專利名稱：一種燃料電池的高效散熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的輔助設(shè)備，尤其涉及一種燃料電池的高效散熱方法。
技術(shù)背景電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly,簡(jiǎn)稱 MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的 材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué) 反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并 在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移 穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化 劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在 催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子 與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子 交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外， 質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合 而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移 過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交 換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)H2 — 2H+ + 2e3陰極反應(yīng)l/202 + 2H+ + 2e—H20在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —般均放在兩塊導(dǎo)電的 極板中間，每塊導(dǎo)膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻， 形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)膜電極板可以是金屬材料的極板，也可以 是石墨材料的極板。這些導(dǎo)膜電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化 劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu) 造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化 劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支 撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并 作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通 ?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串 聯(lián)式的電池組中， 一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜 電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種 極板叫做雙極板。 一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。 電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。一個(gè)典型電池組通常包括(l)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體) 和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中； (2)冷卻水(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻水均勻分布到各個(gè)電池組 內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池 組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體 與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將 所有燃料、氧化劑、冷卻水的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端 板上。質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可作手 提式、移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池一般用氫氣或含富態(tài)氫或醇類作燃料。在用作車、船 動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式、固定式發(fā)電站時(shí)一般用空氣作氧化劑。質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式、固定式發(fā)電站時(shí)，必 須包括電池堆，燃料供應(yīng)，空氣供應(yīng)，冷卻散熱，自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部 分。其中空氣供應(yīng)是必不可少。質(zhì)子交換膜燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)隨著燃料、 氧化劑空氣的壓力提高而加快。
目前內(nèi)燃機(jī)汽車散熱器設(shè)于車頭正前方，利用高速行車時(shí)強(qiáng)大的空氣正 壓，迎風(fēng)散熱較快。但是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度太低，與環(huán)境的溫差太小， 普通散熱器散熱面積太小，大量的熱散不掉，從而導(dǎo)致燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燒壞。
當(dāng)燃料電池功率較大時(shí)， 一般通過設(shè)置多個(gè)散熱器，增加散熱總面積來達(dá) 到散熱效果，但是多個(gè)散熱器占用面積大，特別是對(duì)于車用燃料電池， 一般空 間限制較大，多個(gè)散熱器難易安置，而且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種散熱效 果好、設(shè)備簡(jiǎn)單、占用空間小的燃料電池的高效散熱方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 一種燃料電池的高效散熱方 法，其特征在于，該方法是在燃料電池散熱器上方和/或前方設(shè)置多個(gè)冷卻水噴 頭，將這些冷卻水噴頭連接到高壓水泵上，并在散熱器上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng) 散熱器溫度達(dá)到或超過燃料電池運(yùn)行溫度時(shí)，高壓水泵將水壓入冷卻水噴頭霧 化，噴灑到散熱器的散熱翅片上，該散熱翅片上的水氣化帶走大量的熱。
所述的冷卻水噴頭設(shè)置2 10個(gè)，分別位于散熱器上方和/或分散于前方。
所述的高壓水泵與水箱連接，該水箱連接到燃料電池堆排出口的水氣分離 器上，其位置低于水氣分離器。
所述的壓入冷卻水噴頭的水為燃料電池生成水。
