气体供应装置和电化学电池的制作方法

1.本技术涉及电化学电池领域，尤其涉及一种用于电化学电池的气体供应装置和包括这种气体供应装置的电化学电池。


背景技术：

2.随着技术的发展，使用电化学电池作为电力供应装置正日益获得研究人员和市场的关注。例如，作为电化学电池的一种，燃料电池在电动交通工具、便携式电源等领域获得了广泛的应用。通常，燃料电池包括电堆、氢气供应装置、氧气供应装置和电力输出装置等。在使用过程中，通过氢气供应装置向电堆供应氢气，并通过氧气供应装置向电堆供应氧气，在催化剂的作用下氢气和氧气在电堆内发生电化学反应，释放出电子，从而可以对外输出电力(例如，驱动电机)。
3.氢气通常存储在高压储罐中，并经过喷射泵、进气管路等供应至电堆。然而，供应到电堆的氢气并不能完全参与反应，多余的氢气和杂质气体(例如，氮气)则通过出气管路排出。为提高氢气的利用率，经出气管路排出的气体可以经过水分离器、循环泵等输送回进气管路而再次供应至电堆，其中经水分离器分离出的液态水可以经排水阀排出。经过一段时间的运行之后，经出气管路排出的气体中会含有较多的杂质气体，因此可以通过间歇性地打开与出气管路连通的排气阀将含有较多杂质气体的气体排放到大气中或进一步处理。在电堆以较高的功率运行时会产生较多的水蒸汽，水蒸汽中有一部分被冷凝成液态水并被水分离器分离，也会有一部分被循环入进气管路而可能使进入电堆内的氢气的相对湿度较高，这可能导致电堆的电压不平衡或过低。另外，在电堆启动时会产生很少的水蒸汽，在此情况下即使这些水蒸汽被循环入进气管路，也可能使进入电堆内的氢气的相对湿度较低。在有效的范围内，进入电堆内的气体的湿度较低将导致电化学反应的效率较低，且电堆的电压不稳定。因此，现有的氢气供应装置并不能有效地控制进入电堆的氢气的相对湿度。
4.除上述举例说明的燃料电池外，在采用其它气体介质(例如，氨气、煤气、天然气、生物质气等)作为反应物的电化学电池中，也类似地存在着需要有效地控制气体的相对湿度的问题。
5.因此，需要一种改进的气体供应装置和电化学电池，以有效地控制气体的湿度。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提出一种改进的气体供应装置和电化学电池，以解决上述的至少一个技术问题。
7.为此，根据本技术的一方面，提供一种气体供应装置，其用于电化学电池，所述气体供应装置包括：进气管路，其用于将气体供应至所述电化学电池的电堆；和出气管路，其用于将从所述电堆排出的气体输送回所述进气管路或排放到所述气体供应装置之外；其中，所述气体供应装置还包括由聚合物材料制成的水分吸收和释放部件，所述水分吸收和释放部件被配置成使所述气体流经所述水分吸收和释放部件的表面，以使所述气体中的水
分能够被所述水分吸收和释放部件吸收或所述水分吸收和释放部件内部的水分能够被释放到所述气体中；以及所述水分吸收和释放部件内部的预设相对湿度被设定为所述气体的目标相对湿度，使得当所述气体的实际相对湿度大于所述水分吸收和释放部件内部的实际相对湿度时，所述水分吸收和释放部件吸收水分，且当所述气体的实际相对湿度小于所述水分吸收和释放部件内部的实际相对湿度时，所述水分吸收和释放部件释放水分。
8.根据本技术的一实施例，所述水分吸收和释放部件被设置在所述进气管路内或被形成为所述进气管路的区段。
9.根据本技术的一实施例，所述水分吸收和释放部件被设置在所述出气管路内或被形成为所述出气管路的区段。
10.根据本技术的一实施例，所述水分吸收和释放部件包括被形成为多孔结构的吸水性树脂件。
11.根据本技术的一实施例，所述水分吸收和释放部件具有预设的含水量，且所述含水量是基于所述电堆的运行状况设定的。
12.根据本技术的一实施例，所述气体供应装置还包括：循环泵，其被配置成将所述出气管路连接到所述进气管路，使得从所述电堆排出的气体从所述出气管路进入所述进气管路。
13.根据本技术的一实施例，所述气体供应装置还包括用于分离从所述电堆排出的气体中的液态水的水分离器。
14.根据本技术的一实施例，所述气体供应装置还包括：储罐，其用于存储气体；和喷射泵，其用于将从所述储罐排出的气体喷射入所述进气管路。
15.根据本技术的另一方面，提供一种电化学电池，包括：电堆；和根据如上所述的气体供应装置。
16.根据本技术的一实施例，所述电化学电池是燃料电池。
17.本技术的气体供应装置和电化学电池可以将气体的相对湿度自动地控制在合理的范围内，从而可以改进电化学反应的效率，延长电化学电池的寿命。
附图说明
18.下面将参照附图对本技术的示例性实施例进行详细描述，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本技术，而不是对本技术范围的限制，在附图中：
19.图1是根据本技术的示例性实施例的包括气体供应装置的电化学电池的示意性框图；
20.图2是图1所示的进气管路的示意性透视图；
