專利名稱：一種自增濕的電化學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)及化工領(lǐng)域，尤其涉及一種自增濕的電化學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池采用氫氣為燃料，氧氣為氧化物，其化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)品是水， 無(wú)其它有害物質(zhì)，是一種安全、可靠、清潔、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。隨著燃 料電池技術(shù)的完善，己在大到潛艇、汽車，小到手提電腦、手機(jī)上得到應(yīng)用。
燃料電池工作時(shí)，氧電極會(huì)生成水，但由于電滲遷移的原因，氫電極是 缺水的，因?yàn)槿彼?，電池不能正常工作，因此，若要維持燃料電池持續(xù)穩(wěn)定 的工作，維持電池中的水平衡是必需的。加濕是保持水平衡很有效的措施， 為了達(dá)到加濕的目的，現(xiàn)在多是設(shè)置加濕系統(tǒng)，但這種設(shè)置會(huì)使燃料電池系 統(tǒng)變的很復(fù)雜，電池的成本也因此而大幅度增加。有人提出電池自增濕技術(shù)， 目前的自增濕技術(shù)主要有三大類:一是通過(guò)催化反應(yīng)在質(zhì)子交換膜中產(chǎn)生水， 這種技術(shù)的缺點(diǎn)是內(nèi)阻大、缺水量和補(bǔ)水量不能匹配；二是通過(guò)改進(jìn)電池結(jié) 構(gòu)達(dá)到自增濕的目的，雖然有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，但增加了電池結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性， 不利于實(shí)際生產(chǎn)；三是設(shè)法加快氧電極生成的水向氫電極擴(kuò)散的速度，這需 要形成水的高濃度梯度或大的擴(kuò)散系數(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池結(jié)構(gòu)主要可以分為兩類陰極開(kāi)放式燃料電池和陰 極封閉式燃料電池。
陰極開(kāi)放式燃料電池，俗稱單路空氣燃料電池，最多可以有數(shù)十倍、甚 至上百倍計(jì)量比的空氣流通過(guò)燃料電池的陰極流場(chǎng)板，在向燃料電池供氧的 同時(shí)，帶走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，其關(guān)鍵技術(shù)特征是絕大部分甚至全部的空氣流 均與燃料電池的陰極存在傳質(zhì)接觸。其優(yōu)點(diǎn)是燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外 圍機(jī)電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)也簡(jiǎn)單，成本、體積、重量較低。其缺點(diǎn)是大計(jì)量比的空氣流在散熱的同時(shí)，帶走了過(guò)多的水分。雖然通過(guò)提高陰極擴(kuò)散層的致 密度、憎水度，可以在一定程度上緩解上述缺陷，但是其效果并非完全理想， 且存在犧牲輸出電流密度的副作用。
陰極封閉式燃料電池，俗稱雙路空氣燃料電池，將用于散熱的空氣流或 者冷卻液流與用于供氧的空氣流完全分開(kāi)，由兩路風(fēng)機(jī)或泵通過(guò)兩套管路各
自獨(dú)立推動(dòng)。由于供氧空氣流的計(jì)量比為3 5， 一般不超過(guò)IO，所以不存在 帶走過(guò)多水分的問(wèn)題。其缺點(diǎn)是燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外圍機(jī)電系統(tǒng)及 控制系統(tǒng)也復(fù)雜，成本、體積、重量較高。
現(xiàn)有技術(shù)中，還有一種利用電解水制氧的電解電池。在其工作過(guò)程中， 水在陽(yáng)極分解為氧氣及質(zhì)子，質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜向陰極運(yùn)動(dòng)，與空氣中的氧 氣直接反應(yīng)或者轉(zhuǎn)化為氫氣后再反應(yīng)生成水。同時(shí)由于電滲遷移的原因，也 會(huì)帶去一些水。這些水通過(guò)陰極以氣態(tài)或者液態(tài)方式排出，導(dǎo)致設(shè)備消耗較 多的水。無(wú)論采用陰極開(kāi)放式還是陰極封閉式結(jié)構(gòu)，也都存在與上述燃料電 池類似的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)容易失水，以及上述陰極封閉式結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 成本、體積、重量較高的缺陷，本發(fā)明提出了以下的技術(shù)方案
一種自增濕的電化學(xué)裝置，包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池，每個(gè)電化學(xué)電 池包括一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個(gè)空 氣流進(jìn)入所述的裝置。所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個(gè)部分空氣流， 并且不發(fā)生總壓的增加。這些部分空氣流中的至少一個(gè)與所述的電化學(xué)反應(yīng) 主表面有傳質(zhì)接觸，然而，至少另一個(gè)部分空氣流與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表 面沒(méi)有傳質(zhì)接觸。
