CN110581292A - 一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法 - Google Patents

一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法，所述冷却器间隔设置于燃料电池堆的电池单元之间，冷却器包括不锈钢基体，不锈钢基体的内部设置有多条贯通的平行流道，平行流道均匀间隔分布，平行流道的内表面涂覆一层催化剂涂层，催化剂涂层的厚度为1～10μm，催化剂涂层包围区域为气体流道。在气体流道的入口以一定速度向高温的冷却器内通入一定温度的反应气体，反应气体经扩散作用进入催化剂涂层，在催化剂的作用下分解吸热，使得不锈钢基体快速降温；经热传导、热辐射，快速给超温的燃料电池降温。本发明提供的冷却器基于化学反应吸热原理，实现燃料电池堆快速降温和温度均衡，而且便于电池堆模块化集成。

Description

一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法。
背景技术
燃料电池是一种能够将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学发电装置。将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池堆可实现更高电压和更大功率输出。燃料电池在正常工作条件下的电效率大约为50％，这意味着参与电化学反应的燃料中大约一半的化学能最终将以废热的形式排出。余热导致燃料电池堆温度升高以及电池堆内存在不均匀的温度分布，严重时会导致电池堆部件发生形变和断裂，甚至电池堆整体失效。
根据电池堆所用的电解质类型，将其分为以下几种：碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。其中，MCFC和SOFC属于高温固体燃料电池(工作温度在500℃以上)，相比其他类型燃料电池，具有更高的实际输出效率。
燃料电池堆热管理技术是限制燃料电池商业化的关键技术之一。目前，针对MCFC电堆的热管理方法主要是改变入口燃料气体的温度和速度。但是，这种调节方法响应时间长，每降温10K需要2min，并且，由于调节过程中调整了燃料供给量，电池堆输出性能会有波动。针对SOFC电堆的热管理方法主要是在电池阴极气体通道通入过量的空气，以空气带走电池产生的余热。然而，由于空气的比热容较小，这种方法降温效果有限。中国专利申请CN108428911A提出了一种采用氨气作为工质，利用氨气在Ni催化剂作用下裂解吸热，实现SOFC电堆热管理的方法。然而，该方法中发挥催化作用的催化剂涂层仅设置于电池堆表面，因此，该方法吸热能力有限，而且当电池堆较大时，电池堆表面和电池堆内部会存在较大温度梯度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高温燃料电池堆的冷却器及热管理方法，通过在燃料电池堆中设置冷却器，利用化学反应吸热原理，实现燃料电池堆快速降温和温度均衡。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于高温燃料电池堆的冷却器，所述冷却器间隔设置于燃料电池堆的电池单元之间，所述冷却器包括不锈钢基体，所述不锈钢基体的内部设置有多条贯通的平行流道，所述平行流道均匀间隔分布，所述平行流道的内表面涂覆一层催化剂涂层，所述催化剂涂层的厚度为1～10μm，催化剂涂层包围区域为气体流道。
优选的，所述不锈钢基体为圆柱形或平板型。
优选的，所述平行流道的截面为圆形或方形。
优选的，所述催化剂的活性组分选自Ni，Pt，Ir，Pd，Ru，Rh中的一种或多种。
本发明还提供一种基于上述用于高温燃料电池堆的冷却器进行燃料电池堆热管理的方法，包括以下步骤：
在需降温的燃料电池堆的电池单元之间分别加装冷却器；
在气体流道的入口以一定速度向高温的冷却器内通入一定温度的反应气体，反应气体经扩散作用进入催化剂涂层，在催化剂的作用下分解吸热，使得不锈钢基体快速降温；
低温的冷却器与高温燃料电池堆的电池单元经热传导、热辐射，又快速给超温的燃料电池降温，使得燃料电池温度恢复工作值；
分解反应生成的气体扩散到气体流道中，随气流排出冷却器。
优选的，所述反应气体选自氨气、丙烷和水蒸气的混合气、甲烷和水蒸气混合气中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的冷却器基于化学反应吸热原理，吸热量大，降温响应时间短，降温速度快。
(2)由于化学反应速度与温度正相关，当被冷却装置温度不均时，高温处化学反应强烈，吸热量大；低温处化学反应较弱，吸热量少，因此，本冷却器也可以改善燃料电池堆内部温度分布的不均匀性。
(3)本发明提供的冷却器便于燃料电池堆模块化设计，可满足不同类型、不同尺寸、不同功率燃料电池堆散热需求，且便于燃料电池堆的集成安装。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种用于高温燃料电池堆的冷却器的结构示意图；
图2是图1中A处放大图；
图3是该冷却器应用于燃料电池堆时的装配示意图；
图1-3中，1-不锈钢基体，2-平行流道，3-催化剂涂层，4-气体流道，5-电池单元，6-冷却器；
图4是本发明实施例1通入氨气应用在SOFC时相比空气降温方法的性能对比图；
图5是当高温装置温度不均时通入氨气相比空气降温方法的效果对比图；
图6是本发明实施例2通入丙烷应用在MCFC时相比调节入口参数法的性能对比图；
图7是本发明实施例3的一种用于高温燃料电池堆的冷却器的结构示意图；
图8是本发明实施例4的一种用于高温燃料电池堆的冷却器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种用于高温燃料电池堆的冷却器，结构如图1、图2所示，所述冷却器6包括平板型不锈钢基体1，所述不锈钢基体1的内部设置有多条贯通的平行流道2，所述平行流道2均匀间隔分布，所述平行流道2的截面为0.3*0.5mm的长方形，所述平行流道2的内表面涂覆一层催化剂涂层3，所述催化剂的活性组分为Ru，涂层的厚度为6μm，催化剂涂层3包围区域为气体流道4。
在需降温的上下多层固体氧化物燃料电池堆的电池单元之间分别加装上述冷却器，如图3所示。设定初始时刻，冷却器6温度为773K，与相邻的燃料电池单元5处于动态热平衡；启动冷却器6，在气体流道4的入口以2.5m/s的速度向气流流道4内通入温度773K、浓度100％的氨气。氨气经扩散作用进入催化剂涂层3，在催化剂Ru的作用下氨气开始分解。每摩尔氨气分解吸收103.2KJ热量，利用氨气分解过程的吸热效应，使得不锈钢基体1快速降温。独立的冷却器6稳定后可降温至730K，降温幅度达43K。降温后的冷却器6与高温燃料电池每层电池单元5产生温差，经热传导使得超温的燃料电池温度迅速恢复工作值。分解反应产生氢气和氮气，扩散到气体流道4中，随气流排出冷却器6。
与采用阴极通入温度723K过量空气的降温方式比较，采用本冷却器，SOFC电堆的降温时间可缩短200s，降温幅度可增大20K，如图4所示。
设定初始时刻，冷却器6的入口温度723K，出口温度823K，冷却器6内温度呈线性分布，对比采用空气与采用氨气降温过程中冷却器6内温度分布，如图5所示。经过5s后，采用空气的冷却器入口温度为723K，出口温度756.4632K，首尾之间温度差-33.4632K；而采用本装置的入口温度为723K，出口温度713.87K，首尾之间温度差为9.13K。以上结果表明，本冷却器即可实现快速降温，同时还具备均衡电池堆内温度分布的能力。
实施例2
本实施例采用的冷却器的结构同实施例1，不同的是本实施例中的冷却器催化剂的活性组分为Pt，涂层厚度为8μm。
在需降温的上下多层熔融碳酸盐燃料电池堆的电池单元之间分别加装上述冷却器6，如图3。设定初始时刻，冷却器6温度为900K，与相邻的燃料电池5处于动态热平衡；启动冷却器6，在气体流道4的入口以2.5m/s的速度向气流流道4内通入温度890K、摩尔比1:10的丙烷和水蒸气。混合气体经扩散作用进入催化剂涂层3，在催化剂Pt的作用下，开始反应吸热。每摩尔丙烷对应吸热量83.14KJ，利用该反应的吸热效应，使得不锈钢基体1快速降温。独立的冷却器稳定后可降温至867K，降温幅度达23K。降温后的冷却器与高温燃料电池堆的电池单元5产生温差，经热传导使得超温的燃料电池温度迅速恢复工作值。分解反应产生二氧化碳和氢气，扩散到气体流道4中，随气流排出冷却器6。
与采用调整入口气体速度的降温方法比较，采用本冷却器，MCFC电堆的降温时间缩短76s，降温过程不出现波动，如图6所示。
实施例3
一种用于高温燃料电池堆的冷却器，结构如图7所示，所述冷却器6包括平板型不锈钢基体1，所述不锈钢基体1的内部设置有多条贯通的平行流道2，所述平行流道2均匀间隔分布，所述平行流道2的截面为直径0.5mm的圆形，所述平行流道2的内表面涂覆一层催化剂涂层3，所述催化剂的活性组分为Ni，涂层厚度为10μm，催化剂涂层3包围区域为气体流道4。
用于固体氧化物燃料电池堆或熔融碳酸盐燃料电池堆的高温冷却时，通入反应气体为氨气。
实施例4
一种用于高温燃料电池堆的冷却器，结构如图8所示，所述冷却器6包括圆柱形不锈钢基体1，所述不锈钢基体1的内部设置有多条贯通的平行流道2，所述平行流道2均匀间隔分布，所述平行流道2的截面为直径0.5mm的圆形，所述平行流道2的内表面涂覆一层催化剂涂层3，所述催化剂的活性组分为Rh，涂层的厚度为4μm，催化剂涂层3包围区域为气体流道4。
用于固体氧化物燃料电池堆或熔融碳酸盐燃料电池堆的高温冷却时，通入反应气体为摩尔比1:3的甲烷和水蒸气。

