专利名称：一种自增湿的电化学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学及化工领域，尤其涉及一种自增湿的电化学装置。
背景技术：
燃料电池采用氢气为燃料，氧气为氧化物，其化学反应的副产品是水， 无其它有害物质，是一种安全、可靠、清洁、环境友好的发电装置。随着燃 料电池技术的完善，己在大到潜艇、汽车，小到手提电脑、手机上得到应用。
燃料电池工作时，氧电极会生成水，但由于电渗迁移的原因，氢电极是 缺水的，因为缺水，电池不能正常工作，因此，若要维持燃料电池持续稳定 的工作，维持电池中的水平衡是必需的。加湿是保持水平衡很有效的措施， 为了达到加湿的目的，现在多是设置加湿系统，但这种设置会使燃料电池系 统变的很复杂，电池的成本也因此而大幅度增加。有人提出电池自增湿技术， 目前的自增湿技术主要有三大类:一是通过催化反应在质子交换膜中产生水， 这种技术的缺点是内阻大、缺水量和补水量不能匹配；二是通过改进电池结 构达到自增湿的目的，虽然有技术可以实现，但增加了电池结构的复杂性， 不利于实际生产；三是设法加快氧电极生成的水向氢电极扩散的速度，这需 要形成水的高浓度梯度或大的扩散系数。
现有技术的燃料电池结构主要可以分为两类阴极开放式燃料电池和阴 极封闭式燃料电池。
阴极开放式燃料电池，俗称单路空气燃料电池，最多可以有数十倍、甚 至上百倍计量比的空气流通过燃料电池的阴极流场板，在向燃料电池供氧的 同时，带走反应产生的热量，其关键技术特征是绝大部分甚至全部的空气流 均与燃料电池的阴极存在传质接触。其优点是燃料电池电堆的结构简单，外 围机电系统及控制系统也简单，成本、体积、重量较低。其缺点是大计量比的空气流在散热的同时，带走了过多的水分。虽然通过提高阴极扩散层的致 密度、憎水度，可以在一定程度上缓解上述缺陷，但是其效果并非完全理想， 且存在牺牲输出电流密度的副作用。
阴极封闭式燃料电池，俗称双路空气燃料电池，将用于散热的空气流或 者冷却液流与用于供氧的空气流完全分开，由两路风机或泵通过两套管路各
自独立推动。由于供氧空气流的计量比为3 5， 一般不超过IO，所以不存在 带走过多水分的问题。其缺点是燃料电池电堆的结构复杂、外围机电系统及 控制系统也复杂，成本、体积、重量较高。
现有技术中，还有一种利用电解水制氧的电解电池。在其工作过程中， 水在阳极分解为氧气及质子，质子通过电解质膜向阴极运动，与空气中的氧 气直接反应或者转化为氢气后再反应生成水。同时由于电渗迁移的原因，也 会带去一些水。这些水通过阴极以气态或者液态方式排出，导致设备消耗较 多的水。无论采用阴极开放式还是阴极封闭式结构，也都存在与上述燃料电 池类似的问题。
发明内容
为了克服上述阴极开放式结构容易失水，以及上述阴极封闭式结构复杂， 成本、体积、重量较高的缺陷，本发明提出了以下的技术方案
一种自增湿的电化学装置，包括一个或多个电化学电池，每个电化学电 池包括一个电化学反应主表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空 气流进入所述的装置。所述的空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流， 并且不发生总压的增加。这些部分空气流中的至少一个与所述的电化学反应 主表面有传质接触，然而，至少另一个部分空气流与所述的电化学反应主表 面没有传质接触。
为了取得显著的效果，所有与所述的电化学反应主表面有传质接触的空 气流和所有与所述的电化学反应主表面没有传质接触的空气流，其流道截面
积之比小于7:3，大于0。否则，与传统的阴极开放式结构，没有显著区别， 本发明的效果将不太显著。
这些空气流，可以在流出所述装置之后在大气中会合，也可以有至少两个部分空气流在该装置中再结合。
为了便于产品化，所述的一个或多个电化学电池可以以堆叠的构造方式 排列。
为了取得散热及供氧的效果，在至少两个相邻电池之间，还可以包括一 个中间层，所述部分空气流中的至少一个平行于所述相邻电池的主表面穿过 该层。
优选的设计是，所述的中间层包括一块开有沟槽的石墨板或金属折板。
所述的沟槽的横截面形状包括多组矩形、梯形、几字形、十字形、不规 则形以及各种不同形状的组合。
如果是金属折板，其表面应覆盖有保护层。
在所述的中间层中，与电化学反应主表面有传质接触的空气流通道与无 传质接触的空气流通道的截面积之比，在同一个电化学电池的不同区域，可 以是不同的。因为同一个电化学电池的不同区域的工况可能会有较大的差别， 对增湿程度的要求是不同的。
所述的电化学反应主表面中与所述的中间层接触的面积占电化学反应主
表面的面积的比例优选为25~75%。有接触的部位，只能通过气体扩散层内 的横向扩散排出水气，因此其面积所占比例越大，增湿性也就越好。