為了取得顯著的效果，所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空 氣流和所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面沒(méi)有傳質(zhì)接觸的空氣流，其流道截面
積之比小于7:3，大于0。否則，與傳統(tǒng)的陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，沒(méi)有顯著區(qū)別， 本發(fā)明的效果將不太顯著。
這些空氣流，可以在流出所述裝置之后在大氣中會(huì)合，也可以有至少兩個(gè)部分空氣流在該裝置中再結(jié)合。
為了便于產(chǎn)品化，所述的一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池可以以堆疊的構(gòu)造方式 排列。
為了取得散熱及供氧的效果，在至少兩個(gè)相鄰電池之間，還可以包括一 個(gè)中間層，所述部分空氣流中的至少一個(gè)平行于所述相鄰電池的主表面穿過(guò) 該層。
優(yōu)選的設(shè)計(jì)是，所述的中間層包括一塊開(kāi)有溝槽的石墨板或金屬折板。
所述的溝槽的橫截面形狀包括多組矩形、梯形、幾字形、十字形、不規(guī) 則形以及各種不同形狀的組合。
如果是金屬折板，其表面應(yīng)覆蓋有保護(hù)層。
在所述的中間層中，與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流通道與無(wú) 傳質(zhì)接觸的空氣流通道的截面積之比，在同一個(gè)電化學(xué)電池的不同區(qū)域，可 以是不同的。因?yàn)橥粋€(gè)電化學(xué)電池的不同區(qū)域的工況可能會(huì)有較大的差別， 對(duì)增濕程度的要求是不同的。
所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面中與所述的中間層接觸的面積占電化學(xué)反應(yīng)主
表面的面積的比例優(yōu)選為25~75%。有接觸的部位，只能通過(guò)氣體擴(kuò)散層內(nèi) 的橫向擴(kuò)散排出水氣，因此其面積所占比例越大，增濕性也就越好。
所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面中與所述的中間層接觸的面積所占比例，在同 一個(gè)電化學(xué)電池的不同區(qū)域，可以是不同的。因?yàn)橥粋€(gè)電化學(xué)電池的不同 區(qū)域的工況可能會(huì)有較大的差別，對(duì)增濕程度的要求是不同的。
在所述的中間層中，與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的部分空氣流的通 道的側(cè)壁，與電化學(xué)反應(yīng)主表面的夾角可以大于95度、小于150度或小于 85度、大于30度，并非垂直。即使在兩種空氣流截面積之比固定的情況下， 通過(guò)調(diào)整上述角度，即可以改變與所述的中間層接觸的面積所占比例，這有 利于在不改變計(jì)量比的情況下，調(diào)整增濕程度。而改變兩種空氣流截面積之 比來(lái)調(diào)整增濕程度，將難于避免對(duì)計(jì)量比的改變，這可能會(huì)帶來(lái)對(duì)其它性能 的潛在影響，使得設(shè)計(jì)工作變得更為復(fù)雜。
所述的電化學(xué)電池可以是燃料電池或電解電池。值得說(shuō)明的定義是
所述傳質(zhì)接觸是指可以發(fā)生物質(zhì)及質(zhì)量交換的接觸，不同于一般的傳遞 熱量、振動(dòng)、電流等的接觸。
所述裝置的范圍包括除了產(chǎn)生空氣流的氣源以外的所有部件、附件。
所述的電堆是廣義的電堆，可以僅包含一個(gè)電化學(xué)電池，與兩側(cè)的端板 組成堆疊結(jié)構(gòu)。
電化學(xué)反應(yīng)主表面的定義比公知知識(shí)中電極表面的定義略大，可以包括 與電極相連的氣體擴(kuò)散層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合了陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)與陰極封閉式結(jié)構(gòu)的優(yōu) 點(diǎn)，以較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較低的成本、體積、重量，實(shí)現(xiàn)了較為良好的自增 濕效果。


圖1是本發(fā)明的一種電化學(xué)裝置中燃料電池及與其相鄰的中間層的橫截 面示意圖2也是本發(fā)明的一種電化學(xué)裝置中燃料電池及與其相鄰的中間層的橫 截面示意圖3也是本發(fā)明的一種電化學(xué)裝置中電解電池及與其相鄰的中間層的橫 截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。其中l(wèi)一與電 化學(xué)反應(yīng)主表面無(wú)傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽，2 —與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì) 接觸的空氣流的溝槽，3 —不透氣的極板，4一膜電極，5 —中間層，6—電化 學(xué)反應(yīng)主表面的氣體擴(kuò)散層，7—電化學(xué)反應(yīng)主表面與中間層接觸的部位，8 一另一側(cè)的氣體擴(kuò)散層。
