CN111326761B - 一种可再生燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可再生燃料电池，具体包括若干燃料电池单元和水电解池单元，通过水板叠合在一起，形成具有燃料电池功能和水电解池功能的再生燃料电池。其中，燃料电池具有无姿态排水能力，而水电解池具有无姿态供水能力。本发明的可再生燃料电池体积小、寿命长，适用于微重力环境的长期运行。

Description

一种可再生燃料电池
技术领域
本发明涉及可再生燃料电池(RFC)技术领域，主要是关于质子交换膜燃料电池和固体聚合物电解质水电解池的组合式结构。
背景技术
随着世界各国对空间技术的高度重视,空间电源技术获得了飞速发展。高度安全可靠的空间电源***是保证卫星等空间飞行器正常运行的重要因素。电源***一方面用于卫星等空间飞行器姿态的调控,同时又保证卫星等空间飞行器携带的仪器设备正常工作以及与地面的通信联络等等。提高空间电源的性能和性价比等指标,对增加有效载荷、提高卫星性能和效益都有非常重要的意义。
可再生燃料电池(RFC，Regenerative Fuel Cell)具有极高的比能量,可高达400～1000Wh/kg,是目前最轻的高能可充电池比能量的几倍,且具有使用中无自放电,无放电深度及电池容量限制等优点,产生的高压H2、O2不仅可用于空间站及卫星的姿态控制，还可以用于宇航员的生命保障。因此，美国等发达国家非常重视RFC技术的研究开发,并将RFC技术视为今后“空间可再生能源技术”的重要发展方向之一。RFC由水电解(WE,Waterelectrolysis)组件与燃料电池(FC,Fuelcell)组件组成，当执行不同功能时，相应的电池组件工作，即：执行FC功能时，燃料电池实现氢、氧电化学反应生成水，并对外输出电能；执行WE功能时，水电解池在外加电能的条件下将水电解成氢气和氧气达到储能的目的。
然而，为了适应太空微重力环境，需要避免再生燃料电池有复杂的转动部件、减小***的复杂度、降低供给水的压强、提高燃料电池的气体利用率及排水能力、提高电解气体的压强及电池寿命等。因此，这就要求再生燃料电池从水电解池供水和燃料电池排水方式，到燃料电池和电解池的组合方式，都需要满足空间应用的各项要求。
ZL200720075001.8公开了一种流场板结构及半透膜组件，该流场板由板框和中间多孔导电板组合而成，一侧与燃料电池或水电解器的膜电极接触，一侧与半透膜组件接触，水透过半透膜组件迁移至膜电极一侧参与反应。该专利仅介绍了流场板及半透膜组件的结构。
发明内容
本发明提出了一种针对微重力环境使用的具有无姿态供水和排水功能的再生燃料电池。该电池可以根据实际需要自由组合燃料电池和电解池单元，且结构紧凑，确保电池具有较长的寿命。
本发明涉及一种可再生燃料电池，具体包括燃料电池单元和水电解池单元，通过水板叠合在一起，形成具有燃料电池功能和水电解池功能的再生燃料电池。其中，燃料电池具有无姿态排水能力，而水电解池具有无姿态供水能力，且可再生燃料电池具有较长的寿命。本发明的可再生燃料电池寿命长，适用于微重力环境的长期运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可再生燃料电池，由若干燃料电池单元、若干水电解池单元及水板组合而成，所述若干燃料电池单元与若干水电解池单元以任意方式并联连接；相邻单元之间共用一个具有水腔的水板。水板主要作用是水腔既可以收集燃料电池单元工作时的生成水，也可以为水电解池单元工作提供反应水；所述燃料电池单元包括燃料电池阳极板、燃料电池膜电极组件和燃料电池阴极板，所述水电解池单元包括水电解池阳极板、水电解池膜电极组件和水电解池阴极板；本发明所述的任意方式，是指可以为若干燃料电池单元并联后再与若干水电解池单元并联；或者燃料电池单元与水电解池单元交替并联；或者燃料电池单元与水电解池单元不连续并联。
