[發明專利]自增濕微型高效熱動自循環冷卻質子交換膜燃料電池系統

有效

• 申請號: 200710027953.7
• 申請日: 2007-05-14
• 公開（公告）號: CN101051696A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 周震濤;樊孝紅;于非
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/10;H01M8/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 李衛東;羅觀祥

技術領域

本發明涉及燃料電池技術，具體是指自增濕微型熱動自循環冷卻質子交換膜燃料電池系統。

背景技術

質子交換膜燃料電池是繼堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之后，正在迅速發展的第五代燃料電池。它具有潔凈、噪音小、操作溫度低、電流密度大、能量轉化效率高、對環境友好等優點，最有希望成為無污染、零排放電動汽車的動力源。這種燃料電池系統除了燃料電池堆之外，還需要燃料和氧化劑的供給系統、電子智能控制及散熱裝置等輔助系統。其燃料氫供給一般都是有一個通過調節水溫來調節氫氣濕度的對氫增濕系統，電池堆則有一個用水或空氣(又稱風冷)對電池堆進行溫度控制的冷卻系統。膜電極是電堆的核心部件。它由一張質子交換膜和陰陽兩個電極熱壓而成。在膜電極的陽極側，燃料在催化劑的表面發生電化學反應產生電子和質子，質子通過質子交換膜遷移至陰極側，并與從外電路傳導過來的電子結合對氧還原而生成水。陽極側的質子在膜內與水結合成水和質子，并在電滲力的作用下向陰極遷移，結果會導致陽極側的膜脫水。燃料電池運行時，約有一半的能量轉化為廢熱排出。目前廣泛采用的排熱方式有兩種：一種是通過水循環來排熱。這種方式一般需要外加循環泵來促使水在整個回路中循環，且當發熱量較多時，需冷卻水較多，且體積較大；另一種是在低輸出功率燃料電池用到的空氣冷卻，又稱風冷。這種方法一般需要有風機等強制空氣在散熱孔道中擴散，利用冷熱空氣的對流來帶走體系中的廢熱。且在用風冷卻時，在風機抽風或鼓風的過程中，水從陰極到陽極的反滲透現象會大大減弱，從而使質子交換膜的質子傳導性能大大減弱甚至危及到電堆的電性能。

上述的現有技術中存在以下的不足和缺陷：

1、對采用常壓空氣作為氧源的質子交換膜燃料電池，若采用抽風或鼓風作為其動力，在空氣經過電堆雙極板的貫穿式流道時，會使水從陰極到陽極的反滲透現象削弱，若不對陽極的氫氣進行增濕，則在陽極側的膜就會脫水，從而使本來功率較低的電堆的電性能進一步下降。

2、采用外增濕系統和采用壓縮機來提供高壓氧源的質子交換膜燃料電池系統的體積龐大、重量重、結構不緊湊，不適合用作移動電源，特別不適合于作為車輛可移動的動力電源。

3、燃料電池將燃料化學能轉化為電能時，電能和熱能各占一半。如果不能將運行中產生的熱能及時釋放，電池堆的溫度過高就會導致膜脫水，膜的質子傳導率下降，電池性能變差。

4、傳統的水冷卻系統含有循環泵，由于僅是液相傳熱，進出口溫差并不大，當熱量較多時，需要的水量較多，使得整個體系過于復雜且體積龐大；而風冷卻帶走的熱量較少，且不能很好地解決陽極側膜脫水的問題，不適合發熱量較大的動力電源使用。

5、風冷電堆的工作溫度低(40℃左右)，電極電催化劑的催化活性低，電堆的輸出功率也很低。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種自增濕微型熱動自循環冷卻質子交換膜燃料電池系統，其能避免陽極側的膜脫水、阻止電堆的電性能下降，能及時有效地排放系統產生的熱量，使電池堆的工作性能穩定優良。

本發明目的是通過以下技術方案予以實現：本自增濕微型熱動自循環冷卻質子交換膜燃料電池系統，由電堆模塊、微通道循環冷卻器相連接組成，且所述電堆模塊與微通道循環冷卻器是一體化設置；所述電堆模塊由端板、集流金屬板、單電池單元相互連接而成，所述端板開有燃料的進、出口；兩塊端板分別位于電堆模塊的兩端，兩塊端板的內側分別通過橡膠墊相應與兩塊集流金屬板相貼合，兩塊集流金屬板之間貼合一組或多組單電池單元，所述單電池單元由石墨雙極板與自增濕膜電極貼合組成；所述微通道循環冷卻器包括冷凝管、埋設在石墨雙極板中的微通道組成及具有單向導通功能的出、入口微止回閥，冷凝管兩端通過出、入口微止回閥與微通道連通。

所述電堆模塊的工作溫度范圍為40℃～160℃，比功率在0.1～0.5W/cm²之間。為了更好的實現本發明，所述電堆模塊可以為多個，各電堆模塊采用平行排列，各電堆模塊之間采用硬度較大的聚酯塑料板或通用熱熔膠來密封；

所述石墨雙極板采用陰極蛇行結構雙極板；所述自增濕膜電極包括質子交換膜、自增濕層、電催化層，質子交換膜的一側依次貼合自增濕層、電催化層，并外覆碳紙，質子交換膜的另一側貼合自增濕層，并外覆碳紙。