CN1653636A - 薄膜式电化学发电机 - Google Patents

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Abstract

薄膜式电化学发电机(100)被供以气态反应剂并包括许多反应电池(101)和许多冷却池(102)，后二者相互串联并按照压滤器式的构形装配。每个反应电池(101)由一对导电的双极板(103)界定，该双极板包括许多用于通过气态反应剂的第一标定孔(113a)和许多用于排放反应产品和任选的残余产品的第二标定孔(113b)。冷却池(102)本身又包括一刚性的周边部分(102a)，在其上放置一密封垫(117)，在此周边部分的每个表面上界定并密封一收集气态反应剂的区域(118a)和一收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)。在一压滤器式构形中，这两个区域分别叠在第一标定孔(113a)和第二标定孔(113b)上。在电化学发电机(100)工作时，气态反应剂流至收集反应剂的区域(118a)，从其经过许多上标定孔(113a)，到达反应电池(101)的活性区。在反应电池(101)中产生的反应产品和残余反应剂本身又经过许多下标定孔(113b)，到达收集排放产品的区域(118)，该反应产品从该区域离开电化学发电机(100)。

Description

薄膜式电化学发电机
本发明涉及有一减小的尺寸的薄膜式电化学发电机(电化学发生器，electrochemical generator)。
根据薄膜式电化学发电机的化学能至电能的能量转换工艺在本技术中是已为人知的。
在图1中示意地示出薄膜式电化学发电机的一个例子。电化学发电机1由许多反应电池2形成，它们相互串联并按照压滤器的构形装配。
每个反应电池2将第一气态反应剂(燃料)与第二气态反应剂(氧化剂)的反应自由能无降解地完全转换成热能的状态，从而不受到卡诺循环的限制。燃料供至反应电池的阳极室，并例如由包含氢或轻质醇如甲醇或乙醇的混合物组成，而氧化剂则供至同一电池的阴极室，并例如由空气和氧组成。燃料在阳极室中被氧化，同时释放H+离子，而氧化剂则在阴极室中被还原，消耗H+离子。分开阳极室和阴极室的离子交换薄膜允许连续的H+离子来从阴极室进入阳极室，同时阻止电子通过。这样，在反应电池2的两个极中建立的电位势达到最大。
更详细一些，每个反应电池由一对导电的具有平的表面的双极板3界定，其间，朝外向前走，包括：离子交换薄膜4；一对多孔性电极5；一对沉积在薄膜4与每个多孔性电极5之间的界面上的催化层6；一对电流收集器/分配器7，它们在电力上将导电的双极板5连至多孔性电极5上，同时又分配气态反应剂；一对密封垫8，其朝向为密封反应电池2的周边，以避免气态反应剂逸出。
在导电的双极板3和每个反应电池2的密封垫8中，有在图1中未示出的孔，它们通过在图1中同样未示出的分配槽连至电池本身的阳极室和阴极室。分配槽在密封垫8的厚度中得到，并且有梳状结构。它们按均匀的方式在反应电池2中分配并收集气态反应剂和反应产品，后者与任选的残余反应剂混合。
密封垫8还备有用于通过冷却液(通常为去掉离子的水)的第二孔。
上述孔之间的连接确定了两个上纵向通路9、两个下纵向通路10和在图1中未示出的横向通路的形成。在图1中只示出其中的一个的两个上纵向通路9界定了用于气态反应剂(燃料和氧化剂)的供应总管，在图1中只示出其中的一个的两个下纵向通路10界定了用于与任选的残余反应剂(惰性气体和反应剂的少量未转化的部分)混合的反应产品的排放总管，而横向通路则界定了用于冷却液的供应总管。作为另一种方案，下纵向通路10可用作供应总管，而上纵向通路9则可用作排放总管。还有可能通过上纵向通路9之一供应两种气态反应剂中的一种，用相应的下纵向通路10用于排放，同时通过另一个下纵向通路10供应另一种气态反应剂，用相应的上纵向通路9用于排放。
