專利名稱：質子交換膜燃料電池的蒸發(fā)排熱方法及燃料電池組的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術，特別提供了一種質子交換膜燃料電池的蒸發(fā)排熱方法，及采用蒸發(fā)排熱方式的燃料電池組。
文獻1USP.4,826,741、文獻2USP.4,826,742所介紹的質子交換膜燃料電池的排熱為目前國際上通常采用的排熱方法。主要有三種一為冷卻劑循環(huán)通過電池組排熱通道而排熱；二為電池內置親水多孔貯水元件使水向反應氣中蒸發(fā)的排熱方法；三是空氣通過各單電池間排熱流道或空氣通過電池周邊翅片的排熱方法。上述第一種方法為以動力驅動使冷卻劑在各單電池的排熱孔道內流動而將電池熱量排出的方法。第二種方法系在電池組裝中將三合一電極與雙極板間插入一片可導電的透液板與一片多孔透氣疏水板。當電池運行時，透液板中充滿水。反應氣體在電池溫度升高時，可由來自透液板而通過多孔透氣疏水板的水蒸汽所飽和。該飽和蒸汽被送至放熱翅片上進行冷凝。冷凝水重新由泵循環(huán)返回電池組內。第三種方法系在電池組內加一片導熱翅片，電池內熱量由空氣從電池內通道引導至電池組外圍以排熱。
本發(fā)明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池的蒸發(fā)排熱方法及采用該方法的燃料電池組，其結構簡單，運行穩(wěn)定，且能耗低。
本發(fā)明提供了一種質子交換膜燃料電池組的蒸發(fā)排熱方法，其特征在于采用蒸發(fā)冷卻自循環(huán)的方法，即外加冷卻劑在電池組的排熱板中吸收熱量，從上部蒸發(fā)到電池組體外的導管或容器，與環(huán)境進行熱交換并冷凝，再借助其自身重力實現冷卻劑的回輸。其中，本發(fā)明所述冷卻劑為水、有機溶劑、液態(tài)共沸混合物，沸點范圍在30～120℃之間。
本發(fā)明還提供了上述采用蒸發(fā)排熱方式的質子交換膜燃料電池組，由極板、電極和質子交換膜構成的單電池組裝而成，其特征在于在電池組的單電池間夾有排熱板，排熱板上設置冷卻劑貯室及進出口，冷卻劑進出口通過內管道與外管道或冷卻劑容器相連。
具體地說本發(fā)明具有如下特點1.采用外加冷卻劑蒸發(fā)而不使用水飽和反應氣蒸發(fā)的方法來進行排熱，無需泵或其它動力驅動，只要冷卻劑進行蒸發(fā)即可實現排熱，冷卻劑的循環(huán)靠重力實現，大大減少了質子交換膜燃料電池的輔助設備，并減少了電池系統(tǒng)的外用功耗。
2.當電池組為大功率機組時，可采用容器來收集并儲存由電池組中排放出的冷卻劑蒸汽，使之迅速冷凝，以補充用于電池組內蒸發(fā)排熱的冷卻劑。該容器的容積可根據電池組的功率大小與排熱要求而加以調整。該容器可與電池組裝為一體，亦可分體組裝。當電池組為小功率機組時，可以省卻容器，直接采用蒸汽冷凝管的方式，即讓蒸汽在冷凝管中通過環(huán)境排放熱量而冷凝，再返回電池組內，以實現冷卻劑的循環(huán)蒸發(fā)排熱。
3.采用水、有機溶劑或液態(tài)共沸混合物來作為循環(huán)蒸發(fā)排熱用的冷卻劑，無需人工調節(jié)即可使電池組在冷卻劑的沸點溫度穩(wěn)定運行。并可根據電池組工作的最佳溫度以及電池組工作的具體要求而選取最佳的冷卻劑。
4.將電池組的內增濕、排熱板與電池組的工作部分以其最小溫差的布局進行組裝，使電池組可以在最適宜的溫度下進行工作。
同現有技術相比本發(fā)明的區(qū)別在于1.同文獻1、2中的冷卻劑循環(huán)排熱法相比，本發(fā)明無需以泵作為冷卻劑的動力驅動裝置。電池溫度不需人工控制調節(jié)，電池組內各單電池溫度趨向均一穩(wěn)定，可長期穩(wěn)定在冷卻劑的沸點上下。
2.與文獻1、2的電池內置親水多孔貯水元件使水向反應氣中蒸發(fā)的排熱法相比，本發(fā)明將電極內反應氣與排熱系統(tǒng)分隔開來，省卻了組裝在電極內的可導電透液板與多孔透氣疏水板，使電池內結構簡單，電池組裝工藝得以簡化。采用文獻1介紹的電極內氣體循環(huán)蒸發(fā)排熱方式，由于受壓力的影響，飽和水蒸汽溫度明顯高于100℃，使電池無法穩(wěn)定在最佳工作溫度范圍。而本發(fā)明由于同電池內反應氣分隔，可以采用沸點低于水沸點的冷卻劑，使電池得以在適宜的溫度下工作，且減少了電池的內阻，提高了電池的運行性能。由冷卻劑的沸點可穩(wěn)定控制電池溫度，使電池無需人工調節(jié)溫度，而文獻1的電極內氣體循環(huán)蒸發(fā)排熱方式卻要不斷排放蒸汽來控制調節(jié)電池溫度。
3.與文獻1、2所提出的導熱周邊排熱相比，本發(fā)明可以適應功率大小不同的電池組用以排熱，而文獻1的周邊導熱排熱方式卻無法有效排除大功率電池組的熱量，致使電池工作溫度無法穩(wěn)定，影響電池工作性能。
