一种强制散热型空冷自增湿电化学装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An electrochemical device of forced cooling air cooling self humidification

【技术实现步骤摘要】
一种强制散热型空冷自增湿电化学装置
本专利技术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。
技术介绍
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BallardFCair，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SpectronikProtium-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IntelligentEnergy2.4kW，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。为克服上述技术的不足，专利CN101290998B公开了一种自增湿电化学装置，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。专利CN101290998B无需使用保水层，无需提高膜电极透气率，无需短路激活系统，无需使用需要额外设备的封闭阴极空冷电堆或水冷电堆等技术方案，降低系统重量和成本。但为了实现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之间数倍和数十倍到上百倍的比例，专利CN101290998B的流道截面积之比会显著小于7：3，相当接近于0。这会导致与电化学反应主表面没有传质接触的空气流的流道截面积很大，增大了电化学装置的尺寸、重量和成本。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术公开了一种强散热型的半开放阴极空冷自增湿燃料电池。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：本专利技术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，每个所述电化学电池包括一个电化学反应阴极表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空气流进入该装置，所述空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流，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，所述第一流场及流经其中的部分空气流与所述电化学反应阴极表面接触，所述第二流场位于所述第一流场远离所述电化学反应阴极表面的一侧，所述第一流场和第二流场之间不完全隔绝，所述第二流场具有散热结构。作为本专利技术的优选方案之一，所述的一个或多个电化学电池以堆叠的构造方式排列。作为本专利技术的优选方案之一，在至少两个相邻电化学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基本平行于所述相邻电化学电池的主表面并穿过所述中间层。更进一步优选的，所述中间层与所述电化学反应阴极表面接触的一侧表面覆盖有保护层。进一步优选的，所述的中间层至少包括一层金属折板，所述金属折板的一侧形成多个平行设置的第一流道，所述金属折板的另一侧形成多个平行设置的第二流道，至少所述的多个第一流道形成所述第一流场，所述散热结构设置于所述第二流道所在侧，所述第二流道和所述散热结构形成所述第二流场，所述散热结构与所述第二流道连通。再进一步优选的，所述散热结构包括多组散热翅群。具体的，所述金属折板的一侧面位于所述第二流道的旁侧区域设置所述散热翅群，所述散热翅群至少包括两排散热翅，每排包括多个散热翅，所述散热翅的下方与所述第一流道连通。更进一步优选的，所述散热翅群包括沿所述第一流道的纵向方向间隔设置有两排所述散热翅，两排所述散热翅相互错位设置；或，所述散热翅群包括沿所述第一流道的纵向方向设置有两排所述散热翅，两排所述散热翅相互交错设置。再进一步优选的，所述散热翅的横截面形状至少包括矩形、梯形、拱形以及两种以上形状的组合，但不限于以上形状。更进一步优选的，相邻的两个所述第一流道之间连通有多个联通通道。作为本专利技术的优选方案之一，所述电化学电池是燃料电池或电解电池。作为本专利技术的优选方案之一，该电化学装置还包括一用于冷却整个装置的风扇。与现有技术相比，本专利技术的至少具有以下优点：1）与专利CN106165172A的开放阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，每个所述电化学电池包括一个电化学反应阴极表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空气流进入该装置，其特征在于：所述空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流，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，所述第一流场及流经其中的部分空气流与所述电化学反应阴极表面接触，所述第二流场位于所述第一流场远离所述电化学反应阴极表面的一侧，所述第一流场和第二流场之间不完全隔绝，所述第二流场具有散热结构。/n

【技术特征摘要】
1.一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，每个所述电化学电池包括一个电化学反应阴极表面，其能够消耗空气中的氧气，并且仅有一个空气流进入该装置，其特征在于：所述空气流在该装置中被分为至少两个部分空气流，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，所述第一流场及流经其中的部分空气流与所述电化学反应阴极表面接触，所述第二流场位于所述第一流场远离所述电化学反应阴极表面的一侧，所述第一流场和第二流场之间不完全隔绝，所述第二流场具有散热结构。


2.根据权利要求1所述的一种强制散热型空冷自增湿电化学装置，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。


3.根据权利要求2所述的一种强制散热型空冷自增湿电化学装置，其特征在于：在至少两个相邻电化学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基本平行于所述相邻电化学电池的主表面并穿过所述中间层；优选的，所述中间层与所述电化学反应阴极表面接触的一侧表面覆盖有保护层。


4.根据权利要求3所述的一种强制散热型空冷自增湿电化学装置，其特征在于：所述的中间层至少包括一层金属折板，所述金属折板的一侧形成多个平行设置的第一流道，所述金属折板的另一侧形成多个平行设置的第二流道，至少所述的多个第一流道形成所述第一流场，所述散热结构设置于所述第二流道所在侧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢丽芬，
申请(专利权)人：卢丽芬，
类型：发明
国别省市：广东;44