在反应电池2的组件的外面，有两个导电的接线板11，它们界定电化学发电机1。两个导电的接线板11之一备有在图1中未示出的喷嘴，以用作上下纵向通路9和10以及横向通路的液力连接。此外，两个导电的接线板11都备有合适的孔(在图1中也未示出)，以用于收容拉杆，借助该拉杆，可以达到电化学发电机1的上紧。
已知的电化学发电机1还可以包括许多冷却池(图1中未示出)，它们相对于同样的反应电池按1∶1、1∶2或1∶3的比例介于反应电池2之间。冷却池与反应电池2完全相似，只是它们不包括由离子交换薄膜4、多孔性电极5和在其内侧的催化层6组成的电化学组件。
已知的电化学发电机1虽然在若干方面是有利的，但是它有这样的缺点，即不能达到其总体尺寸小于由密封垫8的厚度决定的极限值。实际上，密封垫8的厚度必须允许得到分配槽。
薄膜式电化学发电机还知道，其中，气态反应剂通过直接在导电的双极板的表面上得到的通路分配。在此情况下，分配通路将上纵向通路连至下纵向通路上，作为用于气体的通道并覆盖电极表面的大部分。由于用薄膜实现分配槽的技术困难，这些电化学发电机也造成反应电池过厚。
本发明的目的为提供一薄膜式电化学发电机(发生器)，它没有上述缺点。
按照本发明，提供一如权利要求1所规定的薄膜式发电机。
为了更好地理解本发明，仅仅作为非限制性的例子并参考附图，此处描述了它的一个实施例，图中：
图1示出按照原有技术实现的薄膜式电化学发电机的分解侧视图；
图2示出按照本发明实现的薄膜式电化学发电机的一部分的剖视图；
图3a和3b示出图2的电化学发电机的组成部分的正视图；
图4a、4b示出图2的电化学发电机的其它组成部分的正视图；以及
图5示出图2的电化学发电机中的气体反应剂的路径。
图2示出薄膜式电化学发电机的一部分的剖视图，该发电机由许多反应电池101和许多冷却池102形成，它们互相串联并按照压滤器的构形方式装配，每个冷却池102介于一对反应电池101之间。
更详细一些，每个反应电池101由一对导电的具有平的表面的双极板103界定，在其间，朝外向前走，包括：一离子交换薄膜104；一对多孔性电极105；一对电流收集器/分配器106，它们将导电的双极板103连至多孔性电极105上；一对密封垫107，其朝向为密封反应电池101的周边，意图避免气态反应剂逸出。
在图3a、图3b中示出的导电的双极板103基本有一矩形，并有典型的0.1～0.4mm的厚度。它们有一周边部分108。后者备有第一和第二上孔108a1、108a2、第一和第二下孔108b1、108b2和侧孔109。周边部分108还备有许多孔110，用于收容拉杆，借助该拉杆，可以达到电化学发电机100的上紧。
如图3b所示，密封垫107通过模制(注射或压缩)、机械锚定或粘结仅仅放在每个导电的双极板的一个表面上。除去界定反应电池101的活性区外，它们提供用于电流收集器/分配106的座。
尤其是，密封垫107用软的材料例如硅酮、弹胶体等制造，并且有一在十分之几毫米至几毫米之间变化的最终厚度。
每个导电的双极板103还备有许多上标定孔113a和许多下标定孔113b，其直径在0.1mm至5mm之间。从相邻的冷却池102行进的气态反应剂经过许多上标定孔113a流动，而反应产品和残余的反应剂则离开反应电池101，经过许多下标定孔113b，这将在下面更详细地说明。上标定孔113a都互相对齐，其目的为保证气态反应剂的均匀分配，而且它们都放在第一和第二上孔108a1、108a2的下方。下标定孔113b本身也互相对齐，并且放在第一和第二下孔108b1、108b2的上方，其位置为距离密封垫107约1mm，以便更好地利用反应电池活性区。
在装配电化学发电机100时，所有导电的双极板103的第一和第二上孔108a1、108a2之间的结合确定了两个上纵向通路111的形成，而所有导电的双极板103的第一和第二下孔108b1、108b2之间的结合则确定了两个下纵向通路112的形成。在图2中只示出其一个的两个上纵向通路111界定了气态反应剂(燃料和氧化剂)的供应总管，而在图2中只示出其一个的两个下纵向通路112则界定了与任选的残余反应剂混合的反应产品的排放总管。作为另一种方案，下纵向通路112可用作供应总管，而上纵向通路111则用作排放总管。还有可能通过两个上纵向通路111之一供应两种气态反应剂中的一种，用相应的下纵向通路112用于排放，同时通过另一下纵向通路112供应另一种气态反应剂，用相应的上纵向通路111用于排放。
