[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池发电系统的蓄热恒温箱

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说涉及到质子交换膜燃料电池发电系统的热管理技术领域，涉及一种用于质子交换膜燃料电池发电系统的蓄热恒温箱。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池通常是指以Nafion膜或类Nafion膜【即以氟-碳键构成主链和支链，以磺酸（SO3H）电离提供可迁移质子的聚合物膜】为电解质的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常在室温下工作，适宜的工作温度范围一般在15-60℃。在质子交换膜燃料电池发电系统中，以氢气为燃料，空气作为氧化剂供体的质子交换膜燃料电池电堆的发电效率为43-58%。燃料氧化所释放的其余化学能转化为热能，通过发电系统的散热装置散出。在质子交换膜燃料电池工作时，电堆产热和系统散热装置散热的热量平衡十分重要，它涉及燃料电池膜电极的发电效率和工作的稳定性，从而关系到发电系统的功率输出和寿命。过高的工作温度会增高催化剂的活性，加快燃料氧化的速率，导致更多的热量产生，使温度失控，引起催化剂颗粒烧结甚至电解质膜的融化，使电堆性能迅速衰退甚至系统报废；过低的工作温度使催化剂的催化效率很低，不能产生足够的热能使电堆工作在适宜的温度范围内，致使电堆不能正常启动。如出现结冰现象，可能会引起电堆损坏。

为了维持适宜的工作温度，通常在电堆工作时采取强制水冷或空冷措施降温，而在电堆启动时采用外部辅助加热装置来升温，这就增加了电堆设计的复杂性，并降低了能量利用效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用于质子交换膜燃料电池发电系统的蓄热恒温箱，设计简单，使用方便。

本发明的技术方案：

一种用于质子交换膜燃料电池发电系统的蓄热恒温箱，箱体材料为聚合物基体和相变蓄热材料的复合。在使用蓄热恒温箱时，将质子交换膜燃料电池发电系统中的电堆置于箱内，作为热源或冷源。所述聚合物基体和相变蓄热材料的复合，其中相变蓄热材料所占体积为20~50%，余为聚合物基体。

所述聚合物基体是指一般工业用普通塑料、普通工程塑料或者特种工程塑料。所述一般工业用普通塑料是指聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC）、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、酚醛树脂(PF)、环氧树脂、聚脲等，但不局限于上述所列；所述普通工程塑料是指聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚(PPO/PPE)、热塑性树脂PBT或PET、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)等，但不局限于上述所列；所述特种工程塑料是指聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酯(PAR)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、液晶聚合物LCP、氟塑料等，但不局限于上述所列。

所述相变蓄热材料是指液-固转变温度为40-70℃的低分子化合物及其混合物，包括：天然石蜡（57-63℃），低聚聚乙烯蜡，脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、三水醋酸钠、五水硫代硫酸钠、乙酰胺、硬脂酸、软脂酸、棕榈酸、月桂酸、一缩二丙二醇PG、新戊二醇 NPG、二缩二乙二醇EG、三羟甲基丙烷(TMP)、甘油多等。但不局限于上述所列。

所述聚合物基体和相变蓄热材料的复合，其方式是：两者直接混合，加工成型；或者先将相变蓄热材料微胶囊化，再与聚合物基体混合，加工成型。

本发明的优点是从简化设计、节能、增加发电系统工作可靠性的角度出发，采用相变蓄热材料来实现电堆的自动恒温。当电堆产热大于装置散热速率时，相变蓄热材料发生融化，吸收来自电堆的热量，使温度恒定在相变点附近，不使电堆温度升高；当电堆产热小于装置散热速率时，相变蓄热材料发生凝固，释放潜热，自动进行热量补偿，使电堆温度仍维持在相变点附近。本发明将这种相变蓄热材料制成箱体，将电堆封置于其中，可以实现电堆工作温度的自动管理。本发明所提供的方法无需其他额外的热源或冷源，热量全部来自电堆本身，结构简单，能量利用效率高。

具体实施方式

本发明公开一种用于质子交换膜燃料电池发电系统的蓄热恒温箱，其原理是在箱体材料中含有20~50%体积分数的相变蓄热材料；在使用蓄热恒温箱时，将质子交换膜燃料电池发电系统中的电堆置于箱内，作为热源或冷源；当电堆温度大于相变温度时，箱体内相变材料融化吸热；当电堆温度小于相变温度时，箱体内相变材料凝固放热。这样使电堆温度始终恒定在相变温度附近。相变蓄热材料的液-固转变温度设定为40-70℃。

实施例1