[发明专利]一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构

说明书

本发明涉及一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，用于一体式可逆燃料电池，包括纵横立体流道和进出口，所述的纵横立体流道由阴极气体主流道、阴极气体反应流道和电解水主流道组成；一体式可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道中的气体分配至阴极气体反应流道发生反应，生成的水在压差作用下经过气体扩散层进入电解水主流道；一体式可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入气体扩散层反应生成气体，阴极气体反应流道汇集生成的阴极气体并经由阴极气体主流道排出。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，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高了电池系统的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构。

背景技术

近来，煤炭、石油和天然气等化石燃料储备快速减少，正日渐枯竭。因此，探索代替化石燃料的清洁能源，已成为本世纪的世界性课题。氢能是一种无污染，储能密度高的清洁能源，是新能源研究的一大热门。一体式可逆燃料电池URFC(Unitized Regenerativefuelcell)兼具发电和电解功能，可以利用氢能发电，也可以利用一次能源产氢，比能量最高可达1000Wh/kg，是目前比能量最大的可充电电池的几倍。一体式可逆燃料电池具有无自放电，无电池容量限制等优点，是一种高效环保的储能系统。

一体式可逆燃料电池具有燃料电池(FC)和电解电池(WE)功能，发电模式下，通入的氢气和氧气发生电化学反应，氧电极O₂+4H⁺+4e→2H₂O，氢电极H₂－2e→2H⁺，输出电能；电解模式下，外加电能，将存储的水电解成氢气和氧气，氧电极2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e→H₂。一体式可逆燃料电池两种模式下，对于水气的传输要求不同，电解时需要分散水，收集并排出气体；发电时需要分散气体，排出水。传统的极板构型难以兼顾发电散气排水和电解散水排气的目的，反应物传质不足，这使得应用传统流场的URFC系统效率低下。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN 211929621 U公开的燃料电池叉状交指流场可以增加分配均匀性，有水气分离的效果，但是不针对于可逆燃料电池的水气分离。中国发明专利CN 208955111 U公开的流场为树枝状结构交指流场，树枝间为蛇形流道，用于集水排水，虽然可提高排水能力，但是分配能力稍差，无法针对于可逆燃料电池的水气分离。中国发明专利CN 109935852 A的流场的仿生结构无法较好满足分配性能。目前，流场设计较多针对于燃料电池功能，而专门针对URFC流场的设计很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，也有效优化了模式切换的速度和效果，明显提高了电池系统的性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纵横式可逆燃料电池阴极流场结构，用于一体式可逆燃料电池，包括纵横立体流道和进出口，所述的纵横立体流道由阴极气体主流道、阴极气体反应流道和电解水主流道组成；

一体式可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道中的气体分配至阴极气体反应流道发生反应，生成的水在压差作用下经过气体扩散层进入电解水主流道；一体式可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入气体扩散层反应生成气体，阴极气体反应流道汇集生成的阴极气体并经由阴极气体主流道排出。

优选地，所述的阴极气体主流道和电解水主流道纵横立体交错，阴极气体主流道位于电解水主流道的上方，即阴极气体主流道的高度大于电解水主流道的高度。

优选地，所述的阴极气体主流道是波浪形，波谷位于相邻两个电解水主流道之间。阴极气体主流道的波峰位于电解水主流道之上。