[发明专利]空冷燃料电池系统及其耦合热控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及空冷燃料电池系统耦合的热量控制方法。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应把反应物质的化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，能量转换效率高，并且燃料电池一般以氢氧作为反应物质，还具有功率密度和能量密度高，清洁高效，功率范围广的优点，在移动电源、家庭电源、交通领域、分布式电站和潜艇等领域具有广泛的应用前景。

燃料电池利用电化学反应将化学能转换为电能，该反应是放热反应，产生电能的同时伴随热量释放。以氢气和氧气作为燃料和氧化剂的燃料电池为例，当反应生成的水为气态，反应释放的热量为241.8kJ/mol，如果燃料电池单片工作电压为0.7V，则除了135.4kJ的反应热转化为电能外，还会有106.4kJ的反应热剩余，因此必须对剩余的热量进行控制，控制燃料电池运行在适宜的温度区间，以避免电池工作温度过高或过低。

典型的以氢气为燃料的完整燃料电池系统不仅包含燃料电池电堆，还应包含氢气储存单元。目前常用的储氢方式有三种：高压储氢、液化储氢和合金储氢。其中高压储氢方式需要耐高压储存容器，一般采用轻质金属或树脂罐体加纤维缠绕增强的方式，可储存1%-7%的氢气，有储氢、放氢方便和成本低的优点，但储氢密度小，且高压压缩氢气需消耗所压缩氢气所含能量的20%；低温液化储氢方式，在常压低温下系统储氢量可达16%左右，但将氢气液化需消耗所液化氢气所含能量的40%，且存在储氢罐体复杂，需要维持低温，成本高昂等不足；至于合金储氢方式，其储氢密度可达134gH₂/L，远高于高压储氢的17.9gH₂/L和低温液化储氢的70gH₂/L，并且没有爆炸的危险性及长期储存的损耗问题，但存在储氢质量密度较低的缺点。

储氢合金常用于燃料电池供氢，储氢合金在吸氢/放氢的可逆化学反应中还伴随着放热/吸热的热交换过程。根据储氢合金种类的不同，交换的热量有所差别，例如LaNi₅的储氢放热量是30kJ/molH₂，Mg₂Cu的储氢放热量是72.8kJ/molH₂。由于储氢合金这种伴随吸/放氢过程存在的热量交换特性，就必须考虑燃料电池系统中的合金储氢器储氢、放氢过程中的热量控制。

在包含燃料电池堆和合金储氢器的典型燃料电池系统的工作过程中，燃料电池反应产生热量的同时储氢合金释放氢气吸收热量，因此，一种确保两个设备能够正常高效运行的热量控制方法是必要的。例如欧洲专利EP0917225A1设计的便携式燃料电池设备利用风扇把燃料电池产生的热量传递给储氢器，使储氢器稳定放出氢气；中国专利ZL01807860.5公开了一种燃料电池系统的热控制方法，不使用风扇、泵等辅助设备，将燃料电池主表面和储氢器外壁直接热接触或者通过热传导介质热接触，使燃料电池产生的热量传递给储氢器；中国专利ZL200710175260.2公开了一种耦合型燃料电池的设计方案，将储氢单元放置在两个燃料电池单体中间，利用燃料电池反应释放的热量给储氢单元加热，同时利用储氢单元放氢吸热的特性来吸收部分燃料电池工作过程中产生的废热，实现热量控制的耦合。

但现有技术都没有考虑环境条件对燃料电池系统的影响，其热控制方法不能够随环境条件的改变做出调整，一直维持系统稳定高效地运行。例如环境温度较低时，储氢器释放氢气需要热量，同时燃料电池正常运行也需要一定的热量维持合适的工作温度，现有的通过合金储氢器和燃料电池结构上耦合的被动热控制方法就存在明显不足，储氢器释放氢气的同时，一直源源不断的吸收燃料电池所产生的热量，若电池在低功率运行阶段（如启动阶段），电池所产生的热量本来就不多，大部分热量又被储氢器吸收，便不足以维持正常的工作温度，造成燃料电池温度过低，运行（启动）困难；并且由于储氢合金放氢吸收的热量和燃料电池反应产生的热量不完全相等以及热传递过程的热量损失，被动的热控制方法不能保证燃料电池工作温度的控制精度，因而不能保证燃料电池工作在最佳温度。高环境温度时，环境热空气可作为储氢合金放氢时所吸收热量的热源，储氢器放氢不存在困难，现有的利用风扇等辅助设备将燃料电池热量传递给储氢器的热控制方法就存在明显不足，此时燃料电池最佳工作温度与环境温度温差较小，若要维持燃料电池运行在最佳温度，只能加大燃料电池风扇的转速，以增加空气流量，将燃料电池产生的多余热量排出，避免燃料电池过热，但由此会带来燃料电池的膜电极被吹干的问题，进而引起燃料电池性能衰减。

发明内容