[发明专利]一种双向可逆燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种双向可逆燃料电池系统，该系统包括可逆燃料电池模块、氢气储存模块、氧气储存模块、储水模块以及电源转换模块，可逆燃料电池模块包括多个相互串联的单电池，单电池包括双流道氧气侧极板、氢气侧极板以及膜电极组件。与现有技术相比，本发明双流道氧气侧极板采用双排并行的流道和定向微通道结构，实现堆内水气分离；气体扩散层采用电激励动态切换有序孔道结构，实现水传输的动态可控；催化剂以IrOx化合物为基础，将高氧还原Pt负载在颗粒结构IrOx/SrIrO₃上，实现高稳定的氧还原‑氧析出双效催化，真正达到发电模式与电解模式兼顾，可实现堆内水传输可控，提高了可逆系统的反应效率和稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种双向可逆燃料电池系统。

背景技术

21世纪是能源变迁与环境保护的世纪，以石油、天然气和煤炭等化石能源为主的传统不可再生资源，不仅因日渐枯竭而储量不断减少，而且还造成了严重的环境污染，人类正面临着日益严峻的能源危机和环境污染，亟需一种能量转化效率高、环境友好的替代能源。氢能作为公认的可再生清洁能源，被誉为21世纪最具发展前景的替代能源，其开发利用技术得到世界范围的关注。其中，燃料电池(Fuel Cell，FC)作为一种将化学能直接转化成电能的新型能源装置，具有能量密度高、环境友好、启动快、工作温度低等优势，有望在交通工具、航空航天、电子设备、工作电站等诸多领域得到广泛应用。电解电池(WaterElectrolysis，WE)是将电能转化为化学能的一种装置，可用于电能的化学方式储存。

可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell，URFC)兼顾燃料电池(FC)和电解电池(WE)的功能，当执行FC功能时，氧电极O₂+4H⁺+4e→2H₂O，氢电极H₂－2e→2H⁺，氢气和氧气发生电化学反应生成水，并对外输出电能；当执行WE功能时，氧电极2H₂O－4e→O₂+4H⁺，氢电极2H⁺+2e→H₂，在外加电能的条件下，水电解生成氢气和氧气，达到储能目的。可再生燃料电池作为一种新型的可再生能源系统，实现了燃料电池发电系统和电解系统的复合，降低了系统整体的体积和成本，但其正向功能和逆向功能兼顾困难，例如：氧气侧极板发电排水和电解需水难以兼顾，气体扩散层发电憎水环境和电解亲水环境难以兼顾，催化剂的发电氧还原与电解析氧反应难以同时兼顾。因此，现有的URFC系统效率低下，难以实现高效双向可逆反应，严重制约了可再生燃料电池的推广应用。

中国发明专利CN102185327A公开了一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，包括AC/DC变换系统、可逆燃料电池系统、DC/AC变换系统、控制系统、储氢系统、储氧系统和储水系统等，该专利介绍了一种储能装置的工作原理，但并未涉及可逆燃料电池系统的具体构造和具体实现方式。国际专利US20140234734A1(中国发明专利CN104115327A)公开的可逆燃料电池系统包括：含有二氧化锰的正极；含有储氢材料的负极；独立的氢储存室和氧储存室。该系统虽然可实现一次电池放电，二次电池蓄电，但是并未考虑系统水管理问题，对催化剂如何高效地达到可逆反应并未涉及，因此系统效率有待提高。国际专利US9391339B2(中国发明专利CN104285328A)、国际专利US9214694B2(中国发明专利CN103210534A)、中国发明专利CN105449250A等均对各自公开的可再生燃料电池工作原理进行了介绍，但是对系统内部关键组件结构的研究较少，且未能解决水管理、双向催化等关键问题。

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能够兼顾发电模式与电解模式的双向可逆燃料电池系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：