21.图3是图2所示的进气管路的示意性横截面视图。
具体实施方式
22.下面结合示例详细描述本技术的优选实施例。在本技术的实施例中，以用于燃料电池的气体供应装置为例对本技术进行描述。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本技术形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，
省略了其它的部件，但这并不表明本技术的气体供应装置和电化学电池不可包括其它部件。应当理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。
23.下面参照图1来描述本技术的用于电化学电池的气体供应装置以及包括这种气体供应装置的电化学电池。图1示意性示出了根据本技术的示例性实施例的包括气体供应装置的电化学电池的框图。如图1中所示，电化学电池200可包括气体供应装置100(以虚线框示出)和电堆30。
24.应指出的是，图1中所示的电化学电池200是燃料电池，气体供应装置100中供应的气体是氢气，且该气体供应装置100也可被称为氢气供应装置。另外，在图1中仅示出了氢气供应装置及相应的管路，而没有示出氧气供应装置及相应的管路。对于本领域技术人员来说，可以采用多种现有的向电堆30供应氧气(或空气等)的氧气供应装置，本文不再进一步详细描述。
25.在图1中所示的电化学电池200中，电堆30包括阳极31和阴极32，氢气供应装置供应的氢气被供应至阳极31，氧气供应装置供应的氧气被供应至阴极32，氢气和氧气经过电解质膜(例如，质子交换膜)发生电化学反应，释放出电子。
26.如图1所示，本技术的气体供应装置100包括进气管路21和出气管路22，其中进气管路21用于将气体供应至电化学电池200的电堆30，出气管路22用于将从电堆30排出的气体输送回进气管路21或排放到气体供应装置100之外。
27.另外，本技术的气体供应装置100还可包括储罐10、喷射泵20、水分离器40和循环泵50等。储罐10用于存储反应气体，例如氢气，其可以是能够承受数十兆帕的高压容器。喷射泵20用于将从储罐10排出的气体经进气管路21供应至电化学电池200的电堆30。喷射泵20可以在电化学电池200的电子控制单元(未示出)的控制下，调节供应至电堆30的气体量。水分离器40被设置在出气管路22中，用于分离从电堆30排出的气体中的水。水分离器40中积聚的液态水可以经排水阀41排出。循环泵50在电机51的驱动下可以将经出气管路22从电堆30排出的气体(主要是未参与反应的氢气和水蒸汽，当然也包括杂质气体，例如氮气)输送回进气管路21而将其再次供应至电堆30，这样可以使在电堆30内没有参与反应的多余氢气得到再次利用，从而提高氢气的利用效率。
28.在电化学电池运行一段时间之后，经出气管路22中排出的气体中会含有较多的杂质气体，因此需要排放到气体供应装置100之外。所以，气体供应装置100还可包括排气阀23，其与出气管路22连通，且可以间歇性地打开和关闭，以将经出气管路23中排出的含杂质气体较多的气体排放到气体供应装置100之外，例如排放到大气中或后续处理装置中。
29.根据本技术的一实施例，气体供应装置100还包括由聚合物材料制成的水分吸收和释放部件60，如图1中的虚线框所示。水分吸收和释放部件60被配置成使气体流经水分吸收和释放部件60的表面，以使气体中的水分能够被水分吸收和释放部件60吸收或水分吸收和释放部件60内部的水分能够被释放到气体中。根据本技术的发明构思，水分吸收和释放部件60内部的预设相对湿度被设置成与气体的目标相对湿度相对应，使得当气体的实际相对湿度大于水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度时，水分吸收和释放部件60吸收水分，而当气体的实际相对湿度小于水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度时，水分吸收和释放部件60释放水分。
30.这样，根据聚合物材料的渗透压原理，水分吸收和释放部件60可以自动地控制气
体的相对湿度。例如，设定气体的目标相对湿度为40％，则水分吸收和释放部件60内部的预设相对湿度可被设定为40％。在电堆30正常运行时，进入电堆的气体的实际相对湿度和水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度基本上被保持在目标相对湿度。当电堆30以高功率的工况运行时，电堆30生成的水蒸汽较多，致使气体的实际相对湿度大于40％，而此时水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度为40％，因此，在气体经过水分吸收和释放部件60时，水分吸收和释放部件60可以吸收水分，而使气体的实际相对湿度降低，水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度增加。