此外，还有导电的双极板103的侧孔109之间的结合确定了在图2中未示出的用作冷却液的通道的横向通路的形成。
现在参看图4a、4b，每个冷却池102基本有一矩形和相当于反应电池101的尺寸的尺寸。每个冷却池102包括一刚性的周边部分102a和一中空的中间部分102b，该周边部分用塑料或金属制造，其作用像是用于两种气体反应剂的分隔表面，该中间部分提供电流收集器/分配器106的座，通过它进行热交换。刚性的周边部分102a备有第一和第二上孔114a1、114a2、第一和第二下孔114b1、114b2和侧孔115。在压滤器式的构形中，冷却池102的第一和第二上孔114a1、114a2与反应电池101的第一和第二上孔108a1、108a2共同形成两个上纵向通路111，而冷却池102的第一和第二下孔114b1、114b2则与反应电池101的第一和第二下孔108b1、108b2共同形成两个下纵向通路112。冷却池102的侧孔115本身又与反应电池101的侧孔109共同形成冷却液的供应总管。刚性的周边部分102a还备有许多孔116，以用于收容拉杆，借助该拉杆，可以达到电化学发电机的上紧。
此外，每个冷却池102包括密封垫117，它们放在刚性周边部分102a的两个表面上，以便在这种周边部分的每个表面上界定：一位于第一和第二上孔114a1、114a2的下方的收集气态反应剂的区域118a；一位于第一和第二下孔114b1、114b2的上方的收集反应产品和残余反应剂的区域118b；一将两个上孔114a1、114a2之一连至收集气态反应剂的区域118a的供应通路119；一将收集反应产品和残余反应物的区域118b连至下孔114b1、114b2之一的排放通路；对应于收集气态反应剂的区域118a和收集反应产品和残余反应剂的区域118b设置的用于冷却液的入口和出口的侧通路。在压滤器式构形中，收集气态反应剂的区域118a叠在上标定孔113a上，而收集反应产品和残余反应物的区域则叠在下标定孔113b上。密封垫117密封收集气态反应剂的区域118a和收集反应产品与残余反应剂的区域118b，以便阻止气态反应剂、反应产品和残余反应剂在冷却池102中通过。
再有，密封垫117用软的材料(硅酮、弹胶体等)制造，该材料与由反应电池101的密封垫107作用的张紧/装配载荷相容，并且通过模制(注射或压缩)、机械锚定或粘结放在刚性的周边部分102a上。
电化学发电机100的工作如下。供至电化学发电机100的气态反应剂(燃料与氧化剂)经过供应通路119流至收集气态反应剂的区域118a。被防止在冷却池102中流动的气态反应剂从其经过许多放在相邻的反应电池101的导电的双极板103上的上标定孔113a(图5)。这样，气态反应剂到达产生恰当的反应的反应电池101的活性区。
在反应电池101中产生的反应产品和残余反应剂本身又经过许多位于同一反应电池的导电的双极板103上的许多下标定孔113b(图5)，到达相邻的冷却池102的收集排放产品的区域118b。它们从此出发，经过排放通路120离开电化学发电机100。通过侧通路供应的冷却液经过侧通路121进入和离开冷却池102，而其在此池中的分配则委托电池收集器/分配器106。
这样，按照本发明，冷却池102执行用于通过冷却液的室，和用于通过气态反应剂、反应产品和残余产品的室的双重功能。
可以用薄膜式电化学发电机100得到的优点如下。
首先，相对于已知的电化学发电机，薄膜式电化学发电机100有显著减小的总体尺寸。实际上，用在导电的双极板103上实现的上下标定孔113a、113b代替在密封垫的厚度中得到的分配通路允许采用厚度最小的组成部分，尤其是关于密封垫。
再有，用标定孔代替分配通路允许密封垫107和密封垫117有改进的密封，它们现在做成完全平的。最终，显然，可以对公开的电化学发电机100作出改进和改变，而不脱离本发明的范围。