所述的电化学反应主表面中与所述的中间层接触的面积所占比例，在同 一个电化学电池的不同区域，可以是不同的。因为同一个电化学电池的不同 区域的工况可能会有较大的差别，对增湿程度的要求是不同的。
在所述的中间层中，与电化学反应主表面有传质接触的部分空气流的通 道的侧壁，与电化学反应主表面的夹角可以大于95度、小于150度或小于 85度、大于30度，并非垂直。即使在两种空气流截面积之比固定的情况下， 通过调整上述角度，即可以改变与所述的中间层接触的面积所占比例，这有 利于在不改变计量比的情况下，调整增湿程度。而改变两种空气流截面积之 比来调整增湿程度，将难于避免对计量比的改变，这可能会带来对其它性能 的潜在影响，使得设计工作变得更为复杂。
所述的电化学电池可以是燃料电池或电解电池。值得说明的定义是
所述传质接触是指可以发生物质及质量交换的接触，不同于一般的传递 热量、振动、电流等的接触。
所述装置的范围包括除了产生空气流的气源以外的所有部件、附件。
所述的电堆是广义的电堆，可以仅包含一个电化学电池，与两侧的端板 组成堆叠结构。
电化学反应主表面的定义比公知知识中电极表面的定义略大，可以包括 与电极相连的气体扩散层。
与现有技术相比，本发明结合了阴极开放式结构与阴极封闭式结构的优 点，以较为简单的结构，较低的成本、体积、重量，实现了较为良好的自增 湿效果。
图1是本发明的一种电化学装置中燃料电池及与其相邻的中间层的横截 面示意图2也是本发明的一种电化学装置中燃料电池及与其相邻的中间层的横 截面示意图3也是本发明的一种电化学装置中电解电池及与其相邻的中间层的横 截面示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。其中l一与电 化学反应主表面无传质接触的空气流的沟槽，2 —与电化学反应主表面有传质 接触的空气流的沟槽，3 —不透气的极板，4一膜电极，5 —中间层，6—电化 学反应主表面的气体扩散层，7—电化学反应主表面与中间层接触的部位，8 一另一侧的气体扩散层。
另外，中间层与电化学反应主表面是接触的，但是在图1及图2中，为了便于看清，所以画成隔开一定的距离。 实施例1如图1所示，是电化学装置中的燃料电池堆叠中的单个燃料电池及与其相邻的中间层5。其中间层5为表面镀银的金属折板，呈几字形，与电化学 反应主表面无传质接触的空气流的沟槽1和与电化学反应主表面有传质接触 的空气流的沟槽2交错排布，与电化学反应主表面有传质接触的部分空气流 的通道的侧壁，与电化学反应主表面的夹角为90度，基本垂直。空气流分别 进入两种沟槽，在充分供给燃料电池工作所需要的氧气的同时，带走氧侧生 成的水。空气流流出燃料电池堆叠之后，还在电化学装置之内时，立即再结 合，并最终排出电化学装置。在燃料电池的不同区域，两种空气流通道的截面积比例有所不同。在图 l的右侧，靠近燃料的进口，由于燃料比较干燥，所以其截面积比例约为l: 2，具有相对较强的增湿效果。而在图1的左侧，靠近燃料的出口，燃料流带来了一些水分，所以其截面积比例约为2: 1，具有相对较弱的增湿效果。在 图1的中间，情况介于两者之间，所以其截面积比例约为l: 1，具有中等的 增湿效果。上述几个区域的不同情况相平均，总的截面积比例平均为1: 1 左右。侧壁是垂直的，夹角90度；电化学反应主表面中与中间层接触的面积占电化学反应主表面的面积的比例，在上述3处分别为67°/。、 33%、 50%,总 的平均值为50%左右。经试验，与采用传统阴极开放式结构的一个燃料电池电堆进行对比。其 在输出电流密度0.5A每平方厘米下的水平衡温度为60度，比对比的现有技 术的电堆高3度。实施例2如图2所示，是电化学装置中的燃料电池堆叠中的单个燃料电池及与其 相邻的中间层5。其中间层5为表面镀银的金属折板，形状较为特殊，与电 化学反应主表面无传质接触的空气流的沟槽1和与电化学反应主表面有传质 接触的空气流的沟槽2交错排布。空气流分别进入两种沟槽，在充分供给燃 料电池工作所需要的氧气的同时，带走氧侧生成的水。在燃料电池的不同区域，两种空气流通道的截面积比例虽然保持1: 1 不变，但是电化学反应主表面中与所述的中间层接触的部位7的面积所占比例，在左边较高的区域为75%，在右边较低的区域为25%。因此也就必然导 致了与电化学反应主表面有传质接触的空气流的沟槽2的侧壁，与电化学反 应主表面之间，并非垂直，其夹角，在左边较高的区域为115度，在右边较 低的区域为65度。比例不同的原因与实施例l相同，也是为了应对不同的增 湿要求。经试验，与采用传统阴极开放式结构的一个燃料电池电堆进行对比。其 在输出电流密度0.5A每平方厘米下的水平衡温度为60度，比对比的现有技 术的电堆高3度。实施例3如图3所示，是电化学制氧机中的电解电池堆叠中的单个电解电池及与 其相邻的中间层5。其中间层5为石墨板，呈十字型，与电化学反应主表面 有传质接触的空气流的沟槽2和与电化学反应主表面无传质接触的空气流的 沟槽l分布于中间层的两侧，其流道截面积的比例约为1: 3;与电化学反应 主表面有传质接触的空气流的沟槽2的侧壁，与电化学反应主表面之间，是 垂直的，夹角90度；电化学反应主表面中与中间层接触的部位7的面积所占 比例，约为50%。空气流分别进入两种沟槽，在充分供给电解电池氧气以与 质子直接反应，降低电化学电压的同时，带走生成的热量。经试验，本实施例的一台电化学制氧机，每分钟耗水量为3克，是采用 背景技术阴极开放式结构的对比装置的70%左右。
