專利名稱：一種自增濕的電化學裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學及化工領域，尤其涉及一種自增濕的電化學裝置。
背景技術：
燃料電池采用氫氣為燃料，氧氣為氧化物，其化學反應的副產品是水， 無其它有害物質，是一種安全、可靠、清潔、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。隨著燃 料電池技術的完善，己在大到潛艇、汽車，小到手提電腦、手機上得到應用。
燃料電池工作時，氧電極會生成水，但由于電滲遷移的原因，氫電極是 缺水的，因為缺水，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， 為了達到加濕的目的，現(xiàn)在多是設置加濕系統(tǒng)，但這種設置會使燃料電池系 統(tǒng)變的很復雜，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， 目前的自增濕技術主要有三大類:一是通過催化反應在質子交換膜中產生水， 這種技術的缺點是內阻大、缺水量和補水量不能匹配；二是通過改進電池結 構達到自增濕的目的，雖然有技術可以實現(xiàn)，但增加了電池結構的復雜性， 不利于實際生產；三是設法加快氧電極生成的水向氫電極擴散的速度，這需 要形成水的高濃度梯度或大的擴散系數(shù)。
現(xiàn)有技術的燃料電池結構主要可以分為兩類陰極開放式燃料電池和陰 極封閉式燃料電池。
陰極開放式燃料電池，俗稱單路空氣燃料電池，最多可以有數(shù)十倍、甚 至上百倍計量比的空氣流通過燃料電池的陰極流場板，在向燃料電池供氧的 同時，帶走反應產生的熱量，其關鍵技術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接觸。其優(yōu)點是燃料電池電堆的結構簡單，外 圍機電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)也簡單，成本、體積、重量較低。其缺點是大計量比的空氣流在散熱的同時，帶走了過多的水分。雖然通過提高陰極擴散層的致 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，由兩路風機或泵通過兩套管路各
自獨立推動。由于供氧空氣流的計量比為3 5， 一般不超過IO，所以不存在 帶走過多水分的問題。其缺點是燃料電池電堆的結構復雜、外圍機電系統(tǒng)及 控制系統(tǒng)也復雜，成本、體積、重量較高。
現(xiàn)有技術中，還有一種利用電解水制氧的電解電池。在其工作過程中， 水在陽極分解為氧氣及質子，質子通過電解質膜向陰極運動，與空氣中的氧 氣直接反應或者轉化為氫氣后再反應生成水。同時由于電滲遷移的原因，也 會帶去一些水。這些水通過陰極以氣態(tài)或者液態(tài)方式排出，導致設備消耗較 多的水。無論采用陰極開放式還是陰極封閉式結構，也都存在與上述燃料電 池類似的問題。

發(fā)明內容
為了克服上述陰極開放式結構容易失水，以及上述陰極封閉式結構復雜， 成本、體積、重量較高的缺陷，本發(fā)明提出了以下的技術方案
一種自增濕的電化學裝置，包括一個或多個電化學電池，每個電化學電 池包括一個電化學反應主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個空 氣流進入所述的裝置。所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個部分空氣流， 并且不發(fā)生總壓的增加。這些部分空氣流中的至少一個與所述的電化學反應 主表面有傳質接觸，然而，至少另一個部分空氣流與所述的電化學反應主表 面沒有傳質接觸。
為了取得顯著的效果，所有與所述的電化學反應主表面有傳質接觸的空 氣流和所有與所述的電化學反應主表面沒有傳質接觸的空氣流，其流道截面
積之比小于7:3，大于0。否則，與傳統(tǒng)的陰極開放式結構，沒有顯著區(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合，也可以有至少兩個部分空氣流在該裝置中再結合。
為了便于產品化，所述的一個或多個電化學電池可以以堆疊的構造方式 排列。
為了取得散熱及供氧的效果，在至少兩個相鄰電池之間，還可以包括一 個中間層，所述部分空氣流中的至少一個平行于所述相鄰電池的主表面穿過 該層。
優(yōu)選的設計是，所述的中間層包括一塊開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，其表面應覆蓋有保護層。
在所述的中間層中，與電化學反應主表面有傳質接觸的空氣流通道與無 傳質接觸的空氣流通道的截面積之比，在同一個電化學電池的不同區(qū)域，可 以是不同的。因為同一個電化學電池的不同區(qū)域的工況可能會有較大的差別， 對增濕程度的要求是不同的。
所述的電化學反應主表面中與所述的中間層接觸的面積占電化學反應主
表面的面積的比例優(yōu)選為25~75%。有接觸的部位，只能通過氣體擴散層內 的橫向擴散排出水氣，因此其面積所占比例越大，增濕性也就越好。
