CN101312246A - 一种燃料电池的高效散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池的高效散热方法，该方法是在燃料电池散热器上方和/或前方设置多个冷却水喷头，将这些冷却水喷头连接到高压水泵上，并在散热器上设置温度传感器，当散热器温度达到或超过燃料电池运行温度时，高压水泵将水压入冷却水喷头雾化，喷洒到散热器的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。与现有技术相比，本发明具有散热效果好，可以减少散热器面积，占用面积小，工艺简单，安装方便，同时综合利用燃料电池生成水，有效利用资源，降低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助设备，尤其涉及一种燃料电池的高效散热方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却水(如水)的进出口与导流通道，将冷却水均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却水的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池一般用氢气或含富态氢或醇类作燃料。在用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时一般用空气作氧化剂。
质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时，必须包括电池堆，燃料供应，空气供应，冷却散热，自动控制及电能输出各个部分。其中空气供应是必不可少。质子交换膜燃料电池中的电化学反应随着燃料、氧化剂空气的压力提高而加快。
目前内燃机汽车散热器设于车头正前方，利用高速行车时强大的空气正压，迎风散热较快。但是燃料电池发动机的工作温度太低，与环境的温差太小，普通散热器散热面积太小，大量的热散不掉，从而导致燃料电池发动机烧坏。
当燃料电池功率较大时，一般通过设置多个散热器，增加散热总面积来达到散热效果，但是多个散热器占用面积大，特别是对于车用燃料电池，一般空间限制较大，多个散热器难易安置，而且成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种散热效果好、设备简单、占用空间小的燃料电池的高效散热方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，该方法是在燃料电池散热器上方和/或前方设置多个冷却水喷头，将这些冷却水喷头连接到高压水泵上，并在散热器上设置温度传感器，当散热器温度达到或超过燃料电池运行温度时，高压水泵将水压入冷却水喷头雾化，喷洒到散热器的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。
所述的冷却水喷头设置2～10个，分别位于散热器上方和/或分散于前方。
所述的高压水泵与水箱连接，该水箱连接到燃料电池堆排出口的水气分离器上，其位置低于水气分离器。
所述的压入冷却水喷头的水为燃料电池生成水。
所述的水箱上设有溢流管，该溢流管位置低于水气分离器的水位警戒线，所述的燃料电池的生成水经水气分离器分离后流入水箱，通过高压水泵将该水箱中的水压入冷却水喷头。
所述的温度传感器连接到冷却水喷头与高压水泵间的管路上的电磁阀上，该电磁阀的通断通过温度传感器控制，当温度传感器感应到散热器温度高于燃料电池运行温度时，电磁阀打开，同时启动高压水泵工作，当温度传感器感应到散热器温度低于燃料电池运行温度时，电磁阀关闭，同时关闭水泵。
所述的燃料电池的运行温度为50～80℃。
与现有技术相比，本发明将燃料电池生成水喷洒到散热器的散热翅片上，通过水气化带走大量的热，散热效果好，可以减少散热器面积，占用面积小，工艺简单，安装方便，同时综合利用燃料电池生成水，有效利用资源，降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
附图所示：60KW质子交换膜燃料电池堆1、冷却水喷头2、散热器3、氢气供应瓶4、氢气增湿器5、空气泵6、空气增湿器7、水气分离器8、水箱9、冷却循环泵10、温度传感器11、电磁阀12、溢流管13，水箱14、高压水泵15
实施例1
如图1所示，一种60KW的燃料电池，该燃料电池包括氢气循环回路，冷却水循环回路，空气回路；氢气从氢气供应瓶4经氢气增湿器5流入燃料电池堆1，从燃料电池堆1出来后，经水气分离器8流回氢气增湿器5入口；冷却水从水箱9通过冷却循环泵10，散热器3进入燃料电池堆1，冷却水从燃料电池堆1流出后回到水箱10中；空气从空气泵6经空气增湿器7进入燃料电池堆1，在燃料电池的空气出口设置一水气分离器8，在该水气分离器下方设置一水箱14，将空气从燃料电池堆中带出的生成水收集到水箱14中，水箱14的位置低于水气分离器8，燃料电池生成水可以自然流入水箱14中，在该水箱14上方设置有溢流管13，该溢流管13的位置低于水气分离器8的水位警戒线，当空气带出的燃料电池生成水过多时，就会从水箱14上方的溢流管流出；燃料电池的散热器3前方设置5个冷却水喷头2，水箱14通过高压水泵15与冷却水喷头2相连，并在散热器3上设置温度传感器11，将该温度传感器11连接到冷却水喷头2与高压水泵15间的管路上的电磁阀12上，该电磁阀12的通断通过温度传感器11控制，当温度传感器11感应到散热器3温度高于燃料电池运行温度60℃时，电磁阀12打开，启动高压水泵15将水箱14中的水压入冷却水喷头2雾化，喷洒到散热器3的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。当温度传感器感应到散热器温度低于燃料电池运行温度时，电磁阀关闭。
实施例2
参见图1，一种60KW的燃料电池的高效散热方法，该方法是在燃料电池散热器上方和前方设置10冷却水喷头，将这些冷却水喷头连接到高压水泵上，并在散热器上设置温度传感器，当散热器温度达到或超过50℃时，高压水泵将水压入冷却水喷头，喷洒到散热器的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。
实施例3
参见图1，一种60KW的燃料电池的高效散热方法，该方法是在燃料电池散热器上方或前方设置2冷却水喷头，将这些冷却水喷头连接到高压水泵上，并在散热器上设置温度传感器，当散热器温度达到或超过80℃时，高压水泵将水压入冷却水喷头，喷洒到散热器的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。
Claims (7)
1.一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，该方法是在燃料电池散热器上方和/或前方设置多个冷却水喷头，将这些冷却水喷头连接到高压水泵上，并在散热器上设置温度传感器，当散热器温度达到或超过燃料电池运行温度时，高压水泵将水压入冷却水喷头雾化，喷洒到散热器的散热翅片上，该散热翅片上的水气化带走大量的热。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的冷却水喷头设置2～10个，分别位于散热器上方和/或分散于前方。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的高压水泵与水箱连接，该水箱连接到燃料电池堆排出口的水气分离器上，其位置低于水气分离器。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的压入冷却水喷头的水为燃料电池生成水。
5.根据权利要求3或4所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的水箱上设有溢流管，该溢流管位置低于水气分离器的水位警戒线，所述的燃料电池的生成水经水气分离器分离后流入水箱，通过高压水泵将该水箱中的水压入冷却水喷头。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的温度传感器连接到冷却水喷头与高压水泵间的管路上的电磁阀上，该电磁阀的通断通过温度传感器控制，当温度传感器感应到散热器温度高于燃料电池运行温度时，电磁阀打开，同时启动高压水泵工作，当温度传感器感应到散热器温度低于燃料电池运行温度时，电磁阀关闭，同时关闭水泵。
7.根据权利要求1或6所述的一种燃料电池的高效散热方法，其特征在于，所述的燃料电池的运行温度为50～80℃。
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| CN108711634A (zh) * | 2018-06-07 | 2018-10-26 | 安徽和义新能源汽车充电设备有限公司 | 一种具有高效散热的燃料电池外壳 |
| CN111525153A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-11 | 杭州祥博传热科技股份有限公司 | 一种用于氢能源汽车的电堆散热系统及其方法 |
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2007
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