一种可逆燃料电池阴极流场结构及可逆燃料电池的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池技术领域的流场结构，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。

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(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，中国发明专利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。中国发明专利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。中国发明专利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。

技术实现要素：

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可逆燃料电池阴极流场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：

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。

本发明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，本发明具有以下特点：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；本发明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

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种可逆燃料电池，如图1、图2和图4所示，包括极板本体1和膜电极组件，极板本体1的两面分别设有阴极流场和阳极流场，其中，阴极流场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3和电解水主流道7组成，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，阴极气体主流道3设有阴极气体集管口2，电解定向微通道6的一端连接电解水主流道7，另一端通向极板本体1外侧，电解水主流道7设有电解水集管口8，阳极流场包括阳极气体主流道9，阳极气体主流道9设有阳极气体集管口5。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，阳极气体主流道9分配挤入的阳极气体，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，阳极气体主流道9汇集生成的阳极气体并排出。

具体地，本实施例中的阴极气体为氧气，阳极气体为氢气，膜电极组件包括阴极扩散层10、阳极扩散层12以及置于二者之间的催化反应介质11。阳极气体主流道9位于极板本体1的一侧，阴极气体主流道3和电解水主流道7置于极板本体1的另一侧，阳极气体主流道9和阴极气体主流道3均为平行流场，实际中也可根据需要采用蛇形流场、交指流场或蜿蜒流场等流场形式。电解水主流道7与阴极气体主流道3交错并排，电解水主流道7位于两侧阴极气体主流道3的中间位置，并且阴极气体主流道3的高度大于电解水主流道7的高度。阳极气体主流道9和电解水主流道7位于极板本体1的同一基面，可逆燃料电池装配时，阴极气体主流道3与膜电极组件的阴极扩散层10压紧，阳极气体主流道9与膜电极组件的阳极扩散层12压紧；电解水主流道7并不接触膜电极组件的阴极扩散层10，电解水主流道7为封闭式流道，可以采用在极板本体1内深钻或者单独成型后再与极板本体1连接，电解定向微通道6的高度小于阴极气体主流道3的高度。本实施例中，阳极气体主流道9的截面呈矩形，宽度为1.4mm，深度为1.0mm；阴极气体主流道3的截面也呈矩形，宽度为1.4mm，深度为1.0mm，相邻阴极气体主流道3之间的间距为4mm；电解水主流道7的截面也呈矩形，宽度为0.6mm，深度为0.4mm。

发电定向微通道4连接电解水主流道7和阴极气体主流道3，截面呈圆形，实际情况中，发电定向微通道4也可根据需要选择环形截面，阴极气体主流道3和发电定向微通道4覆盖有表面处理层，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，本实施例中，阴极气体主流道3憎水层与水的接触角度大于120度，发电定向微通道4表面接触角为90度，从而促使发电生成的水向发电定向微通道4流动。电解定向微通道6的截面呈圆形，一端连接电解水主流道7，另一端伸向极板本体1外侧并与极板本体1表面垂直，外径为0.6mm，深度为0.2mm，电池组装后，电解定向微通道不与膜电极组件接触或二者有轻微接触。实际情况中，电解定向微通道6的截面也可根据需要选择环形或多边形。发电定向微通道4和电解定向微通道6的流通面积小于阴极气体主流道3的流通面积，并且不大于电解水主流道7的流通面积。发电定向微通道4和电解定向微通道6均为单向流动瓣膜结构，发电定向微通道4流动方向为从阴极气体主流道3到电解水主流道7，电解定向微通道6的流道方向为从电解水主流道7到极板本体1外侧，两种单向流动瓣膜结构保证水在相应的微通道内只能沿一个方向流动，如图3和图5所示。

本发明的工作过程如下：该可逆燃料电池的发电模式的工作原理如图2所示，氢气和氧气分别进入阳极气体主流道9和阴极气体主流道3，在膜电极组件内催化反应介质11作用下，发生电化学反应生成水，在氧气气压下发电定向微通道4的单向瓣膜结构打开，由于阴极气体主流道3的憎水层作用水汽无法汇集在憎水层上，在气压和憎水层作用下，产生的水流入发电定向微通道4，从而进入电解水主流道7，在电解水集管口8汇集排出电池；电解模式的工作原理如图4所示，电解水进入电解水主流道7，在水压作用下，电解定向微通道6的单向瓣膜结构打开，电解水流入膜电极组件的催化剂11表面，在外接电能的作用下发生电解，产生的氢气和氧气分别从阳极气体主流道9和阴极气体主流道3汇集排出电池。

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，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。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的可逆燃料电池的极板本体1的一面设有阴极流场，另一面连接具有阳极流场的阳极单极板，从而组成双极板，两单极板间可设有冷却液流场。

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，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。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。