所述的電化學反應主表面中與所述的中間層接觸的面積所占比例，在同 一個電化學電池的不同區(qū)域，可以是不同的。因為同一個電化學電池的不同 區(qū)域的工況可能會有較大的差別，對增濕程度的要求是不同的。
在所述的中間層中，與電化學反應主表面有傳質接觸的部分空氣流的通 道的側壁，與電化學反應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， 通過調整上述角度，即可以改變與所述的中間層接觸的面積所占比例，這有 利于在不改變計量比的情況下，調整增濕程度。而改變兩種空氣流截面積之 比來調整增濕程度，將難于避免對計量比的改變，這可能會帶來對其它性能 的潛在影響，使得設計工作變得更為復雜。
所述的電化學電池可以是燃料電池或電解電池。值得說明的定義是
所述傳質接觸是指可以發(fā)生物質及質量交換的接觸，不同于一般的傳遞 熱量、振動、電流等的接觸。
所述裝置的范圍包括除了產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，可以僅包含一個電化學電池，與兩側的端板 組成堆疊結構。
電化學反應主表面的定義比公知知識中電極表面的定義略大，可以包括 與電極相連的氣體擴散層。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結合了陰極開放式結構與陰極封閉式結構的優(yōu) 點，以較為簡單的結構，較低的成本、體積、重量，實現(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。
具體實施例方式
下面將結合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。其中l(wèi)一與電 化學反應主表面無傳質接觸的空氣流的溝槽，2 —與電化學反應主表面有傳質 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 學反應主表面的氣體擴散層，7—電化學反應主表面與中間層接觸的部位，8 一另一側的氣體擴散層。
另外，中間層與電化學反應主表面是接觸的，但是在圖1及圖2中，為了便于看清，所以畫成隔開一定的距離。 實施例1如圖1所示，是電化學裝置中的燃料電池堆疊中的單個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 反應主表面無傳質接觸的空氣流的溝槽1和與電化學反應主表面有傳質接觸 的空氣流的溝槽2交錯排布，與電化學反應主表面有傳質接觸的部分空氣流 的通道的側壁，與電化學反應主表面的夾角為90度，基本垂直?？諝饬鞣謩e 進入兩種溝槽，在充分供給燃料電池工作所需要的氧氣的同時，帶走氧側生 成的水?？諝饬髁鞒鋈剂想姵囟询B之后，還在電化學裝置之內時，立即再結 合，并最終排出電化學裝置。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，靠近燃料的進口，由于燃料比較干燥，所以其截面積比例約為l: 2，具有相對較強的增濕效果。而在圖1的左側，靠近燃料的出口，燃料流帶來了一些水分，所以其截面積比例約為2: 1，具有相對較弱的增濕效果。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。側壁是垂直的，夾角90度；電化學反應主表面中與中間層接觸的面積占電化學反應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，與采用傳統(tǒng)陰極開放式結構的一個燃料電池電堆進行對比。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，比對比的現(xiàn)有技 術的電堆高3度。實施例2如圖2所示，是電化學裝置中的燃料電池堆疊中的單個燃料電池及與其 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 化學反應主表面無傳質接觸的空氣流的溝槽1和與電化學反應主表面有傳質 接觸的空氣流的溝槽2交錯排布?？諝饬鞣謩e進入兩種溝槽，在充分供給燃 料電池工作所需要的氧氣的同時，帶走氧側生成的水。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，但是電化學反應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)域為75%，在右邊較低的區(qū)域為25%。因此也就必然導 致了與電化學反應主表面有傳質接觸的空氣流的溝槽2的側壁，與電化學反 應主表面之間，并非垂直，其夾角，在左邊較高的區(qū)域為115度，在右邊較 低的區(qū)域為65度。比例不同的原因與實施例l相同，也是為了應對不同的增 濕要求。經(jīng)試驗，與采用傳統(tǒng)陰極開放式結構的一個燃料電池電堆進行對比。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，比對比的現(xiàn)有技 術的電堆高3度。實施例3如圖3所示，是電化學制氧機中的電解電池堆疊中的單個電解電池及與 其相鄰的中間層5。其中間層5為石墨板，呈十字型，與電化學反應主表面 有傳質接觸的空氣流的溝槽2和與電化學反應主表面無傳質接觸的空氣流的 溝槽l分布于中間層的兩側，其流道截面積的比例約為1: 3;與電化學反應 主表面有傳質接觸的空氣流的溝槽2的側壁，與電化學反應主表面之間，是 垂直的，夾角90度；電化學反應主表面中與中間層接觸的部位7的面積所占 比例，約為50%。空氣流分別進入兩種溝槽，在充分供給電解電池氧氣以與 質子直接反應，降低電化學電壓的同時，帶走生成的熱量。經(jīng)試驗，本實施例的一臺電化學制氧機，每分鐘耗水量為3克，是采用 背景技術陰極開放式結構的對比裝置的70%左右。
