[发明专利]燃料电池用储液净化一体化装置及燃料电池液体冷却系统

说明书

技术领域

本发明属于能源领域，具体来说是一种燃料电池新能源领域，涉及燃料电池的液体冷却系统，提供了一种集储液、过滤、去离子和加热保温于一体的冷却液储液装置及其在燃料电池系统中的连接使用方式，适用于各类需要液体冷却的燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池。涉及的是中国科技部“863计划”“5kW级燃料电池关键材料和系统集成技术开发”重点项目(项目编号：2009AA034400)。

背景技术

为了解决环境污染、温室效应和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都对燃料电池技术及产业化极为关注，因为燃料电池是一种高效清洁发电装置，对环境没有或只有很小的污染，并能有效利用可再生性物质如氢气和甲醇做为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对燃料电池研发的投入。国家和很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。

燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料和氧气中的化学能直接转化成电能。电堆是燃料电池系统中的核心部分。燃料在电堆的阳极被氧化，氧气在电堆的阴极被还原。只要有燃料和氧气不停地输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。燃料电池在发电的同时也产生热，多余的热需要从电堆中排出以保证电堆在最佳温度区间工作。排出的热可以为用户供暖或提供热水。根据使用的散热介质，热的排出主要有两种方式；一种方式是使用空气，比较简便，但对于5千瓦及以上功率的电堆，因为空气的热容很小，有效排热的难度比较大；另一种方式是使用液体，如水、水性防冻液或油，由于这些液体介质的热容比较大，散热效果好，多用于5千瓦及以上功率的燃料电池，其缺点是系统复杂，需要一套比较复杂的液体循环系统。

如图1所示，是目前的燃料电池用的液体循环系统，主要包括散热器2、储液箱3、加热器4、泵5、过滤装置6和去离子装置7，这些部件通过连接管道互相连接及和电堆1连接起来，其中的箭头代表冷却液的流动方向。散热器2的作用是把电堆1中多余的热通过冷却液在散热器处散出；储液箱3的作用是储存冷却液；加热器4的作用是在冷启动时给液体介质加热以便加快燃料电池的启动速度，但当燃料电池达到正常工作温度时，它将不再为冷却液加热；泵5的作用是为冷却液流动提供动力；过滤装置6的作用是阻止颗粒状物质进入电堆1，它一般由多微孔材料制作；去离子装置7的作用是去掉冷却液在使用过程中聚集的阴离子和阳离子，它一般由阴离子或阳离子交换树脂组成。颗粒状物质和阴阳离子主要来自电堆中的材料(如碳板、碳纸、膜电极、密封垫)和液体循环系统所用的金属管接件。如果不对冷却液进行净化处理，不去掉这些物质，颗粒状物质会慢慢堵塞电堆中冷却液流道，阴阳离子会造成电堆中单电池之间的微弱短路，都会影响燃料电池的性能和寿命。因此，过滤装置和去离子装置是作为冷却液的净化装置使用。

在图1所示的系统中，根据所需散热量，泵5通过控制系统自动调节液体冷却介质的流速，通过散热器2把多余的热排出。散热器2上的风扇转速同样通过控制系统来自动调节以便达到最佳散热效果。储液箱3和液体流通管道之间的连接是为了在液体流通管路中有液体介质变少时，储液箱3可以为其补充液体。液体介质变少的主要原因是液体会慢慢渗透过电堆中的极板而进入到空气或氢气腔室中，尤其是使用非金属极板时。虽然这种过程很慢，但缓慢的液体流失是很难避免的。如果储液箱3和液体流通管路之间的连接没有控制开关，补充液体将是自动的，通过重力，储液箱中的冷却液自动流进液体流通管路中。如果储液箱和液体流通管路之间的连接安装有控制开关，补充液体将需要人为操作，只有在打开控制开关时，储液箱中的冷却液才会通过重力流进液体流通管路。

由图1可见，常规液体冷却燃料电池所用的液体循环系统中的储液箱、加热器、过滤装置和去离子装置是分开的，它们之间需要用管道连接，这样就增加了材料的用量和系统的复杂性，进而增加系统成本、降低系统的可靠性。另外，在冷启动时加热器只给管道中流道的液体加热，而不对储液箱中的液体加热。同时，冷却液在循环过程中并不流进储液箱的内部，即储液箱中的冷却液是不参与冷却液的流动过程的，这在环境温度低于0℃时，不能保证储液箱中的液体仍能保持液体状态，所以必须对储液箱进行额外的加热、保温，也增加了运行成本，同时要增加相应的控制系统。再次，在燃料电池的运行温度下冷却液会产生气泡，气泡会影响冷却液在电堆中各单电极之间的均匀分布；如果进入到某个单电极的冷却液中含有的气泡较多，实际进入到该单电极的冷却液就会较少，冷却液带走的热量就会较少，那么该单电极就会比其它电极热一些，严重时电极会过热，影响其性能和寿命。

发明内容