权利要求
1.一种自增湿的电化学装置，包括一个或多个电化学电池，每个电化学电池包括一个电化学反应主表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空气流进入所述的装置；所述的空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流，并且不发生总压的增加；这些部分空气流中的至少一个与所述的电化学反应主表面有传质接触，然而，至少另一个部分空气流与所述的电化学反应主表面没有传质接触。所有与所述的电化学反应主表面有传质接触的空气流和所有与所述的电化学反应主表面没有传质接触的空气流，其流道截面积之比小于7∶3，大于0。
2. 如权利要求l所述的自增湿的电化学装置，其特征在于至少两个部 分空气流在该装置中再结合。
3. 如权利要求l所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的一个 或多个电化学电池以堆叠的构造方式排列。
4. 如权利要求3所述的自增湿的电化学装置，其特征在于在至少两个 相邻电池之间，还包括一个中间层，所述部分空气流中的至少一个平行于所 述相邻电池的主表面穿过该层。
5. 如权利要求4所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的中间层包括一块开有沟槽的石墨板或金属折板。
6. 如权利要求5所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的沟槽的横截面形状包括多组矩形、梯形、几字形、十字形、不规则形以及各种不 同形状的组合。
7. 如权利要求5所述的自增湿的电化学装置，其特征在于金属折板的表面覆盖有保护层。
8. 如权利要求4所述的自增湿的电化学装置，其特征在于在所述的中间层中，与电化学反应主表面有传质接触的空气流通道与无传质接触的空气 流通道的截面积之比，在同一个电化学电池的不同区域，是不同的。
9. 如权利要求4所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的电化 学反应主表面中与所述的中间层接触的面积占电化学反应主表面的面积的比例为25~75%。
10. 如权利要求9所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的电化 学反应主表面中与所述的中间层接触的面积所占比例，在同一个电化学电池 的不同区域，是不同的。
11. 如权利要求9所述的自增湿的电化学装置，其特征在于在所述的中间层中，与电化学反应主表面有传质接触的部分空气流的通道的侧壁，与电化学反应主表面的夹角为大于95度、小于150度或小于85度、大于30度。
12. 如权利要求l所述的自增湿的电化学装置，其特征在于所述的电化 学电池是燃料电池或电解电池。
全文摘要
本发明披露了一种自增湿的电化学装置，包括一个或多个电化学电池，每个电化学电池包括一个电化学反应主表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空气流进入所述的装置。所述的空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流，并且不发生总压的增加。这些部分空气流中的至少一个与所述的电化学反应主表面有传质接触，然而，至少另一个部分空气流与所述的电化学反应主表面没有传质接触。所有与所述的电化学反应主表面有传质接触的空气流和所有与所述的电化学反应主表面没有传质接触的空气流，其流道截面积之比小于7∶3，大于0。与现有技术相比，本发明结合了阴极开放式结构与阴极封闭式结构的优点，以较为简单的结构，较低的成本、体积、重量，实现了较为良好的自增湿效果。
文档编号H01M10/04GK101290998SQ20071003953
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者阿瑟·柯沙尼 申请人:上海清能燃料电池技术有限公司