CN114447362B - 电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电化学装置，涉及化学装置技术领域，本发明提供的电化学装置用于将氢气和氧气转化为水和电流，包括：冷却管和多个电化学电池，多个电化学电池相互平行设置，并电连接；沿垂直于电化学电池的方向，位于两端部的电化学电池与冷却管的热传递面积小于位于中部的电化学电池与冷却管的热传递面积。本发明提供的电化学装置缓解了相关技术中电化学装置冷却不均匀的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及化学装置技术领域，尤其是涉及一种电化学装置。
背景技术
现有技术中有的电化学装置包括多个层叠设置的电化学电池，多个电化学电池对应的边缘处设有冷却管，从电化学电池到冷却管件进行均匀的热传递。
由于电化学电池的两侧均设有端板，两侧的端板分别与位于外侧的两个电化学电池接触，因此位于外侧的电化学电池除了可以通过冷却管进行冷却外，还可通过端板进行冷却，靠近于端板的电化学电池的温度低于位于中间的电化学电池的温度，导致电化学装置冷却的不均匀，此外，与位于中间的电化学电池相比，位于两侧的电化学电池的温度降低，将会导致在高RH条件下阴极蒸汽凝结，造成位于两侧的电化学电池腐烂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学装置，以缓解相关技术中电化学装置冷却不均匀的技术问题。
第一方面，本发明提供电化学装置用于将氢气和氧气转化为水和电流，包括：冷却管和多个电化学电池，多个所述电化学电池相互平行设置，并电连接；
沿垂直于所述电化学电池的方向，位于两端部的所述电化学电池与所述冷却管的热传递面积小于位于中部的所述电化学电池与所述冷却管的热传递面积。
进一步地，所述电化学装置还包括散热垫片，所述电化学电池通过至少一个所述散热垫片与所述冷却管连接，沿垂直于所述电化学电池的方向，位于两端部的所述散热垫片与所述冷却管的接触面积小于位移中部的所述散热垫片与所述冷却管的接触面积。
进一步地，沿垂直于所述电化学电池平面的方向，自所述电化学装置的两端至所述电化学装置的中部，多个所述散热垫片与所述冷却管的接触面积依次增大。
进一步地，所述冷却管的横截面尺寸不变，所述散热垫片具有用于与所述冷却管接触的配合面，位于两端部的所述配合面的面积小于位于中部的所述配合面的面积。
进一步地，所述冷却管两端部的横截面沿第一方向的尺寸小于所述冷却管中部的横截面沿所述第一方向的尺寸，所述第一方向平行于所述散热垫片的与所述冷却管连接的侧边。
进一步地，所述冷却管的热导率高于150W/mK。
进一步地，所述冷却管由金属材料或合金材料制成。
进一步地，所述散热垫片的热导率高于150W/mK。
进一步地，所述散热垫片由金属材料或合金材料制成。
进一步地，所述电化学电池包括双极板，所述双极板的面内热导率大于1000W/mK，并且所述双极板的贯穿面电导率大于100S/m。
进一步地，所述双极板由双轴定向石墨片制成。
进一步地，所述双极板的厚度范围为0.01mm到1mm。
本发明提供的电化学装置中，沿垂直于电化学电池的方向，位于两端部的电化学电池与冷却管的热传递面积小于位于中部的电化学电池与冷却管的热传递面积，使位于中部的电化学电池向冷却管传递热量的速度大于两端部的电化学电池向冷却管传递热量的速度，避免因两侧的电化学电池同时通过端板和冷却管散热而造成两侧的电化学电池与中部的电化学电池散热速度不同，因此能够提高电化学装置散热的均匀性；此外，两侧的电化学电池的温度与中部的电化学电池的温度相近，避免导致在高RH条件下阴极蒸汽凝结，进而在高RH条件下阴极蒸汽凝结。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电化学装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电化学装置中位于中部的电化学电池与冷却管连接示意图；
图3为本发明实施例提供的电化学装置中位于两端部的电化学电池与冷却管连接示意图。
图标：100-电化学电池；110-双极板；120-气体扩散层；130-端板；200-冷却管；210-圆形冷却管段；220-椭圆形冷却管段；300-散热垫片；400-绝缘导热垫片；510-空气入口通道；520-空气出口通道；530-氢气入口通道；540-氢气出口通道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供的电化学装置包括：冷却管200和多个电化学电池100，电化学电池100呈长方形，多个电化学电池100相互平行设置，并电连接。电化学装置的两端还设有两个端板130，两个端板130分别与位于外侧的两个电化学电池100抵接，位于外侧的两个电化学电池100的部分热量可通过与其抵接的端板130散出。电化学电池100的两个长边处均设有多个冷却管200，多个冷却管200沿电化学电池100的长度方向间隔设置，并均垂直于电化学电池100平面。沿冷却管200的延伸方向，位于电化学装置两端部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积小于位于电化学装置中部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积。