Claims (16)

1.薄膜式电化学发电机，它供以气体反应剂并包括许多反应电池(101)，它们互相串联并按照压滤器式的构形装配，每个反应电池(101)被一对具有平的表面的导电的双极板(103)界定，其间，朝外向前走，包括：一离子交换薄膜(104)；一对多孔性电极(105)；一对电流收集器/分配器(106)，它们在电力上将上述导电的双极板(103)连至上述多孔性电极(105)上，其特征为，上述导电的双极板(103)包括许多用于通过上述气态反应剂的第一标定孔(113a)和许多用于排放反应产品和任选的残余反应剂的第二标定孔(113b)。
2.如权利要求1的发电机，其特征为，上述第一标定孔(113a)互相对齐并对应于在每个导电的双极板(103)的周边部分(108)上得到的供应孔(108a1、108a2)放置，上述第二标定孔(113b)互相对齐并对应于在周边部分(108)上得到的排放孔(108b1、108b2)放置。
3.如权利要求2的发电机，其特征为，上述第一和第二标定孔(113a、113b)放置成距离只覆盖上述周边部分(108)的一个表面的密封垫(107)约1mm，上述密封垫(107)提供一用于电流收集器(106)的座，并界定反应电池(101)的活性区。
4.如权利要求3的发电机，其特征为，上述密封垫(107)通过注射模制或压缩模制或机械锚定或粘结放在上述周边部分(108)上。
5.如权利要求3或4的任一项的发电机，其特征为，上述密封垫(107)用包括硅酮或弹胶体在内的软材料做成，上述密封垫(107)有一在十分之几毫米与几个毫米之间变化的厚度。
6.如前述权利要求的任一项的发电机，其特征为，上述第一和第二标定孔(113a、113b)有一在0.1mm和5mm之间的直径。
7.如前述权利要求的任一项的发电机，其特征为，它包括许多冷却池(102)，每个冷却池(102)介于一对反应电池(101)之间。
8.如权利要求7的发电机，其特征为，每个冷却池(102)包括一刚性的周边部分(102a)和一中空的中间部分(102b)，上述刚性的周边部分(102a)的作用像是用于上述气体反应剂的分隔表面，而上述中空部分(102b)则提供对应的电池收集器/分配器(106)的座。
9.如权利要求8的发电机，其特征为，上述刚性的周边部分(102a)备有供应孔(114a1、114a2)和排放孔(114b1、114b2)，上述冷却池(102)的上述刚性的周边部分(102a)的上述供应孔(114a1、114a2)与上述导电的双极板(103)的上述周边部分(108)的上述进给孔(108a1、108a2)共同形成纵向的进给通路(111)，而上述冷却池(102)的上述刚性的周边部分(102a)的上述排放孔(114b1、114b2)则与上述导电的双极板(103)的上述周边部分(108)的上述排放孔(108b1、108b2)共同形成纵向的排放通路(112)。
10.如权利要求8或9的任一项的发电机，其特征为，上述刚性的周边部分(102a)用塑料或金属制造。
11.如权利要求9～10的任一项的发电机，其特征为，上述刚性的周边部分(102a)在每个表面上被密封垫(117)覆盖，上述密封垫(117)在上述刚性的周边部分(102a)的每个表面上界定：一收集气态反应剂的区域(118a)，它对应于上述刚性的周边部分(102a)的上述供应孔(114a1、114a2)放置；一收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)，它对应于上述刚性的周边部分(102a)的上述排放孔(114b1、114b2)放置；一供应通路(119)，它将上述供应孔(114a1、114a2)之一连至上述收集气体反应剂的区域(118a)；一排放通路(120)，它将上述收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)连至上述排放孔(114b1、114b2)之一。
12.如权利要求11的发电机，其特征为，上述密封垫(117)密封上述收集气态反应剂的区域(118a)和上述收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)，以便阻止上述气态反应剂和上述反应产品和任选的残余反应剂在上述冷却池(102)内通过。
13.如权利要求11或12的任一项的发电机，其特征为，在一压滤器式构形中，上述收集气态反应剂的区域(118a)叠在上述第一标定孔(113a)上，而上述收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)则叠在上述第二标定孔(113b)上。
14.如权利要求11或13的任一项的发电机，其特征为，上述密封垫(117)借助注射模制或压缩模制或机械锚定或粘结放在上述刚性的周边部分(102a)上，以及上述密封垫(117)用包括硅酮、弹胶体等在内的软材料制造。
15.如权利要求11～14的任一项的发电机，其特征为，上述冷却池(102)的上述刚性的周边部分(102a)备有侧孔(115)，以用于冷却液的通道和上述冷却液的入口和出口侧通路(121)的通道，上述侧通路(121)分别对应于上述收集气体反应剂的区域(118a)和上述收集反应产品和残余反应剂的区域(118b)放置。
16.基本如同此处参考附图所描述的薄膜式电化学发电机。
CNA038091526A 2002-04-23 2003-04-23 薄膜式电化学发电机 Pending CN1653636A (zh)

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