CN101051696A - 自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，由一体化设置的电堆模块、微通道循环冷却器组成，电堆模块由端板、集流金属板、单电池单元相互连接而成，端板开有燃料的进、出口；两块端板分别位于电堆模块的两端，两块端板的内侧分别通过橡胶垫相应与两块集流金属板相贴合，两块集流金属板之间贴合一组或多组单电池单元，单电池单元由石墨双极板与自增湿膜电极贴合组成；微循环冷却器包括冷凝管、埋设在石墨双极板中的微通道以及出、入口微止回阀，冷凝管两端通过出、入口微止回阀与微通道连通。本系统能避免阳极侧的膜脱水、阻止电堆的电性能下降，及时有效地排放电池堆的热量，使电池体系的电性能处于良好的状态。

Description

自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统
                           技术领域
本发明涉及燃料电池技术，具体是指自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统。
                           背景技术
质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后，正在迅速发展的第五代燃料电池。它具有洁净、噪音小、操作温度低、电流密度大、能量转化效率高、对环境友好等优点，最有希望成为无污染、零排放电动汽车的动力源。这种燃料电池系统除了燃料电池堆之外，还需要燃料和氧化剂的供给系统、电子智能控制及散热装置等辅助系统。其燃料氢供给一般都是有一个通过调节水温来调节氢气湿度的对氢增湿系统，电池堆则有一个用水或空气(又称风冷)对电池堆进行温度控制的冷却系统。膜电极是电堆的核心部件。它由一张质子交换膜和阴阳两个电极热压而成。在膜电极的阳极侧，燃料在催化剂的表面发生电化学反应产生电子和质子，质子通过质子交换膜迁移至阴极侧，并与从外电路传导过来的电子结合对氧还原而生成水。阳极侧的质子在膜内与水结合成水和质子，并在电渗力的作用下向阴极迁移，结果会导致阳极侧的膜脱水。燃料电池运行时，约有一半的能量转化为废热排出。目前广泛采用的排热方式有两种：一种是通过水循环来排热。这种方式一般需要外加循环泵来促使水在整个回路中循环，且当发热量较多时，需冷却水较多，且体积较大；另一种是在低输出功率燃料电池用到的空气冷却，又称风冷。这种方法一般需要有风机等强制空气在散热孔道中扩散，利用冷热空气的对流来带走体系中的废热。且在用风冷却时，在风机抽风或鼓风的过程中，水从阴极到阳极的反渗透现象会大大减弱，从而使质子交换膜的质子传导性能大大减弱甚至危及到电堆的电性能。
上述的现有技术中存在以下的不足和缺陷：
1、对采用常压空气作为氧源的质子交换膜燃料电池，若采用抽风或鼓风作为其动力，在空气经过电堆双极板的贯穿式流道时，会使水从阴极到阳极的反渗透现象削弱，若不对阳极的氢气进行增湿，则在阳极侧的膜就会脱水，从而使本来功率较低的电堆的电性能进一步下降。
2、采用外增湿系统和采用压缩机来提供高压氧源的质子交换膜燃料电池系统的体积庞大、重量重、结构不紧凑，不适合用作移动电源，特别不适合于作为车辆可移动的动力电源。
3、燃料电池将燃料化学能转化为电能时，电能和热能各占一半。如果不能将运行中产生的热能及时释放，电池堆的温度过高就会导致膜脱水，膜的质子传导率下降，电池性能变差。
4、传统的水冷却系统含有循环泵，由于仅是液相传热，进出口温差并不大，当热量较多时，需要的水量较多，使得整个体系过于复杂且体积庞大；而风冷却带走的热量较少，且不能很好地解决阳极侧膜脱水的问题，不适合发热量较大的动力电源使用。
5、风冷电堆的工作温度低(40℃左右)，电极电催化剂的催化活性低，电堆的输出功率也很低。
                         发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其能避免阳极侧的膜脱水、阻止电堆的电性能下降，能及时有效地排放系统产生的热量，使电池堆的工作性能稳定优良。
本发明目的是通过以下技术方案予以实现：本自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，由电堆模块、微通道循环冷却器相连接组成，且所述电堆模块与微通道循环冷却器是一体化设置：所述电堆模块由端板、集流金属板、单电池单元相互连接而成，所述端板开有燃料的进、出口；两块端板分别位于电堆模块的两端，两块端板的内侧分别通过橡胶垫相应与两块集流金属板相贴合，两块集流金属板之间贴合一组或多组单电池单元，所述单电池单元由石墨双极板与自增湿膜电极贴合组成；所述微循环冷却器包括冷凝管、埋设在石墨双极板中的微通道组成及具有单向导通功能的出、入口微止回阀，冷凝管两端通过出、入口微止回阀与微通道连通。
所述电堆模块的工作温度范围为40℃～160℃，比功率在0.1～0.5W/cm2之间。为了更好的实现本发明，所述电堆模块可以为多个，各电堆模块采用平行排列，各电堆模块之间采用硬度较大的聚酯塑料板或通用热熔胶来密封；
所述石墨双极板采用阴极蛇行结构双极板；所述自增湿膜电极包括质子交换膜、自增湿层、电催化层，质子交换膜的一侧依次贴合自增湿层、电催化层，并外覆碳纸，质子交换膜的另一侧贴合自增湿层，并外覆碳纸。
所述自增湿层是由萘氟(Nafion)溶液(浓度约为5％～10％)和碳载铂(Pt/C)催化剂按重量比20∶1～10∶3混合成的涂层；所述电极催化层是由Pt/C催化剂和聚四氟乙烯(PTFE)乳液(浓度约为5％～10％)按重量比10∶1～2∶1混合成的涂层。