当电堆30以低功率的工况运行或启动时，电堆30生成的水蒸汽较少，致使气体的实际相对湿度小于40％，而此时水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度为40％，因此，在气体经过水分吸收和释放部件60时，水分吸收和释放部件60可以释放水分，而使气体的实际相对湿度增加，水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度降低。在上述的每一种情况下，经过气体的持续循环，气体的实际相对湿度和水分吸收和释放部件60内部的实际相对湿度将达到平衡。因此，不需要复杂的结构即可以将气体的相对湿度自动地控制在围绕目标相对湿度较小波动的合理区间内，从而可以改进电化学反应的效率，延长电化学电池的寿命，且可以抑制进气管路和出气管路的管壁上的冷凝水。
31.为确保水分吸收和释放部件60内部的预设相对湿度，水分吸收和释放部件60内具有预设的含水量，且该含水量是基于电堆30的运行状况设定的。例如，可以根据电堆30的实际运行工况或模拟运行工况，获得电堆30在不同工况下排放的水量，然后计算出水分吸收和释放部件60内的含水量。另外，水分吸收和释放部件60中的聚合物材料的量(例如，对应于其体积、重量等)与含水量相关联。也就是说，较多的聚合物材料可以吸收和释放较多的水，因此，对稳定气体的相对湿度来说更具鲁棒性。
32.如图1所示，水分吸收和释放部件60可以被设置在进气管路21和/或出气管路21上。例如，水分吸收和释放部件60被设置在进气管路21内或被形成为进气管路21的区段，和/或水分吸收和释放部件60被设置在出气管路22内或被形成为出气管路22的区段。也就是说，水分吸收和释放部件60可以作为例如衬套设置在进气管路21和/或出气管路22内。替代地或另外，水分吸收和释放部件60可以被做成一段管路而成为进气管路21和/或出气管路22的一部分。
33.如图2和3所示，示出了水分吸收和释放部件60被设置成位于进气管路21内的衬套，其具有中空的管腔。气体从进气管路21的左侧进入，经过水分吸收和释放部件60的管腔的内表面，并从进气管路21的右侧排出。优选地，水分吸收和释放部件60可包括被形成为多孔结构的吸水性树脂件，例如，丙烯酸树脂件。然而，本技术不对水分吸收和释放部件60的聚合物材料种类和形状进行具体的限制。水分吸收和释放部件60可以呈现多种形状或形式，例如，海绵状多孔结构、纤维束结构、颗粒等。因此，在本文中，气体流经的水分吸收和释放部件60的表面可以包括水分吸收和释放部件60的被气体经过的任何表面，例如管状结构的管腔内表面、多孔结构的孔内表面、颗粒的外表面等。在气体经过水分吸收和释放部件60的表面期间，如上所述，如果气体的相对湿度与水分吸收和释放部件60内部的相对湿度存在差异，则会发生水分的吸收和释放。
34.如图3所示，当气体的相对湿度大于水分吸收和释放部件60内部的相对湿度时，水分吸收和释放部件60吸收水分，如径向向外的箭头所示；当气体的相对湿度小于水分吸收和释放部件60内部的相对湿度时，水分吸收和释放部件60释放水分，如径向向内的箭头所
示。
35.在本技术的一实施例中，气体供应装置100还可包括喷嘴11，其用于控制气体从储罐10的排出。由于储罐10内的压力较高，喷嘴11可以调整进入喷射泵20的气体的压力。
36.为了监控气体供应装置100的运行，气体供应装置100还可包括多个传感器。在图1中给出了传感器的示例，例如，用于测量进气温度的进气温度传感器71、用于测量出气温度的出气温度传感器72、用于测量进气压力的进气压力传感器81和用于测量出气压力的出气压力传感器82。当然，根据控制的需要，可以设置更多的传感器。相应地，本技术的气体供应装置100还可包括控制模块(未示出)，该控制模块被配置成根据电化学电池200的运行状态来控制各部件的运行。该控制模块可以是单独的控制模块，也可以是电化学电池的电子控制单元的一部分。
37.在上述实施方式中，以燃料电池作为电化学电池的示例对本技术的发明构思进行了描述，但本技术除了可应用于燃料电池以外，还可应用于其它需要供应气体的电化学电池。
38.根据本技术的上述实施例，通过在气体供应装置中设置由聚合物材料制成的水分吸收和释放部件，可以使气体的相对湿度维持在合理的范围内，从而改善电化学反应的效率，延长电化学电池的寿命。
39.以上结合具体实施例对本技术进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本技术的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本技术的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本技术的范围。