本发明专利技术涉及一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池，该阴极流场结构包括双层立体流道和定向微通道，双层立体流道由阴极气体主流道和电解水主流道组成，定向微通道由发电定向微通道和电解定向微通道组成；可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道分配进入的阴极气体，生成水经过发电定向微通道汇集进入电解水主流道并排出，可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入并通过发电定向微通道分配，阴极气体主流道汇集生成的阴极气体并排出；本发明专利技术的可逆燃料电池具有该阴极流场结构。与现有技术相比，本发明专利技术实现了在发电和电解两种工作模式下，水和气的分离，提高了电池水管理和传质效率，保证了可逆燃料电池的高性能输出。
【技术实现步骤摘要】
一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种燃料电池
的流场结构，尤其是涉及一种电解和发电功能复合的一体式双向可逆可再生燃料电池用阴极流场结构以及具有该阴极流场结构的可逆燃料电池。
技术介绍
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(UnitizedRegenerativefuelcell)兼具发电和电解功能，比能量可高达400～1000Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池的几倍。作为储能物质的“水”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，无电池容量限制等优点，是一种新型高效环保的储能系统。可逆燃料电池主要由双极板、膜电极组件、端板等组件组成，需兼顾燃料电池(FC)和电解电池(WE)功能，执行FC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WE功能时，氧电极2H2O－4e→O2+4H+，氢电极2H++2e→H2，在外加电能下，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FC时分配气体，排出生成水，WE时分配水，排出生成氢气和氧气的可逆要求。但是，由于燃料电池和电解电池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。传统的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，URFC系统效率低下，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。经对现有技术的文献检索发现，中国专利技术专利CN102157739B公开的燃料电池双极板通过在极板表面涂膜可逆的亲水-疏水涂层，改变极板的亲疏水性，但无法实现水气分离，反应效率仍有待提高。中国专利技术专利CN101944618A公开的双极板端部为树状结构流场，中间为平行流场，虽然可提高燃料电池反应中的气体分布的均匀性，但是并不能满足电解电池的水管理和气体排出。中国专利技术专利CN101465435B的双极板同样面向燃料电池水管理需求，采用多道蛇形流场结构，提高了燃料电池排水功能。可见，针对燃料电池(FC)功能的流场设计较多，而专门针对URFC流场的设计很少。
技术实现思路
本专利技术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可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可逆燃料电池阴极流场结构，用于可逆燃料电池，设置在可逆燃料电池的极板本体上，包括双层立体流道和定向微通道，所述的双层立体流道由阴极气体主流道和电解水主流道组成，所述的定向微通道由发电定向微通道和电解定向微通道组成；可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道分配进入的阴极气体，生成水经过发电定向微通道汇集进入电解水主流道并排出，可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道进入并通过发电定向微通道分配，阴极气体主流道汇集生成的阴极气体并排出。优选地，所述的阴极气体主流道和电解水主流道交错并排，阴极气体主流道的高度大于电解水主流道的高度，所述的电解水主流道沿长度方向与其两侧并排的阴极气体主流道通过多个发电定向微通道连接。优选地，电解水主流道上连接的发电定向微通道关于电解水主流道均匀对称分布。优选地，所述的阴极气体主流道和发电定向微通道均进行表面处理，并且使阴极气体主流道的憎水程度大于发电定向微通道的憎水程度。可逆燃料电池发电时，生成水可通过发电定向微通道进入电解水主流道。优选地，所述的电解水主流道沿其长度方向连接多个电解定向微通道，电解定向微通道的高度小于阴极气体主流道的高度。优选地，所述的电解定向微通道沿电解水主流道长度方向均匀分布。优选地，所述的发电定向微通道和电解定向微通道内均设有单向瓣膜结构。通过单向瓣膜结构使发电定向微通道和电解定向微通道单向导通。优选地，所述的阴极气体主流道采用的流场形式包括蛇形流场、交指流场、平行流场或蜿蜒流场。优选地，所述的发电定向微通道和电解定向微通道的流通面积小于阴极气体主流道的流通面积，并且不大于电解水主流道的流通面积。优选地，阴极气体主流道为敞开式流道，电解水主流道为封闭式流道，电解水主流道通过在电极板本体内深钻或者单独成型后再与极板本体连接形成。