[發明專利]一種強制散熱型空冷自增濕電化學裝置

在審

• 申請號: 202010146352.3
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111180757A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 盧麗芬
• 申請（專利權）人: 盧麗芬
• 主分類號: H01M8/0267
• 分類號: H01M8/0267;H01M8/0258;H01M8/04007;H01M8/04029;H01M8/04082;H01M8/04089;H01M8/04291;H01M8/2457;H01M8/2483
• 代理公司: 蘇州漢東知識產權代理有限公司 32422
• 代理人: 葛娟

本發明公開了一種強制散熱型空冷自增濕電化學裝置，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陰極表面，空氣流在該裝置中被分為兩個部分空氣流，該些部分空氣流中的至少一個流經容許其經過的第一流場，至少另一個流經容許其經過的第二流場，第一流場及流經其中的部分空氣流與電化學反應陰極表面接觸，空氣流與該表面有空氣等物質交換，第二流場位于第一流場遠離電化學反應陰極表面的一側，第一流場和第二流場之間不完全隔絕，第二流場具有散熱結構。本發明通過兩部分空氣流的分隔和結構，保證了熱量釋放和水分保留的效果，而無需額外的保水層和改性質子交換膜，降低了膜電極組件的成本。

技術領域

本發明涉及電化學及化工領域，特別涉及一種強制散熱型空冷自增濕電化學裝置。

背景技術

隨著無人機技術的發展，測繪、安防、應急、農林、巡檢等應用領域的需求與日俱增，續航時間的需求也不斷提升。現有應用廣泛的鋰聚合物電池所能提供的續航時間已逐漸逼近其極限，一般多旋翼飛行器續航時間可達到1小時左右，固定翼飛行器續航時間可達到4小時左右，亟需其他替代技術提供更長的續航時間。

現有鋰聚合物電池所提供的續航時間極限是由其質量比能量決定的，現有鋰聚合物電池材料技術已逐漸逼近其物理極限，達到200-300Wh/kg。而現有的質子交換膜燃料電池所采用的儲能材料為氫氣，具有極高的質量比能量，考慮現有儲氫技術以及發電裝置所增加的質量，最終系統綜合的質量比能量仍能達到600-800Wh/kg以上，數倍于鋰聚合物電池材料，可在同樣重量下實現更長的續航時間，或者在同樣續航時間的前提下，降低動力系統的重量，從而提供更大的負載能力，或者更小的飛行器尺寸和更低的成本。

由于無人機對系統重量要求苛刻，使用氫氣的發電裝置必須具有功率高、重量輕的特點。質子交換膜燃料電池是最佳候選技術方案。目前作為無人機主要動力裝置的質子交換膜燃料電池主要有以下三類：1、水冷電堆，如Ballard FCair，不含供氣系統的系統重量比功率可達到300W/kg；2、封閉陰極空冷電堆，如采用金屬極板的Spectronik Protium-2000，不含供氣系統的系統重量比功率可達到400W/kg，如專利CN108134110A；3、開放陰極空冷電堆，如采用金屬極板的Intelligent Energy 2.4kW，不含供氣系統的系統重量比功率可達到700W/kg，如專利CN106165172A。其中，與開放陰極空冷電堆相比，水冷電堆和封閉陰極空冷電堆雖然具有更好的環境適應性，但由于包含空氣壓縮機、冷卻液、散熱器等額外設備的重量，系統重量大幅提升，導致系統重量比功率顯著下降。而開放陰極空冷電堆使用環境空氣作為氧化劑和冷卻劑，因而系統結構更簡單，重量更輕，因而具有更高的系統重量比功率。

對于開放陰極空冷電堆，為了使電堆溫度保持穩定，需要作為冷卻劑的空氣將電化學反應所放出熱量釋放出去，由于空氣的熱容量很低，散熱所需空氣量約為電化學反應所需空氣量的數十倍到上百倍；而為了保持質子交換膜含水量，只需要相對少量的空氣，約為電化學反應所需空氣量的數倍。現有的開放陰極空冷電堆技術方案的陰極冷卻流場板設計無法兼顧上述氣量需求差異，所以面臨著空氣量不足而導致電堆溫度過高和空氣量過大而導致質子交換膜含水量過低的矛盾。

為解決開放陰極空冷電堆的上述問題，現有技術方案主要有以下三類：1、在膜電極組件中添加一層保水層，或者提高質子交換膜的透氣率，直接提高質子交換膜的含水量，但是會增大氧氣滲透阻力和氫氣泄漏危險；2、在電堆控制中增加一套短路激活系統，定期瞬間短路電堆，使電堆質子膜產生大量水，從而激活電堆，提升電堆輸出性能，但同時會產生大量熱量，提高質子膜損傷風險，而且并未能解決上述氣量需求差異的矛盾；3、使用封閉陰極空冷電堆或水冷電堆技術方案，將作為氧化劑的空氣供給從冷卻劑供給獨立出來，但會增加空氣壓縮機、冷卻液、散熱器等額外設備的重量，大幅降低系統重量比功率。