[发明专利]自增湿微型高效热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，具体是指自增湿微型热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后，正在迅速发展的第五代燃料电池。它具有洁净、噪音小、操作温度低、电流密度大、能量转化效率高、对环境友好等优点，最有希望成为无污染、零排放电动汽车的动力源。这种燃料电池系统除了燃料电池堆之外，还需要燃料和氧化剂的供给系统、电子智能控制及散热装置等辅助系统。其燃料氢供给一般都是有一个通过调节水温来调节氢气湿度的对氢增湿系统，电池堆则有一个用水或空气(又称风冷)对电池堆进行温度控制的冷却系统。膜电极是电堆的核心部件。它由一张质子交换膜和阴阳两个电极热压而成。在膜电极的阳极侧，燃料在催化剂的表面发生电化学反应产生电子和质子，质子通过质子交换膜迁移至阴极侧，并与从外电路传导过来的电子结合对氧还原而生成水。阳极侧的质子在膜内与水结合成水和质子，并在电渗力的作用下向阴极迁移，结果会导致阳极侧的膜脱水。燃料电池运行时，约有一半的能量转化为废热排出。目前广泛采用的排热方式有两种：一种是通过水循环来排热。这种方式一般需要外加循环泵来促使水在整个回路中循环，且当发热量较多时，需冷却水较多，且体积较大；另一种是在低输出功率燃料电池用到的空气冷却，又称风冷。这种方法一般需要有风机等强制空气在散热孔道中扩散，利用冷热空气的对流来带走体系中的废热。且在用风冷却时，在风机抽风或鼓风的过程中，水从阴极到阳极的反渗透现象会大大减弱，从而使质子交换膜的质子传导性能大大减弱甚至危及到电堆的电性能。

上述的现有技术中存在以下的不足和缺陷：

1、对采用常压空气作为氧源的质子交换膜燃料电池，若采用抽风或鼓风作为其动力，在空气经过电堆双极板的贯穿式流道时，会使水从阴极到阳极的反渗透现象削弱，若不对阳极的氢气进行增湿，则在阳极侧的膜就会脱水，从而使本来功率较低的电堆的电性能进一步下降。

2、采用外增湿系统和采用压缩机来提供高压氧源的质子交换膜燃料电池系统的体积庞大、重量重、结构不紧凑，不适合用作移动电源，特别不适合于作为车辆可移动的动力电源。

3、燃料电池将燃料化学能转化为电能时，电能和热能各占一半。如果不能将运行中产生的热能及时释放，电池堆的温度过高就会导致膜脱水，膜的质子传导率下降，电池性能变差。

4、传统的水冷却系统含有循环泵，由于仅是液相传热，进出口温差并不大，当热量较多时，需要的水量较多，使得整个体系过于复杂且体积庞大；而风冷却带走的热量较少，且不能很好地解决阳极侧膜脱水的问题，不适合发热量较大的动力电源使用。

5、风冷电堆的工作温度低(40℃左右)，电极电催化剂的催化活性低，电堆的输出功率也很低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种自增湿微型热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，其能避免阳极侧的膜脱水、阻止电堆的电性能下降，能及时有效地排放系统产生的热量，使电池堆的工作性能稳定优良。

本发明目的是通过以下技术方案予以实现：本自增湿微型热动自循环冷却质子交换膜燃料电池系统，由电堆模块、微通道循环冷却器相连接组成，且所述电堆模块与微通道循环冷却器是一体化设置；所述电堆模块由端板、集流金属板、单电池单元相互连接而成，所述端板开有燃料的进、出口；两块端板分别位于电堆模块的两端，两块端板的内侧分别通过橡胶垫相应与两块集流金属板相贴合，两块集流金属板之间贴合一组或多组单电池单元，所述单电池单元由石墨双极板与自增湿膜电极贴合组成；所述微通道循环冷却器包括冷凝管、埋设在石墨双极板中的微通道组成及具有单向导通功能的出、入口微止回阀，冷凝管两端通过出、入口微止回阀与微通道连通。

所述电堆模块的工作温度范围为40℃～160℃，比功率在0.1～0.5W/cm²之间。为了更好的实现本发明，所述电堆模块可以为多个，各电堆模块采用平行排列，各电堆模块之间采用硬度较大的聚酯塑料板或通用热熔胶来密封；

所述石墨双极板采用阴极蛇行结构双极板；所述自增湿膜电极包括质子交换膜、自增湿层、电催化层，质子交换膜的一侧依次贴合自增湿层、电催化层，并外覆碳纸，质子交换膜的另一侧贴合自增湿层，并外覆碳纸。