[發明專利]一種高溫質子交換膜燃料電池組的冷卻方法及其系統

有效

• 申請號: 200610135108.7
• 申請日: 2006-12-27
• 公開（公告）號: CN101212059A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 侯明;孫立言;燕希強;林業發;姜玉玉;明平文;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/02;H01M8/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本發明涉及燃料電池，具體地說是一種適用于高溫質子交換膜燃料電池組的冷卻方法及其系統。

背景技術

燃料電池是一種等溫的按電化學方式直接將化學能轉化為電能的發電裝置。它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高，環境友好。由于以上這些突出的優點，近些年來燃料電池技術的研究和開發倍受各國政府和大公司的重視，被認為是21世紀首選的潔凈高效的發電方式。其中高溫質子交換膜燃料電池，近來來引起了國際上的普遍關注。

所謂高溫質子交換膜燃料電池是指操作溫度高于100℃的燃料電池(常規的質子交換膜燃料電池通常操作溫度≤80℃)。在該種條件下的電池有如下優點：1)電化動力學反應速率提高，有利于電性能的提高；2)提高了燃料電池廢熱品質，有利于廢熱的有效利用，提高系統效率；降低了冷卻系統的重量與體積，提高了系統的重量與體積比功率密度；3)水處于汽態，減少了兩相流引起的傳質極化；流場設計也可以得到大幅度的簡化，減少為了保證對水的吹掃高氣速引起的阻力降增加。4)有利于CO在陽極的氧化與脫附，提高抗CO能力；從而可以簡化重整系統的凈化部分。5)高溫操作狀態下，水含量少，因此可以減少由于低溫冷凍狀態下水的冰凍引起的電池性能衰減，有利于低溫啟動。而常規的系統低溫停車時為了消除水的影響，需要吹掃，增加了系統的復雜性，且在膜中的液態水也會有部分殘存。

目前，高溫膜的研究引起了國際上普遍重視，但是，適用于高溫操作的質子交換膜燃料電池系統目前還是個空白，由于高溫燃料電池中流體的形態和熱質傳遞的特性均區別于常規的燃料電池，所以有必要建立新的燃料電池系統，以適應高溫質子交換膜燃料電池的需要。

發明內容

在試驗與理論分析的基礎上，通過工程計算與設計，本發明的目的在于提供一種傳熱效率可以大幅度地提高、安全可靠的高溫質子交換膜燃料電池組的冷卻方法及其系統。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種高溫質子交換膜燃料電池組的冷卻方法，常壓下，將溫度為大于90℃小于100℃的水通入質子交換膜燃料電池組的冷卻腔，水與電池生成熱進行熱交換，水汽化取走電池的廢熱。

其高溫質子交換膜燃料電池組、水罐、氫氣氣源和空壓機組成；

氫氣氣源通過減壓閥、氫氣回流器與電池組的氫氣入口相連，電池組的氫氣出口經三通閥分別與大氣和氫氣回流器相通；

空氣經過空氣過濾器、空壓機、焓輪增濕器與電池組的空氣入口相連，電池組的空氣出口經焓輪增濕器、膨脹機與大氣相通；

水罐通過水泵、預熱器與質子交換膜燃料電池組的冷卻腔入口相連，冷卻腔出口經散熱器與水罐相連；

散熱器上可耦合有熱回收裝置；

當系統實際布局允許有位差時，可以采用熱虹吸式自循環，實現無動力冷卻循環系統。無需水泵，水罐通過預熱器與質子交換膜燃料電池組的冷卻腔入口相連。通過熱虹吸現象，冷卻水進入燃料電池的冷卻腔與電池進行熱交換，水蒸氣進入散熱器冷凝后回到水箱。

本發明具有如下優點：

1.能耗低。該系統采用水蒸發相變傳熱冷卻方式，以水為冷卻介質，利用水相變過程所需的蒸發潛熱帶走電池的廢熱，通過調整輸出功率與冷卻水量的自動耦合，達到蒸發傳熱的目的。

2.傳熱效率可以大幅度地提高。由于高溫質子交換膜的操作溫度高于100℃，本發明的系統冷卻回路采用水蒸發冷卻方式，以水為冷卻介質，利用水相變過程所需的蒸發潛熱帶走電池的廢熱，與傳統的80℃以下操作的質子交換膜燃料電池比較，水循環的潛熱過程比顯熱傳遞過程傳熱效率可以大幅度地提高，通過調整輸出功率與冷卻水量的自動耦合，達到蒸發傳熱的目的。當系統實際布局允許有位差時，可以采用熱虹吸式自循環，實現無動力冷卻循環系統。

3.安全可靠。與其他采用乙醇等有機物為蒸發冷卻介質的系統相比，該系統安全可靠，對電極、質子交換膜等重要組件不存在潛在的危害性。

附圖說明

圖1為本發明所述的高溫質子交換膜燃料電池系統示意圖。其中：1為儲氫罐，2為減壓閥，3為氫氣回流器，4為氫氣尾排開關，5為水箱，6為水泵，7為預熱器，8為散熱器，9為熱回收裝置，10為空氣進口，11為空氣過濾器，12為空壓機，13為焓輪增濕器，14為膨脹機，15為空氣尾排，16為電堆

具體實施方式

為更好的理解本發明的技術方案，以下結合附圖進一步描述本發明所述的高溫質子交換膜燃料電池系統。

如圖1所示：

系統中的三種流體循環回路為：空氣、氫氣與冷劑回路。

冷卻回路：散熱器、水罐、(水泵)。