Claims (6)

1.一种用于高温燃料电池堆的冷却器，其特征在于，所述冷却器(6)间隔设置于燃料电池堆的电池单元(5)之间，所述冷却器(6)包括不锈钢基体(1)，所述不锈钢基体(1)的内部设置有多条贯通的平行流道(2)，所述平行流道(2)均匀间隔分布，所述平行流道(2)的内表面涂覆一层催化剂涂层(3)，所述催化剂涂层(3)的厚度为1～10μm，催化剂涂层(3)包围区域为气体流道(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温燃料电池堆的冷却器，其特征在于，所述不锈钢基体(1)为圆柱形或平板型。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温燃料电池堆的冷却器，其特征在于，所述平行流道(2)的截面为圆形或方形。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温燃料电池堆的冷却器，其特征在于，所述催化剂的活性组分选自Ni，Pt，Ir，Pd，Ru，Rh中的一种或多种。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的用于高温燃料电池堆的冷却器的热管理方法，其特征在于，
在需降温的燃料电池堆的电池单元(5)之间分别加装冷却器(6)；
在气体流道(4)的入口以一定速度向高温的冷却器(6)内通入一定温度的反应气体，反应气体经扩散作用进入催化剂涂层(3)，在催化剂的作用下分解吸热，使得不锈钢基体(1)快速降温；
低温的冷却器(6)与高温燃料电池堆的电池单元(5)经热传导、热辐射，又快速给超温的燃料电池降温，使得燃料电池温度恢复工作值；
分解反应生成的气体扩散到气体流道(4)中，随气流排出冷却器(6)。
6.根据权利要求5所述的热管理方法，其特征在于，所述反应气体选自氨气、丙烷和水蒸气的混合气、甲烷和水蒸气混合气中的一种。
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