所述微通道是先将金属毛细管埋入石墨粉中，再在模具上压制成石墨双极板；微通道尺寸为毫米级或微米级；所述微通道的截面形状一般可以是圆形、弧形、方形、三角形、梯形或其他多边形；所述微通道在双极板内的排列方式可以为平行并联式排布，也可以呈井字式、斜式、蛇行式、螺旋式、回字式或锯齿式等方式排列；所述微通道在石墨双极板内的排列方式还可以采用多组微通道并联或串联的方式排列。
所述冷凝管为管径为2mm～10cm的导热金属管或塑料管；所述的冷凝管可以直接暴露在空气中，其上还装有散热金属翅片。
所述冷却工质可以是沸点为50～160℃的纯净物及其混合物，如乙醚、乙醇等；所述冷却工质可以根据实际发热量来调整其种类、配比、装填量和填充比，填充比是指填充进密闭系统中工质的体积占整个密封系统总体积的百分比值。当电堆模块的工作温度较高时，所述冷却工质可以选用沸点较高的油状有机物，同时所述冷凝管上需连接有冷却工质储液罐。
本自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过对膜电极的阳极侧进行自增湿处理，燃料电池在运行过程中不需要额外增加增湿系统，即水在渗透力的作用下可以从阴极渗回阳极，达到膜内的水平衡，从而实现燃料电池的正常稳定运行；
2、双极板的内腔中带有微通道，采用热驱动原理，电池堆工作时，产生的热量由微通道中的工作物质自身的相变来传递，不需要外加循环泵；避免了由于驱动机械装置所需的额外负荷，有利于提高电池的总体使用效率。
3、此自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统不仅可以用氢气作燃料，而且可以用甲醇、乙醇等作燃料；
4、可以根据电池排热量的要求来调整冷却工质的种类、配比、装填量和填充比，系统具有较好的灵活性；
5、此燃料电池系统的工作温度范围为40℃～160℃，电堆的输出功率在几瓦～几千瓦级之间，整个电堆结构简单紧凑、体积小、重量轻、灵活多变、性能优良，不仅可用于发热量少的移动电源、电动自行车、电动轮椅等。而且还可以作为发热量多的电动切割机、电动小轿车以及电动大巴等的动力电源。
                         附图说明
图1为本发明自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的外观结构示意图；
图2为本发明自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的电堆模块的结构示意图；
图3为本发明自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的自增湿膜电极的结构示意图；
图4为本发明自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的微通道循环冷却器的结构示意图；
图5为本发明自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的两个电堆模块平行排列的结构示意图。
                          具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1所示，本自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，由电堆模块I、微通道循环冷却器II相连接组成，且所述电堆模块I与微通道循环冷却器II是一体化设置：如图2所示，所述电堆模块I由端板7、集流金属板9、单电池单元相互连接而成，所述端板7开有燃料的进、出口5、6；两块端板7分别位于电堆模块I的两端，两块端板7的内侧分别通过橡胶垫8相应与两块集流金属板9相贴合，两块集流金属板9之间贴合两组单电池单元，所述单电池单元由石墨双极板10与自增湿膜电极11贴合组成；如图1、4所示，所述微循环冷却器II包括冷凝管15、埋设在石墨双极板10中的微通道12组成及具有单向导通功能的出、入口微止回阀13、14，冷凝管15两端通过出、入口微止回阀13、14与微通道12连通，冷凝管15上设有散热金属翅片19，并连接有冷却工质储液罐16。
所述石墨双极板10采用阴极面贯通式结构双极板；如图3所示，所述自增湿膜电极11包括质子交换膜4、自增湿层3、电催化层2，质子交换膜4的一侧依次贴合自增湿层3、电催化层2，并外覆碳纸1，质子交换膜4的另一侧贴合电催化层2，并外覆碳纸1。
将Nafion117型质子交换膜4(美国杜邦公司产品)依次放入浓度为3～5wt％双氧水、去离子水、0.5～1M硫酸、去离子水中处理0.5～1小时，温度均为80℃，然后存放于去离子水中备用。将碳纸浸泡在浓度为5wt％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中30分钟，然后取出，烘干，放入马弗炉内，在340℃焙烧30分钟，取出冷却后，在其一侧表面均匀涂上一层由碳黑与聚四氟乙烯乳液的混合物(重量比5∶1)，使其表面平整，晾干后在马弗炉内于340℃焙烧30分钟，即制得具有一定疏水性有利于气体扩散的碳纸1。将Pt/C催化剂与PTFE乳液的混合物(重量比4∶1)经超声波分散后均匀地涂抹在碳纸上，形成电极催化层2，烘干后即得道疏水性的电极。在质子交换膜4的一侧喷涂上一层由Nafion溶液(美国杜邦公司产品)与Pt/C催化剂的混合物(重量比7∶1)，构成自增湿层3，再与制备好的疏水性电极热压成三合一自增湿膜电极11，压力为1MP、温度为125℃，时间为2分钟，铂的担载量为0.5mg/cm2，其中有自增湿层3的一侧为阳极。这样在三合一的自增湿膜电极11中形成了由疏水性通道和气体通道相贯通的畅通通道，从而使电堆能保持一个良好、稳定的工作状态。
