[发明专利]一种一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池

说明书

本发明涉及一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件(2)，所述的水气分离流道包括下凹状水流道(3)和上凸状气体流道(4)；所述的上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)交错排列；所述的膜电极组件(2)与上凸状气体流道(4)和下凹状水流道(3)的流道壁对应成折线状；所述的上凸状气体流道(4)通过气体分配区(6)连接，下凹状水流道(3)通过水分配区(5)连接。与现有技术相比，本发明具有不仅使得水气流道分离，有效提高可逆燃料电池的水管理与反应催化效率，真正实现了电池高效双向可逆等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种一体式可逆燃料电池水气分离结构及可逆燃料电池。

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 Regenerative fuel cell)兼具发电和电解功能，比能量可高达500-1000Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池的几倍。作为储能物质的“氢”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，使用寿命长等优点，是一种新型高效环保的储能与能量供应系统。

可逆燃料电池主要由双极板、膜电极组件、端板等组件组成，需兼顾发电和电解功能，执行发电功能时，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；执行电解功能时，氧电极2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e^-→H₂，在外加电流下，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，极板需要满足发电时分配气体，排出生成水，电解时分配水，排出生成氢气和氧气的可逆要求。但是，由于发电和电解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。此外在电解之后未反应完的水仍残留在流道与膜电极内，而发电时需通入氧气与氢气进行反应，故需进行气体吹扫以排出多余的水。而吹扫的流速压力时间，则会影响燃料电池的效率，此外吹扫的流速过大可能会损坏膜电极；吹扫的时间过短，水未排完全，影响传质能力；吹扫时间过长，催化层湿度过低，影响催化剂活性。

传统的URFC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，而且无高效的模式切换策略，致使URFC系统效率低下，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。

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不仅使得水气流道分离，有效提高可逆燃料电池的水管理与反应催化效率，真正实现了电池高效双向可逆的一体式可逆燃料电池水气分离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：

发明人了解到，传统可逆燃料电池的极板流场的气体和水为公用管道，发电时生成的水容易引起流道局部区域水淹导致反应气体不足，电解时产生的气体堵塞水传输通道造成电解反应不足，于是对URFC系统的极板与膜电极结构以及模式切换得控制策略进行改进，提出如下具体方案：

一种一体式可逆燃料电池水气分离结构，包括重力驱动的水气分离流道和膜电极组件，所述的水气分离流道包括下凹状水流道和上凸状气体流道；所述的上凸状气体流道和下凹状水流道交错排列；

所述的膜电极组件与上凸状气体流道和下凹状水流道的流道壁对应成折线状；