[发明专利]一种自增湿的电化学装置

说明书

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，已在大到潜艇、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10，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。