權利要求
1.一種自增濕的電化學裝置，包括一個或多個電化學電池，每個電化學電池包括一個電化學反應主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個空氣流進入所述的裝置；所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個部分空氣流，并且不發(fā)生總壓的增加；這些部分空氣流中的至少一個與所述的電化學反應主表面有傳質接觸，然而，至少另一個部分空氣流與所述的電化學反應主表面沒有傳質接觸。所有與所述的電化學反應主表面有傳質接觸的空氣流和所有與所述的電化學反應主表面沒有傳質接觸的空氣流，其流道截面積之比小于7∶3，大于0。
2. 如權利要求l所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于至少兩個部 分空氣流在該裝置中再結合。
3. 如權利要求l所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于所述的一個 或多個電化學電池以堆疊的構造方式排列。
4. 如權利要求3所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于在至少兩個 相鄰電池之間，還包括一個中間層，所述部分空氣流中的至少一個平行于所 述相鄰電池的主表面穿過該層。
5. 如權利要求4所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于所述的中間層包括一塊開有溝槽的石墨板或金屬折板。
6. 如權利要求5所述的自增濕的電化學裝置，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. 如權利要求5所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于金屬折板的表面覆蓋有保護層。
8. 如權利要求4所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于在所述的中間層中，與電化學反應主表面有傳質接觸的空氣流通道與無傳質接觸的空氣 流通道的截面積之比，在同一個電化學電池的不同區(qū)域，是不同的。
9. 如權利要求4所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于所述的電化 學反應主表面中與所述的中間層接觸的面積占電化學反應主表面的面積的比例為25~75%。
10. 如權利要求9所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于所述的電化 學反應主表面中與所述的中間層接觸的面積所占比例，在同一個電化學電池 的不同區(qū)域，是不同的。
11. 如權利要求9所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于在所述的中間層中，與電化學反應主表面有傳質接觸的部分空氣流的通道的側壁，與電化學反應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. 如權利要求l所述的自增濕的電化學裝置，其特征在于所述的電化 學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裝置，包括一個或多個電化學電池，每個電化學電池包括一個電化學反應主表面，其能夠消耗空氣中的氧氣，并且僅有一個空氣流進入所述的裝置。所述的空氣流在該裝置中被分為至少兩個部分空氣流，并且不發(fā)生總壓的增加。這些部分空氣流中的至少一個與所述的電化學反應主表面有傳質接觸，然而，至少另一個部分空氣流與所述的電化學反應主表面沒有傳質接觸。所有與所述的電化學反應主表面有傳質接觸的空氣流和所有與所述的電化學反應主表面沒有傳質接觸的空氣流，其流道截面積之比小于7∶3，大于0。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結合了陰極開放式結構與陰極封閉式結構的優(yōu)點，以較為簡單的結構，較低的成本、體積、重量，實現(xiàn)了較為良好的自增濕效果。
文檔編號H01M10/04GK101290998SQ20071003953
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月17日 優(yōu)先權日2007年4月17日
發(fā)明者阿瑟·柯沙尼 申請人:上海清能燃料電池技術有限公司