總之，1.本發(fā)明可以有效地將電池工作溫度控制在最佳點。當電池組內每個或相隔一個單電池間均置有排熱板時，可以將電池工作溫度精確地控制在溫差小于±3℃。
2.本發(fā)明簡化了電池組的排熱裝置，不但有利于大功率電池組的穩(wěn)定溫度運行，而且對于便攜式質子交換膜燃料電池來說，其排熱裝置簡單可靠，更加適應了可移動電源的要求。
3.由于本發(fā)明實現了冷卻劑的無泵或無動力源循環(huán)，消除了用于排熱的外用功耗，提高了電池組的凈輸出功率。
4.本發(fā)明的蒸發(fā)排熱系統(tǒng)使電池組可方便地選擇最佳運行溫度，大大便利了質子交換膜燃料電池在一般或特殊場合的應用。
下面結合附圖通過實施例詳述本發(fā)明。
附
圖1為帶外冷卻劑容器的燃料電池組結構示意圖。
附圖2為不帶外冷卻劑容器的燃料電池組結構示意圖。
附圖3為排熱板結構示意圖。
附圖4為排熱板結構A-A剖示圖。
實施例1采用8個自制的三合一電極組裝成質子交換膜燃料電池組。該電池組穩(wěn)定運行時，其功率為200W。該電池組的內增濕段、工作部分的排熱板布局示于圖1。其中1為端板，2為內增濕段，3為單電池，4為排熱板，5為冷卻劑容器，容積為1L，6為電池電流輸出端?？梢?，兩塊排熱板裝置于電池組中間兩個單電池的兩側。
采用純水作冷卻劑，沸點為100℃。
冷卻劑外循環(huán)蒸發(fā)冷卻排熱由以下幾部分組成冷卻劑容器6，容器中液位位置應高于電池組中三合一電極組合的上表面。冷卻劑道過上下導管7進出電池排熱板4，導管7處應為絕緣體，排熱板4的結構示于圖3。其中排熱板中部為冷卻劑貯室405，用以存儲必需的冷卻劑，所以該腔應有足夠的容積。貯室405中均布導電流的支撐點404，排熱板的四個角為氧化劑與燃料氣進出通道孔401、403、407、409。排熱板上下邊中部設置冷卻劑進出孔道402、408。
電池組以額定功率200W運行時，排熱板冷卻劑貯室405中的冷卻劑逐漸被加熱到冷卻劑的沸點溫度，隨即蒸發(fā)通過導管7回到容器6中冷凝。冷凝后的冷卻劑再通過導管7返回排熱板4，進入冷卻劑貯室405以補充被蒸發(fā)掉的冷卻劑，從而實現下述循環(huán)
該循環(huán)的實現使電池組始終保持在水沸點溫度，無需人工調整，電池組內各單池間溫度范圍在100～105℃。
實施例2采用4個單電池組裝的質子交換膜燃料電池組。該電池穩(wěn)定運行時，功率為100W。電池組蒸發(fā)排熱結構示于圖2。一塊排熱板夾于4個單電池3中部。
所采用的冷卻劑為摩爾分率為0.072的乙醇同摩爾分率為0.928的純水混合物作外循環(huán)蒸發(fā)排熱用的冷卻劑，其沸點89℃。本實施例所用的排熱板結構同圖3所示。
不同于實施例1的是，本實施例2中未使用容器，而只以電池外部冷卻劑導管7來儲存并冷凝冷卻劑。當電池組功率較小時，所產生的熱量傳遞到冷卻劑并使其蒸發(fā)后，蒸汽可借助外導管7與環(huán)境換熱，從而使蒸汽冷凝并回流到電池組內的排熱通道中，以補充蒸發(fā)掉的冷卻液。
實驗結果當電池組滿負荷運行(100W)時，電池溫度保持在90～95℃，性能穩(wěn)定，排熱效果良好。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池組的蒸發(fā)排熱方法，其特征在于采用蒸發(fā)冷卻自循環(huán)的方法，即外加冷卻劑在電池組的排熱板中吸收熱量，從上部蒸發(fā)到電池組體外的導管或容器，與環(huán)境進行熱交換并冷凝，再借助其自身重力實現冷卻劑的回輸。
2.按權利要求1所述質子交換膜燃料電池組與蒸發(fā)排熱方法，其特征在于冷卻劑為水、有機溶劑、液態(tài)共沸混合物，沸點范圍在30～120℃之間。
3.一種采用蒸發(fā)排熱方式的質子交換膜燃料電池組，由極板、電極和質子交換膜構成的單電池組裝而成，其特征在于在電池組的單電池間夾有排熱板，排熱板上設置冷卻劑貯室及進出口，冷卻劑進出口通過內管道與外管道或冷卻劑容器相連。
4.按權利要求1所述燃料電池組，其特征在于所述排熱板設有冷卻劑貯室，貯室中有導電支撐點，下部設冷卻劑進入孔道，上部設冷卻劑排出孔道，排熱板的四個角分別設置氣體的進出通道口。
全文摘要
一種質子交換膜燃料電池組的蒸發(fā)排熱方法,其特征在于:采用蒸發(fā)冷卻自循環(huán)的方法,即外加冷卻劑在電池組的排熱板中吸收熱量,從上部蒸發(fā)到電池組的體外,依靠與空氣或循環(huán)水的熱交換冷卻,再借助其自身重力實現冷卻劑的回輸。本發(fā)明結構簡單,運行穩(wěn)定,且能耗低。
文檔編號H01M2/00GK1242611SQ9811417
公開日2000年1月26日 申請日期1998年7月22日 優(yōu)先權日1998年7月22日
發(fā)明者張恩浚, 衣寶廉, 韓明, 曲天錫, 張海峰 申請人:中國科學院大連化學物理研究所