另外，中間層與電化學(xué)反應(yīng)主表面是接觸的，但是在圖1及圖2中，為了便于看清，所以畫成隔開(kāi)一定的距離。 實(shí)施例1如圖1所示，是電化學(xué)裝置中的燃料電池堆疊中的單個(gè)燃料電池及與其相鄰的中間層5。其中間層5為表面鍍銀的金屬折板，呈幾字形，與電化學(xué) 反應(yīng)主表面無(wú)傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽1和與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸 的空氣流的溝槽2交錯(cuò)排布，與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的部分空氣流 的通道的側(cè)壁，與電化學(xué)反應(yīng)主表面的夾角為90度，基本垂直?？諝饬鞣謩e 進(jìn)入兩種溝槽，在充分供給燃料電池工作所需要的氧氣的同時(shí)，帶走氧側(cè)生 成的水?？諝饬髁鞒鋈剂想姵囟询B之后，還在電化學(xué)裝置之內(nèi)時(shí)，立即再結(jié) 合，并最終排出電化學(xué)裝置。在燃料電池的不同區(qū)域，兩種空氣流通道的截面積比例有所不同。在圖 l的右側(cè)，靠近燃料的進(jìn)口，由于燃料比較干燥，所以其截面積比例約為l: 2，具有相對(duì)較強(qiáng)的增濕效果。而在圖1的左側(cè)，靠近燃料的出口，燃料流帶來(lái)了一些水分，所以其截面積比例約為2: 1，具有相對(duì)較弱的增濕效果。在 圖1的中間，情況介于兩者之間，所以其截面積比例約為l: 1，具有中等的 增濕效果。上述幾個(gè)區(qū)域的不同情況相平均，總的截面積比例平均為1: 1 左右。側(cè)壁是垂直的，夾角90度；電化學(xué)反應(yīng)主表面中與中間層接觸的面積占電化學(xué)反應(yīng)主表面的面積的比例，在上述3處分別為67°/。、 33%、 50%,總 的平均值為50%左右。經(jīng)試驗(yàn)，與采用傳統(tǒng)陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的一個(gè)燃料電池電堆進(jìn)行對(duì)比。其 在輸出電流密度0.5A每平方厘米下的水平衡溫度為60度，比對(duì)比的現(xiàn)有技 術(shù)的電堆高3度。實(shí)施例2如圖2所示，是電化學(xué)裝置中的燃料電池堆疊中的單個(gè)燃料電池及與其 相鄰的中間層5。其中間層5為表面鍍銀的金屬折板，形狀較為特殊，與電 化學(xué)反應(yīng)主表面無(wú)傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽1和與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì) 接觸的空氣流的溝槽2交錯(cuò)排布?？諝饬鞣謩e進(jìn)入兩種溝槽，在充分供給燃 料電池工作所需要的氧氣的同時(shí)，帶走氧側(cè)生成的水。在燃料電池的不同區(qū)域，兩種空氣流通道的截面積比例雖然保持1: 1 不變，但是電化學(xué)反應(yīng)主表面中與所述的中間層接觸的部位7的面積所占比例，在左邊較高的區(qū)域?yàn)?5%，在右邊較低的區(qū)域?yàn)?5%。因此也就必然導(dǎo) 致了與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽2的側(cè)壁，與電化學(xué)反 應(yīng)主表面之間，并非垂直，其夾角，在左邊較高的區(qū)域?yàn)?15度，在右邊較 低的區(qū)域?yàn)?5度。比例不同的原因與實(shí)施例l相同，也是為了應(yīng)對(duì)不同的增 濕要求。經(jīng)試驗(yàn)，與采用傳統(tǒng)陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的一個(gè)燃料電池電堆進(jìn)行對(duì)比。其 在輸出電流密度0.5A每平方厘米下的水平衡溫度為60度，比對(duì)比的現(xiàn)有技 術(shù)的電堆高3度。實(shí)施例3如圖3所示，是電化學(xué)制氧機(jī)中的電解電池堆疊中的單個(gè)電解電池及與 其相鄰的中間層5。其中間層5為石墨板，呈十字型，與電化學(xué)反應(yīng)主表面 有傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽2和與電化學(xué)反應(yīng)主表面無(wú)傳質(zhì)接觸的空氣流的 溝槽l分布于中間層的兩側(cè)，其流道截面積的比例約為1: 3;與電化學(xué)反應(yīng) 主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流的溝槽2的側(cè)壁，與電化學(xué)反應(yīng)主表面之間，是 垂直的，夾角90度；電化學(xué)反應(yīng)主表面中與中間層接觸的部位7的面積所占 比例，約為50%。空氣流分別進(jìn)入兩種溝槽，在充分供給電解電池氧氣以與 質(zhì)子直接反應(yīng)，降低電化學(xué)電壓的同時(shí)，帶走生成的熱量。經(jīng)試驗(yàn)，本實(shí)施例的一臺(tái)電化學(xué)制氧機(jī)，每分鐘耗水量為3克，是采用 背景技術(shù)陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的對(duì)比裝置的70%左右。
權(quán)利要求
1.一種自增濕的電化學(xué)裝置，包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池，每個(gè)電化學(xué)電池包括一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個(gè)空氣流進(jìn)入所述的裝置；所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個(gè)部分空氣流，并且不發(fā)生總壓的增加；這些部分空氣流中的至少一個(gè)與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸，然而，至少另一個(gè)部分空氣流與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面沒(méi)有傳質(zhì)接觸。所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流和所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面沒(méi)有傳質(zhì)接觸的空氣流，其流道截面積之比小于7∶3，大于0。