一些实施方式中，电化学电池100中设有多个冷却通道，多个冷却通道与多个冷却管200连接，冷却通道可将电化学电池100上的热量传递至冷却管200。位于两端部的电化学电池100上的冷却通道与冷却管200的接触面积小于位于中部的电化学电池100上的冷却通道与冷却管200的接触面积，从而实现位于电化学装置两端部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积小于位于电化学装置中部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积。
电化学装置还包括散热垫片300，电化学电池100的两个长边处均设有散热垫片300，散热垫片300的长度方向与电化学电池100的长度方向相同。散热垫片300的一个长边位于相邻的双极板110之间，并通过绝缘导热垫片400固定于两个双极板110之间，散热垫片300的两侧均设有绝缘导热垫片400，绝缘导热垫片400分别与双极板110和散热垫片300抵接，散热垫片300的另一个长边位于电化学电池100外，冷却管200与散热垫片300抵接，以使散热垫片300将双极板110上的热量传递至冷却管200。沿垂直于电化学电池100的方向，位于两端部的散热垫片300与冷却管200的接触面积小于位移中部的散热垫片300与冷却管200的接触面积，使位于中部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度大于两端部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度，提高电化学装置散热的均匀性。
电化学电池100包括至少两个双极板110，多个双极板110相互平行且间隔设置，相邻的两个双极板110之间设有两个气体扩散层120，两个气体扩散层120分别与两个双极板110的内表面贴合，其中与阴极板层贴合的气体扩散层120与空气入口通道510和空气出口通道520连通，与阳极板层贴合的气体扩散层120与氢气入口通道530和氢气出口通道540连通。两个气体扩散层120之间设有两个催化剂层，两个催化剂层分别与两个气体扩散层120贴合，并且催化剂层含有过渡金属，两个催化剂层之间设有质子交换膜，质子交换膜与两个催化剂层贴合。
双极板110的面内热导率可为1000W/mK、1500W/mK、2000W/mK、2500W/mK或3000W/mK等，以及时将双极板110上的热量传递出，从而确保双极板110较低的面内温度变化。双极板110的贯穿面电导率可为S/m、150S/m、200S/m、250S/m或300S/m等。
进一步地，双极板110由双轴定向石墨片制成。双极板110的厚度可为0.01mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm或1mm等。
散热垫片300的热导率可为160W/mK、200W/mK、250W/mK或300W/mK等，以及时将接收的热量传递出，从而保证对电化学电池100的散热效果。
散热垫片300由金属材料或合金材料制成，具体可由铝、铜、包含铝的合金或包含铜的合金等材料制成。
一些实施方式中，两端部的多个散热垫片300与冷却管200的接触面积相等，位于中部的多个散热垫片300与冷却管200的接触面积相互相等，并且两端部的接触面积小于中部的接触面积，以使位于中部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度大于位于两端部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度。
另一些实施方式中，沿垂直于电化学电池100平面的方向，自电化学装置的两端至电化学装置的中部，多个散热垫片300与冷却管200的接触面积依次增大。在电化学装置中，越靠近于中部的电化学电池100其温度可能越高，自电化学装置的两端至电化学装置的中部，多个散热垫片300与冷却管200的接触面积依次增大，即温度越高的电化学电池100与冷却管200的热传递面积越大，使温度越高的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度越快，更好地提高电化学电池100散热的均匀性。
改变散热垫片300与冷却管200的接触面积，具体可通过以下两种方式实现：
第一种方式，冷却管200的横截面尺寸不变，散热垫片300具有用于与冷却管200接触的配合面，位于两端部的配合面的面积小于位于中部的配合面的面积。
具体地，配合面呈与冷却管200的外周面相适配的弧形，该弧形向背离冷却管200的方向凹陷，当多个配合面沿冷却管200的延伸方向上的尺寸相互相等时，配合面沿其弧形延伸方向上的长度越长，配合面的面积越大，当多个配合面沿其弧形延伸方向上的长度相互相等时，配合面沿冷却管200的延伸方向上的尺寸越大，配合的面积越大。冷却管200通过配合面与散热垫片300连接，位于电化学装置两端部的配合面的面积小于位于电化学电池100中部的配合面的面积，从而使位于两端部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积小于位于中部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积，提高电化学装置散热的均匀性。
第二种方式，冷却管200两端部的横截面沿第一方向的尺寸小于冷却管200中部的横截面沿第一方向的尺寸，第一方向平行于散热垫片300的与冷却管200连接的侧边。
如图1、图2和图3所示，冷却管200包括圆形冷却管段210和椭圆形冷却管段220，圆形冷却管段210的截面呈圆形，椭圆形冷却管段220的截面呈椭圆形，椭圆形的长轴沿第一方向设置，并且椭圆形的长轴大于圆形的直径，自冷却管200的两端至冷却管200的中点，椭圆形长轴的长度逐渐增大。