所述的水箱上設(shè)有溢流管，該溢流管位置低于水氣分離器的水位警戒線， 所述的燃料電池的生成水經(jīng)水氣分離器分離后流入水箱，通過高壓水泵將該水 箱中的水壓入冷卻水噴頭。
所述的溫度傳感器連接到冷卻水噴頭與高壓水泵間的管路上的電磁閥上， 該電磁閥的通斷通過溫度傳感器控制，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到散熱器溫度高于燃 料電池運(yùn)行溫度時(shí)，電磁閥打開，同時(shí)啟動(dòng)高壓水泵工作，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到散熱器溫度低于燃料電池運(yùn)行溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉水泵。
所述的燃料電池的運(yùn)行溫度為50 80°C。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將燃料電池生成水噴灑到散熱器的散熱翅片上， 通過水氣化帶走大量的熱，散熱效果好，可以減少散熱器面積，占用面積小， 工藝簡(jiǎn)單，安裝方便，同時(shí)綜合利用燃料電池生成水，有效利用資源，降低成本。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
附圖所示60KW質(zhì)子交換膜燃料電池堆1、冷卻水噴頭2、散熱器3、氫 氣供應(yīng)瓶4、氫氣增濕器5、空氣泵6、空氣增濕器7、水氣分離器8、水箱9、 冷卻循環(huán)泵10、溫度傳感器11、電磁閥12、溢流管13，水箱14、高壓水泵 15
實(shí)施例1
如圖1所示， 一種60KW的燃料電池，該燃料電池包括氫氣循環(huán)回路，冷 卻水循環(huán)回路，空氣回路；氫氣從氫氣供應(yīng)瓶4經(jīng)氫氣增濕器5流入燃料電池 堆l,從燃料電池堆l出來后，經(jīng)水氣分離器8流回氫氣增濕器5入口；冷卻 水從水箱9通過冷卻循環(huán)泵10，散熱器3進(jìn)入燃料電池堆1，冷卻水從燃料電 池堆1流出后回到水箱10中；空氣從空氣泵6經(jīng)空氣增濕器7進(jìn)入燃料電池 堆1，在燃料電池的空氣出口設(shè)置一水氣分離器8，在該水氣分離器下方設(shè)置 一水箱14，將空氣從燃料電池堆中帶出的生成水收集到水箱14中，水箱14的 位置低于水氣分離器8，燃料電池生成水可以自然流入水箱14中，在該水箱 14上方設(shè)置有溢流管13，該溢流管13的位置低于水氣分離器8的水位警戒線， 當(dāng)空氣帶出的燃料電池生成水過多時(shí)，就會(huì)從水箱14上方的溢流管流出；燃 料電池的散熱器3前方設(shè)置5個(gè)冷卻水噴頭2，水箱14通過高壓水泵15與冷 卻水噴頭2相連，并在散熱器3上設(shè)置溫度傳感器11，將該溫度傳感器ll連接到冷卻水噴頭2與高壓水泵15間的管路上的電磁閥12上，該電磁閥12的 通斷通過溫度傳感器11控制，當(dāng)溫度傳感器11感應(yīng)到散熱器3溫度高于燃料 電池運(yùn)行溫度6(TC時(shí)，電磁閥12打開，啟動(dòng)高壓水泵15將水箱14中的水壓 入冷卻水噴頭2霧化，噴灑到散熱器3的散熱翅片上，該散熱翅片上的水氣化 帶走大量的熱。當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到散熱器溫度低于燃料電池運(yùn)行溫度時(shí)，電 磁閥關(guān)閉。 實(shí)施例2
參見圖l， 一種60KW的燃料電池的高效散熱方法，該方法是在燃料電池 散熱器上方和前方設(shè)置IO冷卻水噴頭，將這些冷卻水噴頭連接到高壓水泵上， 并在散熱器上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)散熱器溫度達(dá)到或超過5(TC時(shí)，高壓水泵將 水壓入冷卻水噴頭，噴灑到散熱器的散熱翅片上，該散熱翅片上的水氣化帶走 大量的熱。
實(shí)施例3
參見圖l, 一種60KW的燃料電池的高效散熱方法，該方法是在燃料電池 散熱器上方或前方設(shè)置2冷卻水噴頭，將這些冷卻水噴頭連接到高壓水泵上， 并在散熱器上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)散熱器溫度達(dá)到或超過8(TC時(shí)，高壓水泵將 水壓入冷卻水噴頭，噴灑到散熱器的散熱翅片上，該散熱翅片上的水氣化帶走 大量的熱。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在于，該方法是在燃料電池散 熱器上方和/或前方設(shè)置多個(gè)冷卻水噴頭，將這些冷卻水噴頭連接到高壓水泵 上，并在散熱器上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)散熱器溫度達(dá)到或超過燃料電池運(yùn)行溫 度時(shí)，高壓水泵將水壓入冷卻水噴頭霧化，噴灑到散熱器的散熱翅片上，該散 熱翅片上的水氣化帶走大量的熱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在于， 所述的冷卻水噴頭設(shè)置2 10個(gè)，分別位于散熱器上方和/或分散于前方。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在于， 所述的高壓水泵與水箱連接，該水箱連接到燃料電池堆排出口的水氣分離器 上，其位置低于水氣分離器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在于， 所述的壓入冷卻水噴頭的水為燃料電池生成水。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在 于，所述的水箱上設(shè)有溢流管，該溢流管位置低于水氣分離器的水位警戒線， 所述的燃料電池的生成水經(jīng)水氣分離器分離后流入水箱，通過高壓水泵將該水 箱中的水壓入冷卻水噴頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在于， 所述的溫度傳感器連接到冷卻水噴頭與高壓水泵間的管路上的電磁閥上，該電 磁閥的通斷通過溫度傳感器控制，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到散熱器溫度高于燃料電 池運(yùn)行溫度時(shí)，電磁閥打開，同時(shí)啟動(dòng)高壓水泵工作，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到散 熱器溫度低于燃料電池運(yùn)行溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉水泵。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種燃料電池的高效散熱方法，其特征在 于，所述的燃料電池的運(yùn)行溫度為50 80°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池的高效散熱方法，該方法是在燃料電池散熱器上方和/或前方設(shè)置多個(gè)冷卻水噴頭，將這些冷卻水噴頭連接到高壓水泵上，并在散熱器上設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)散熱器溫度達(dá)到或超過燃料電池運(yùn)行溫度時(shí)，高壓水泵將水壓入冷卻水噴頭霧化，噴灑到散熱器的散熱翅片上，該散熱翅片上的水氣化帶走大量的熱。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有散熱效果好，可以減少散熱器面積，占用面積小，工藝簡(jiǎn)單，安裝方便，同時(shí)綜合利用燃料電池生成水，有效利用資源，降低成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101312246SQ200710041270
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者付明竹, 波 章, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司