一种可逆燃料电池，包括极板本体和膜电极组件，所述的极板本体一面为阴极流场，另一方面设有阳极流场或者连接具有阳极流场的阳极单极板，所述的阴极流场采用所述的可逆燃料电池阴极流场结构，电解定向微通道的一端连接电解水主流道，另一端通向极板本体外侧，阴极气体主流道设有阴极气体集管口，电解水主流道设有电解水集管口，所述的阳极流场包括阳极气体主流道，阳极气体主流道设有阳极气体集管口。发电定向微通道和电解定向微通道内的内流通方向相反，发电定向微通道内流向为阴极气体主流道到电解水主流道，电解定向微通道内流向为电解水主流道到膜电极组件的催化反应介质。优选地，所述的电解水主流道不与膜电极组件接触。优选地，所述的电解定向微通道不与膜电极组件接触或二者有轻微接触。优选地，所述的阳极气体主流道可以采用与阴极气体主流道一致的流场形式。本专利技术通过以下方式进行工作：可逆燃料电池处于发电模式时，气体(阴极气体和阳极气体)通过气体集管口(阳极气体集管口和阴极气体集管口)进入流场区域，由相应的气体主流道均匀分配到达膜电极组件的催化反应介质，同时气压作用使得发电定向微通道的单向瓣膜结构打开，其表面的憎水层促使反应生成水流入电解水主流道，并在电解水集管口汇集排出电池。可逆燃料电池处于电解模式时，电解水通过电解水集管口进入流场区域，由电解水主流道均匀分配，水压作用使得电解定向微通道的单向瓣膜结构打开，将电解水引入膜电极组件的催化反应介质，生成的气体(阳极气体和阴极气体)沿相应的气体主流道(阴极气体主流道和阳极气体主流道)在气体集管口汇集排出电池。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：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场局部区域水淹导致气体传质不足，电解时产生的气体堵塞水传输通道造成电解反应不足；本专利技术的双层立体流道和定向微通道的流场结构，不仅使得水气流道分离，而且在双向反应时流道交替承担引入或引出作用，减少了极板空间，因此有效提高了可逆燃料电池的水管理效率，真正实现了电池的高效双向可逆。附图说明图1为可逆燃料电池的流场结构示意图；图2为可逆燃料电池发电模式时的功能示意图；图3为实施例1中可逆燃料电池发电模式时，发电定向微通道中的单向瓣膜结构示意图；图4为可逆燃料电池电解模式时的功能示意图；图5为实施例1中可逆燃料电池电解模式时，电解定向微通道中的单向瓣膜结构示意图。图中，1为极板本体，2为阴极气体集管口，3为阴极气体主流道，4为发电定向微通道，5为阳极气体集管口，6为电解定向微通道，7为电解水主流道，8为电解水集管口，9为阳极气体主流道，10为阴极扩散层，11为催化反应介质，12为阳极扩散层。具体实施方式下面结本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可逆燃料电池阴极流场结构，用于可逆燃料电池，设置在可逆燃料电池的极板本体(1)上，其特征在于，包括双层立体流道和定向微通道，所述的双层立体流道由阴极气体主流道(3)和电解水主流道(7)组成，所述的定向微通道由发电定向微通道(4)和电解定向微通道(6)组成；可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道(3)分配进入的阴极气体，生成水经过发电定向微通道(4)汇集进入电解水主流道并排出，可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道(7)进入并通过发电定向微通道(4)分配，阴极气体主流道(3)汇集生成的阴极气体并排出。
【技术特征摘要】
1.一种可逆燃料电池阴极流场结构，用于可逆燃料电池，设置在可逆燃料电池的极板本体(1)上，其特征在于，包括双层立体流道和定向微通道，所述的双层立体流道由阴极气体主流道(3)和电解水主流道(7)组成，所述的定向微通道由发电定向微通道(4)和电解定向微通道(6)组成；可逆燃料电池发电时，阴极气体主流道(3)分配进入的阴极气体，生成水经过发电定向微通道(4)汇集进入电解水主流道并排出，可逆燃料电池电解时，反应水由电解水主流道(7)进入并通过发电定向微通道(4)分配，阴极气体主流道(3)汇集生成的阴极气体并排出。2.根据权利要求1所述的一种可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(3)和电解水主流道(7)交错并排，阴极气体主流道(3)的高度大于电解水主流道(7)的高度，所述的电解水主流道(7)沿长度方向与其两侧并排的阴极气体主流道(3)通过多个发电定向微通道(4)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的阴极气体主流道(3)和发电定向微通道(4)均进行表面处理，并且使阴极气体主流道(3)的憎水程度大于发电定向微通道(4)的憎水程度。4.根据权利要求1所述的一种可逆燃料电池阴极流场结构，其特征在于，所述的电解水主流道(7)沿其长度方向连接多个电解定向微通道(6)，电解定向微通道(6)的高度小于阴极气体主流道(3)的高度。5.根据权利要求1所述的一种可逆燃料电池阴极流场结构，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱殿凯，彭林法，邵恒，易培云，来新民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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