散热垫片300与冷却管200连接的侧边处设有与冷却管200配合的凹槽，冷却管200的部分外壁位于凹槽内，并且凹槽侧壁的形状与凹槽内的冷却管200外壁的形状相适配，凹槽的侧壁与冷却管200的外壁连接，从而实现冷却管200与散热垫片300的连接。冷却管200两端部的横截面沿第一方向的尺寸小于冷却管200中部的横截面沿第一方向的尺寸，从而使位于两端部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积小于位于中部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积，提高电化学装置散热的均匀性。
冷却管200的热导率可为160W/mK、200W/mK、250W/mK或300W/mK等，以保证对电化学电池100的散热效果。
冷却管200由金属材料或合金材料制成，具体可由铝、铜、包含铝的合金或包含铜的合金等材料制成。
本发明实施例提供的电化学装置中，沿垂直于电化学电池100的方向，位于两端部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积小于位于中部的电化学电池100与冷却管200的热传递面积，使位于中部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度大于两端部的电化学电池100向冷却管200传递热量的速度，避免因两侧的电化学电池100同时通过端板130和冷却管200散热而造成两侧的电化学电池100与中部的电化学电池100散热速度不同，因此能够提高电化学装置散热的均匀性；此外，两侧的电化学电池100的温度与中部的电化学电池100的温度相近，避免导致在高RH条件下阴极蒸汽凝结，进而在高RH条件下阴极蒸汽凝结。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.一种电化学装置，所述电化学装置用于将氢气和氧气转化为水和电流，其特征在于，包括：冷却管（200）和多个电化学电池（100），多个所述电化学电池（100）相互平行设置，并电连接；
沿垂直于所述电化学电池（100）的方向，位于两端部的所述电化学电池（100）与所述冷却管（200）的热传递面积小于位于中部的所述电化学电池（100）与所述冷却管（200）的热传递面积；
所述电化学装置还包括散热垫片（300），所述电化学电池（100）通过至少一个所述散热垫片（300）与所述冷却管（200）连接，所述散热垫片（300）的一个长边位于相邻的双极板（110）之间，所述散热垫片（300）的另一个长边位于所述电化学电池（100）外，所述冷却管（200）与所述散热垫片（300）的位于所述电化学电池（100）外的边抵接；沿垂直于所述电化学电池（100）的方向，位于两端部的所述散热垫片（300）与所述冷却管（200）的接触面积小于位移中部的所述散热垫片（300）与所述冷却管（200）的接触面积。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，沿垂直于所述电化学电池（100）平面的方向，自所述电化学装置的两端至所述电化学装置的中部，多个所述散热垫片（300）与所述冷却管（200）的接触面积依次增大。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述冷却管（200）的横截面尺寸不变，所述散热垫片（300）具有用于与所述冷却管（200）接触的配合面，位于两端部的所述配合面的面积小于位于中部的所述配合面的面积。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述冷却管（200）两端部的横截面沿第一方向的尺寸小于所述冷却管（200）中部的横截面沿所述第一方向的尺寸，所述第一方向平行于所述散热垫片（300）的与所述冷却管（200）连接的侧边。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述冷却管（200）的热导率高于150W/mK。
6.根据权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，所述冷却管（200）由金属材料或合金材料制成。
7.根据权利要求1-4任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述散热垫片（300）的热导率高于150W/mK。
8.根据权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述散热垫片（300）由金属材料或合金材料制成。
9.根据权利要求1-4任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学电池（100）包括双极板，所述双极板的面内热导率大于1000W/mK，并且所述双极板的贯穿面电导率大于100S/m。
10.根据权利要求9所述的电化学装置，其特征在于，所述双极板由双轴定向石墨片制成。
11.根据权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，所述双极板的厚度范围为0.01mm到1mm。
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