[发明专利]一种高温质子交换膜燃料电池组的冷却方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，具体地说是一种适用于高温质子交换膜燃料电池组的冷却方法及其系统。

背景技术

燃料电池是一种等温的按电化学方式直接将化学能转化为电能的发电装置。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好。由于以上这些突出的优点，近些年来燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府和大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净高效的发电方式。其中高温质子交换膜燃料电池，近来来引起了国际上的普遍关注。

所谓高温质子交换膜燃料电池是指操作温度高于100℃的燃料电池(常规的质子交换膜燃料电池通常操作温度≤80℃)。在该种条件下的电池有如下优点：1)电化动力学反应速率提高，有利于电性能的提高；2)提高了燃料电池废热品质，有利于废热的有效利用，提高系统效率；降低了冷却系统的重量与体积，提高了系统的重量与体积比功率密度；3)水处于汽态，减少了两相流引起的传质极化；流场设计也可以得到大幅度的简化，减少为了保证对水的吹扫高气速引起的阻力降增加。4)有利于CO在阳极的氧化与脱附，提高抗CO能力；从而可以简化重整系统的净化部分。5)高温操作状态下，水含量少，因此可以减少由于低温冷冻状态下水的冰冻引起的电池性能衰减，有利于低温启动。而常规的系统低温停车时为了消除水的影响，需要吹扫，增加了系统的复杂性，且在膜中的液态水也会有部分残存。

目前，高温膜的研究引起了国际上普遍重视，但是，适用于高温操作的质子交换膜燃料电池系统目前还是个空白，由于高温燃料电池中流体的形态和热质传递的特性均区别于常规的燃料电池，所以有必要建立新的燃料电池系统，以适应高温质子交换膜燃料电池的需要。

发明内容

在试验与理论分析的基础上，通过工程计算与设计，本发明的目的在于提供一种传热效率可以大幅度地提高、安全可靠的高温质子交换膜燃料电池组的冷却方法及其系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高温质子交换膜燃料电池组的冷却方法，常压下，将温度为大于90℃小于100℃的水通入质子交换膜燃料电池组的冷却腔，水与电池生成热进行热交换，水汽化取走电池的废热。

其高温质子交换膜燃料电池组、水罐、氢气气源和空压机组成；

氢气气源通过减压阀、氢气回流器与电池组的氢气入口相连，电池组的氢气出口经三通阀分别与大气和氢气回流器相通；

空气经过空气过滤器、空压机、焓轮增湿器与电池组的空气入口相连，电池组的空气出口经焓轮增湿器、膨胀机与大气相通；

水罐通过水泵、预热器与质子交换膜燃料电池组的冷却腔入口相连，冷却腔出口经散热器与水罐相连；

散热器上可耦合有热回收装置；

当系统实际布局允许有位差时，可以采用热虹吸式自循环，实现无动力冷却循环系统。无需水泵，水罐通过预热器与质子交换膜燃料电池组的冷却腔入口相连。通过热虹吸现象，冷却水进入燃料电池的冷却腔与电池进行热交换，水蒸气进入散热器冷凝后回到水箱。

本发明具有如下优点：

1.能耗低。该系统采用水蒸发相变传热冷却方式，以水为冷却介质，利用水相变过程所需的蒸发潜热带走电池的废热，通过调整输出功率与冷却水量的自动耦合，达到蒸发传热的目的。

2.传热效率可以大幅度地提高。由于高温质子交换膜的操作温度高于100℃，本发明的系统冷却回路采用水蒸发冷却方式，以水为冷却介质，利用水相变过程所需的蒸发潜热带走电池的废热，与传统的80℃以下操作的质子交换膜燃料电池比较，水循环的潜热过程比显热传递过程传热效率可以大幅度地提高，通过调整输出功率与冷却水量的自动耦合，达到蒸发传热的目的。当系统实际布局允许有位差时，可以采用热虹吸式自循环，实现无动力冷却循环系统。

3.安全可靠。与其他采用乙醇等有机物为蒸发冷却介质的系统相比，该系统安全可靠，对电极、质子交换膜等重要组件不存在潜在的危害性。

附图说明

图1为本发明所述的高温质子交换膜燃料电池系统示意图。其中：1为储氢罐，2为减压阀，3为氢气回流器，4为氢气尾排开关，5为水箱，6为水泵，7为预热器，8为散热器，9为热回收装置，10为空气进口，11为空气过滤器，12为空压机，13为焓轮增湿器，14为膨胀机，15为空气尾排，16为电堆

具体实施方式

为更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图进一步描述本发明所述的高温质子交换膜燃料电池系统。

如图1所示：

系统中的三种流体循环回路为：空气、氢气与冷剂回路。

冷却回路：散热器、水罐、(水泵)。