2. 如權(quán)利要求l所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于至少兩個(gè)部 分空氣流在該裝置中再結(jié)合。
3. 如權(quán)利要求l所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的一個(gè) 或多個(gè)電化學(xué)電池以堆疊的構(gòu)造方式排列。
4. 如權(quán)利要求3所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于在至少兩個(gè) 相鄰電池之間，還包括一個(gè)中間層，所述部分空氣流中的至少一個(gè)平行于所 述相鄰電池的主表面穿過(guò)該層。
5. 如權(quán)利要求4所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的中間層包括一塊開(kāi)有溝槽的石墨板或金屬折板。
6. 如權(quán)利要求5所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的溝槽的橫截面形狀包括多組矩形、梯形、幾字形、十字形、不規(guī)則形以及各種不 同形狀的組合。
7. 如權(quán)利要求5所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于金屬折板的表面覆蓋有保護(hù)層。
8. 如權(quán)利要求4所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于在所述的中間層中，與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流通道與無(wú)傳質(zhì)接觸的空氣 流通道的截面積之比，在同一個(gè)電化學(xué)電池的不同區(qū)域，是不同的。
9. 如權(quán)利要求4所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的電化 學(xué)反應(yīng)主表面中與所述的中間層接觸的面積占電化學(xué)反應(yīng)主表面的面積的比例為25~75%。
10. 如權(quán)利要求9所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的電化 學(xué)反應(yīng)主表面中與所述的中間層接觸的面積所占比例，在同一個(gè)電化學(xué)電池 的不同區(qū)域，是不同的。
11. 如權(quán)利要求9所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于在所述的中間層中，與電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的部分空氣流的通道的側(cè)壁，與電化學(xué)反應(yīng)主表面的夾角為大于95度、小于150度或小于85度、大于30度。
12. 如權(quán)利要求l所述的自增濕的電化學(xué)裝置，其特征在于所述的電化 學(xué)電池是燃料電池或電解電池。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種自增濕的電化學(xué)裝置，包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池，每個(gè)電化學(xué)電池包括一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個(gè)空氣流進(jìn)入所述的裝置。所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個(gè)部分空氣流，并且不發(fā)生總壓的增加。這些部分空氣流中的至少一個(gè)與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸，然而，至少另一個(gè)部分空氣流與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面沒(méi)有傳質(zhì)接觸。所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面有傳質(zhì)接觸的空氣流和所有與所述的電化學(xué)反應(yīng)主表面沒(méi)有傳質(zhì)接觸的空氣流，其流道截面積之比小于7∶3，大于0。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合了陰極開(kāi)放式結(jié)構(gòu)與陰極封閉式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，以較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較低的成本、體積、重量，實(shí)現(xiàn)了較為良好的自增濕效果。
文檔編號(hào)H01M10/04GK101290998SQ20071003953
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者阿瑟·柯沙尼 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司