[发明专利]一种强制散热型空冷自增湿电化学装置

说明书

本发明公开了一种强制散热型空冷自增湿电化学装置，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阴极表面，空气流在该装置中被分为两个部分空气流，该些部分空气流中的至少一个流经容许其经过的第一流场，至少另一个流经容许其经过的第二流场，第一流场及流经其中的部分空气流与电化学反应阴极表面接触，空气流与该表面有空气等物质交换，第二流场位于第一流场远离电化学反应阴极表面的一侧，第一流场和第二流场之间不完全隔绝，第二流场具有散热结构。本发明通过两部分空气流的分隔和结构，保证了热量释放和水分保留的效果，而无需额外的保水层和改性质子交换膜，降低了膜电极组件的成本。

技术领域

本发明涉及电化学及化工领域，特别涉及一种强制散热型空冷自增湿电化学装置。

背景技术

随着无人机技术的发展，测绘、安防、应急、农林、巡检等应用领域的需求与日俱增，续航时间的需求也不断提升。现有应用广泛的锂聚合物电池所能提供的续航时间已逐渐逼近其极限，一般多旋翼飞行器续航时间可达到1小时左右，固定翼飞行器续航时间可达到4小时左右，亟需其他替代技术提供更长的续航时间。

现有锂聚合物电池所提供的续航时间极限是由其质量比能量决定的，现有锂聚合物电池材料技术已逐渐逼近其物理极限，达到200-300Wh/kg。而现有的质子交换膜燃料电池所采用的储能材料为氢气，具有极高的质量比能量，考虑现有储氢技术以及发电装置所增加的质量，最终系统综合的质量比能量仍能达到600-800Wh/kg以上，数倍于锂聚合物电池材料，可在同样重量下实现更长的续航时间，或者在同样续航时间的前提下，降低动力系统的重量，从而提供更大的负载能力，或者更小的飞行器尺寸和更低的成本。

由于无人机对系统重量要求苛刻，使用氢气的发电装置必须具有功率高、重量轻的特点。质子交换膜燃料电池是最佳候选技术方案。目前作为无人机主要动力装置的质子交换膜燃料电池主要有以下三类：1、水冷电堆，如Ballard FCair，不含供气系统的系统重量比功率可达到300W/kg；2、封闭阴极空冷电堆，如采用金属极板的Spectronik Protium-2000，不含供气系统的系统重量比功率可达到400W/kg，如专利CN108134110A；3、开放阴极空冷电堆，如采用金属极板的Intelligent Energy 2.4kW，不含供气系统的系统重量比功率可达到700W/kg，如专利CN106165172A。其中，与开放阴极空冷电堆相比，水冷电堆和封闭阴极空冷电堆虽然具有更好的环境适应性，但由于包含空气压缩机、冷却液、散热器等额外设备的重量，系统重量大幅提升，导致系统重量比功率显著下降。而开放阴极空冷电堆使用环境空气作为氧化剂和冷却剂，因而系统结构更简单，重量更轻，因而具有更高的系统重量比功率。

对于开放阴极空冷电堆，为了使电堆温度保持稳定，需要作为冷却剂的空气将电化学反应所放出热量释放出去，由于空气的热容量很低，散热所需空气量约为电化学反应所需空气量的数十倍到上百倍；而为了保持质子交换膜含水量，只需要相对少量的空气，约为电化学反应所需空气量的数倍。现有的开放阴极空冷电堆技术方案的阴极冷却流场板设计无法兼顾上述气量需求差异，所以面临着空气量不足而导致电堆温度过高和空气量过大而导致质子交换膜含水量过低的矛盾。

为解决开放阴极空冷电堆的上述问题，现有技术方案主要有以下三类：1、在膜电极组件中添加一层保水层，或者提高质子交换膜的透气率，直接提高质子交换膜的含水量，但是会增大氧气渗透阻力和氢气泄漏危险；2、在电堆控制中增加一套短路激活系统，定期瞬间短路电堆，使电堆质子膜产生大量水，从而激活电堆，提升电堆输出性能，但同时会产生大量热量，提高质子膜损伤风险，而且并未能解决上述气量需求差异的矛盾；3、使用封闭阴极空冷电堆或水冷电堆技术方案，将作为氧化剂的空气供给从冷却剂供给独立出来，但会增加空气压缩机、冷却液、散热器等额外设备的重量，大幅降低系统重量比功率。