作为优选的技术方案，燃料电池膜电极组件包括含Pt催化剂、电解质膜、扩散层，通入氢气、氧气可以输出电能；水电解池膜电极组件包括含Ir催化剂、电解质膜、含Pt催化剂、扩散层，通入水施加电压，可以生产氢气和氧气。
作为优选的技术方案，所述燃料电池阴极板置有微孔板，微孔板孔径为0.1μm～500μm，燃料电池膜电极阴极与微孔板贴合，主要用来导电及排出水；所述的水电解池阴极板是镂空结构，镂空面积为极板面积的30％以上，电解池膜电极阴极与阴极板贴合，主要用来导电及引入反应水。
作为优选的技术方案，所述水板设有一个或两个水腔，如果是两个水腔，水腔中间需要用金属或非金属材料安全隔离开，水腔分别与燃料电池阴极板和水电解池阴极板连通，水板两侧置有密封垫，所述水板可以金属或高分子材料，水板设有一个或两个水腔，水腔分别与燃料电池阴极板和水电解池阴极板连通，水板可以是镂空结构，也可以在水腔填充有多孔材料毡或网。
作为优选的技术方案，所述燃料电池阴极板和水板之间设置微孔件，微孔件和微孔板可以是同一结构，该微孔件可以用来排出水、同时阻碍反应气体泄漏；孔径优选为0.1μm～500μm。
作为优选的技术方案，所述的微孔件为金属、金属氧化物或非金属材料，微孔件可以和燃料电池阴极板为一体式结构，微孔件孔径为1纳米～5微米，微孔件面积小于燃料电池膜电极面积。
作为优选的技术方案，水电解池阴极板和水板之间设置有透水件，透水件可以是金属微孔板、金属氧化物或高分子材料，透水件和电解池阴极板可以是同一结构，透水件主要用来导电、同时为反应提供反应水。
作为优选的技术方案，所述可再生燃料电池由一个或多个的燃料电池单元和水电解池单元相互叠合形成。
作为优选的技术方案，所述燃料电池阴极板置有微孔板或微孔网；所述的水电解池阴极板是镂空结构，镂空面积优选为极板面积的30％以上，镂空形状可以是平行、蛇形或块状凸起结构。
作为优选的技术方案，所述水板可以金属或高分子材料，水板设有一个或两个水腔，水腔分别与两侧连通，水板可以是镂空结构，也可以在水腔填充有多孔材料毡或网。
作为优选的技术方案，所述的燃料电池阴极板和阳极板各设有两个及以上通道，阴极板的通道通过阴极板流场连通，通道是燃料电池阴极反应气的进出口；阳极板的通道通过阳极板流场连通，通道是燃料电池阳极反应气的进出口；水电解池阴极板和阳极板各设一个通道，分别是水电解池阴极产物和阳极产物的出口；水板设有1～4个通道，主要用来通入反应水，以及排出生成水。通道置于板的边缘或者板侧面。
作为优选的技术方案，所述的燃料电池单元的各组件、水电解池单元的各组件及水板上都设有通孔，螺杆通过这些通孔，将上述单元组件组装成可再生燃料电池。
作为优选的技术方案，所述燃料电池阳极板、燃料电池阴极板、水电解池阳极板和水电解池阴极板都有用于导电集流的集耳，或者有凹陷的孔用来***导电针。
作为优选的技术方案，所述水板的水腔的多孔材料可以是棉、麻或高分子材料，也可以是多孔金属、泡沫金属或金属纤维。
作为优选的技术方案，所述燃料电池单元或水电解池单元以并联形式连接，当燃料电池单元数量大于水电解池单元两个以上时，多出的燃料电池单元阴极板间共用水板，即水板的水腔分别与相邻的两个燃料电池阴极板连通；当水电解池单元数量大于燃料电池单元两个以上时，多出的水电解池单元阴极板间共用水板，即水板的水腔分别与相邻的两个水电解池阴极板连通。
本发明的可再生燃料电池具有无姿态排水能力和供水能力，可再生燃料电池体积小、寿命长，适用于微重力环境的长期运行。
本发明具有如下优点：
