；电解时，流场需备有较好的水分配均匀性，并利于生成气的收集，流场需具有较短、较多的流道，以短流道的平行流场为主。因此，URFC的流场需同时满足燃料电池发电对长流道、高压降、和水电解对短流道、水均匀分配的需求。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利CN201163639Y，名称为“一体式再生燃料电池及其水电解装置的流场板”，采用平行流场设计，流场板实现了燃料电池与水电解池一体，具有结构简单、有利于电解水等有益效果，但是平行流场在燃料电池模式中、压降过低，导致气体流速低，造成流道排水不畅，特别对于大面积流场，在高电流密度下工作时，极易造成水淹，降低发电性能。

中国发明专利CN102290581A，名称为“一体式双效再生燃料电池的双极板”，基于蛇形流场设计，有利于避免水淹现象，有效提高燃料电池模式下发电性能，在电解模式，有利于水与生成的气体分离，然而该发明并不能从根本上解决水电解模式下，生成的气体在过长流道中积聚，阻碍电解水均匀分配的问题。

中国发明专利CN107579264A，名称“一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池”，创造性提出双层定向自润湿的双通道流场结构，可实现发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，有效提高电池发电/电解模式下水管理和传质效率。然而该发明流场结构复杂、可实施性不强，其流场性能效果也难以证实。

可见，针对于URFC的发电/电解的双功能流场结构设计目前还存在很多问题，且相关设计较少。

此外，为了提高一体式再生燃料电池(URFC)效率、稳定性，要求URFC在高气压下电解，从而不必消耗外部能量实现自增压储气，因此，URFC对高气压工作下的密封性要求较高，这对于URFC极板的耐压要求及密封性也提出了相当的考验。

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流场自适应的电池极板结构及燃料电池，极板具体有双功能流场，可实现发电模式和电解模式下不同流场形态的自动转换；极板具有新型密封结构，可缓解一体式再生燃料电池高气压工作状态下泄露问题；通过流场和密封等方面的创造性发明，有效提升一体式再生燃料电池的效率和稳定性。