如图1、4所示，所述微循环冷却器II包括冷凝管15、埋设在石墨双极板10中的微通道12组成及具有单向导通功能的出、入口微止回阀13、14，冷凝管15两端通过出、入口微止回阀13、14与微通道12连通，冷凝管15上设有散热金属翅片19，并连接有冷却工质储液罐16。微通道12与石墨双极板11用模压方式集于一体，微通道12由多组微型槽道平行布列构成，多组微型槽道采用相互并联，微通道12的管道采用管径为2mm～3mm的蛇行紫铜毛细管，微止回阀直径约为10mm，厚度约为2mm，采用不锈钢材料制成，冷凝管15采用内径为3cm的不锈钢管，起始时，微通道12中采用的冷却工质20为甲醇和四氯化碳(体积比1∶4)的共沸物，共沸点约为55.7℃。当燃料电池正常工作时，与石墨双极板10贴合的自增湿膜电极11产生的热量使微通道12中的冷却工质21在高密度热流下受热，处于欠热状态(其本体温度低于对应压力下的饱和温度)，即开始沸腾过程。由于沸腾吸热，产生大量气泡，大大增大了出口微止回阀13和入口微止回阀14之间的压力，增大的压力将出口微止回阀13打开，冷却工质开始通过管路向冷凝管15及散热金属翅片19排放，气态工质经冷凝管15、散热金属翅片19的散热冷却后冷凝为液态工质流回到冷却工质储液罐16，另一方面，当气泡在冷凝管15运动时，发生欠热冷凝现象，由于冷凝，系统的压力下降并低到大气压力以下，从而使出口的微止回阀13关闭，入口微止回阀14打开，冷却工质储液罐16内的新鲜液态工质又被吸收到微通道12中，重新进入下一个新的循环过程，不断地带走石墨双极板11上产生的热量。本自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的工作温度为60℃，比功率为0.35W/cm2。
实施例二
本自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统的结构与实施例一基本相同，但电堆模块I为2个，两个电堆模块I采用平行排列方式，电堆模块I之间用硬度较大的聚酯塑料板或通用热熔胶18密封，每个石墨双极板10中都开有大量的空气流道17，每两个空气流道之间的距离为10mm～15mm，这些空气流道17既可以提供氧化剂氧气，又可以带走部分废热；石墨双极板10的内腔中带有微通道12，电池运行中产生的热量大部分由微通道12中的冷却工质20循环带出，微通道12的管道采用蛇行软塑料毛细管，蛇行软塑料毛细管之间采用平行排列，电堆模块I的工作温度为85℃，比功率为0.45W/cm2。
如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (8)

1、自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：由电堆模块、微通道循环冷却器相连接组成，且所述电堆模块与微通道循环冷却器是一体化设置：所述电堆模块由端板、集流金属板、单电池单元相互连接而成，所述端板开有燃料的进、出口；两块端板分别位于电堆模块的两端，两块端板的内侧分别通过橡胶垫相应与两块集流金属板相贴合，两块集流金属板之间贴合一组或多组单电池单元，所述单电池单元由石墨双极板与自增湿膜电极贴合组成；所述微循环冷却器包括冷凝管、埋设在石墨双极板中的微通道以及出、入口微止回阀，冷凝管两端通过出、入口微止回阀与微通道连通。
2、根据权利要求1所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述电堆模块可以为多个，各电堆模块采用平行排列，各电堆模块之间采用聚酯塑料板或热熔胶密封。
3、根据权利要求1所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述石墨双极板采用阴极蛇行结构双极板。
4、根据权利要求1所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述自增湿膜电极包括质子交换膜、自增湿层、电催化层，质子交换膜的一侧依次贴合自增湿层、电催化层，并外覆碳纸，质子交换膜的另一侧贴合自增湿层，并外覆碳纸。
5、根据权利要求1所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述自增湿层是由浓度为5％～10％的萘氟溶液和Pt/C催化剂按重量比20∶1～10∶3混合成的涂层；所述电极催化层是由Pt/C催化剂和浓度约为5％～10％的聚四氟乙烯乳液按重量比10∶1～2∶1混合成的涂层。
6、根据权利要求1所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述冷凝管为导热金属管或塑料管。
7、根据权利要求1或6所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：冷凝管上设有散热金属翅片。
8、根据权利要求1、6、7中任一项所述自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：冷凝管上连接有冷却工质储液罐。
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