1.工艺简单。根据放电功率及产气量，将相应的燃料电池单元和水电解池单元组合即可。
2.寿命长。该可再生燃料电池具有分体式再生燃料电池的优点，寿命长。
总之，本发明的再生燃料电池采用燃料电池单元和水电解池单元组合形式，由于燃料电池单元具有能够排水的微孔板和，水电解池单元具有供水的透水件，且都是以毛细管压力差形式工作，不受重力的影响，所以本发明的再生燃料电池具有无姿态排水和供水功能，适用于微重力环境的长期运行。
附图说明
图1可再生燃料电池结构剖视图；
图2水板结构图；
图3极板结构图；
图4极板结构图；
1为燃料电池阳极板，2为燃料电池膜电极组件，3为燃料电池阴极板，4为水板，5为水电解池阴极板，6为水电解池膜电极组件，7为水电解池阳极板，8内部镂空结构，9通孔，10集流耳，11通道。
具体实施方式
本实施例制备的可再生燃料电池结构剖视图，如图1所示。
实施例1
本实施例制备的可再生燃料电池具体为：燃料电池单元包括：燃料电池阳极板、燃料电池膜电极组件、燃料电池阴极板。其中，燃料电池膜电极组件含有Pt族催化剂，燃料电池阴极板为0.2μm的非金属微孔板，即为一体式结构，燃料电池电极面积大于非金属微孔板面积；水板设有两个腔，水板两侧置有密封圈，水板每个腔都是点状镂空结构，如图2所示；水电解单元包括：水电解池阳极板、水电解池膜电极组件、水电解池阴极板，其中，水电解池膜电极组件含有Ir催化剂和Pt催化剂，水电解池阴极板是开孔60％的镂空结构，流道为点状凸起结构，如图3所示，以上每个组件上都有螺栓固定用通孔，如图3所示。水电解池阴极板和水板之间设置金属透水件，孔径为20纳米，极板上设置气水通道，如图4所示。以上电池具有无姿态排水能力和供水能力。
以上说明，本发明的可再生燃料电池具有无姿态排水能力和供水能力，且体积小、寿命长，适用于微重力环境的长期运行。

Claims (8)

1.一种可再生燃料电池，由若干燃料电池单元、若干水电解池单元及水板组合而成；所述燃料电池单元包括燃料电池阳极板、燃料电池膜电极组件和燃料电池阴极板，所述水电解池单元包括水电解池阳极板、水电解池膜电极组件和水电解池阴极板；所述若干燃料电池单元与若干水电解池单元以任意方式并联连接；相邻单元之间共用一个具有水腔的水板，所述水腔用于收集燃料电池单元工作时生成的水，也用于为水电解池单元的工作提供反应水；所述燃料电池阴极板侧置有微孔板，孔径为0.1μm～500μm；所述燃料电池阴极板和水板之间设置微孔件，水电解池阴极板和水板之间设置有透水件。
2.按照权利要求1所述的可再生燃料电池，其特征在于：所述水板设有一个或两个水腔，水腔分别与燃料电池阴极板和水电解池阴极板连通。
3.按照权利要求1所述的可再生燃料电池，其特征在于：所述水电解池阴极板是镂空结构。
4.按照权利要求1所述的可再生燃料电池，其特征在于：所述的微孔件为金属或高分子材料，微孔件孔径为1纳米～5微米。
5.按照权利要求1所述的可再生燃料电池，其特征在于：所述的透水件是金属或高分子材料。
6.按照权利要求1所述可再生燃料电池，其特征在于：所述的燃料电池阴极板和燃料电池阳极板各设有至少两个通道；水电解池阴极板和水电解池阳极板各设一个通道；水板设有1～4个通道，通道置于板的边缘或者板侧面。
7.按照权利要求1所述可再生燃料电池，其特征在于：所述的燃料电池单元、水电解池单元及水板都具有通孔，这些通孔通过螺杆将上述单元组件组装成可再生燃料电池。
8.按照权利要求1所述可再生燃料电池，其特征在于：所述水腔中填充有多孔材料，所述多孔材料是棉、麻、高分子材料、多孔金属、泡沫金属或金属纤维。
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