专利名称：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的制作方法
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°c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勻分布；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
针对目前的燃料电池液体循环冷却系统存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种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，不但能够减少连接管路， 而且能够有利于在低温环境的可靠运行。本发明采用如下技术方案一种燃料电池用储液净化一体化装置，包括一个箱体， 箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，所述冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的冷却液净化元件，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。在所述储液腔内还设置有加热装置，或在所述箱体外设置有加热装置。所述箱体外设置有保温套。
所述箱体顶部设置有放气阀。所述放气阀为压力阀。所述箱体顶部设置有注液口。所述冷却液进口和出口均位于所述箱体下部。所述冷却液净化元件为过滤装置或去离子装置，或过滤装置和去离子装置的结
I=I O本发明还提供一种燃料电池液体冷却系统，包括安装在燃料电池冷却液循环管路上的泵及散热器，其特征在于还包括通过管道安装在所述冷却液循环管路上的储液净化一体化装置，所述燃料电池用储液净化一体化装置，包括一个箱体，箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，所述冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的冷却液净化元件，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。在所述箱体内的储液腔内安装有加热元件，或在所述箱体内的冷却液循环管路上安装有加热器，或在所述箱体外设置有加热器。本发明作为中国科技部“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)研发成果之一，对燃料电池的冷却液冷却循环系统进行改进，本发明的技术效果为1、本发明集储液、净化甚至加热功能于一体，作为集成装置减化和减少了燃料电池液体冷却循环系统的管路，减少了密封点，提高了系统运行的可靠性。2、储液净化一体化装置，具有储液功能，所有冷却液参与循环，减少了补液控制部件和操作。3、保证在低温环境所有冷却液保持液态，以保证系统的可靠运行。4、冷却液在燃料电池运行时产生的气泡会自动排放到循环系统外，保证冷却液在电堆中各单电极之间均勻分布。
图1为现有燃料电池用液体循环系统示意图；图2为本发明的燃料电池用液体循环系统示意图；图3图8为燃料电池用储液净化一体化装置不同实施例示意图。图中，1-电堆，2-散热器，3-储液箱，4-加热器，5-泵，6-过滤装置，7_去离子装置，8-储液净化一体化装置，81-箱体，82-放气阀，83-出口，84-保温套，85-过滤装置， 86-去离子装置，87-加热装置，88-进口，89-注液口，90-过滤和去离子装置。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。如图2所示，是本发明的一种燃料电池液体冷却系统，包括安装在燃料电池冷却液循环管路上的泵5及散热器2，还包括通过管道安装在泵5与散热器2之间的储液净化一体化装置8。冷却液经过电堆1时把反应产生的热量带出，经过散热器2时冷却液通过散热器释放热量，降温后的冷却液进入储液净化一体化装置8，在储液净化一体化装置8经过过滤和/或去离子净化处理后，再通过泵强制输入电堆以强制冷却液循环，储液净化一体装置8内的箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的过滤装置和/或去离子树脂等构成的去离子装置，以形成冷却液净化元件，储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求，以满足在冷却液减少时进行补液(储液净化一体化装置内液位降低)，保证冷却循环。冷却液中产生的气泡通过放气阀排出。图2所示冷却系统和图1所示常规冷却液循环系统主要有三大不同。一是，连接的部件大为减少；二是，一体化
5储液装置中的冷却液整体参与整个冷却液循环过程；三是，冷却液中产生的气泡在其压力达到设定值时会通过放气阀自动排出。这三点是本发明的关键所在，对简化燃料电池系统、 降低成本、防止储液箱中液体在低温时冻结、提高可靠性起到重要作用。图3到图8为燃料电池用储液净化一体化装置不同实施例示意图。如图3所示，是一种所述燃料电池用储液净化一体化装置，包括一个箱体81，箱体内设置有储液腔A用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口 88与冷却液出口 83均同所述储液腔A相通，所述冷却液出口 83位于所述箱体81中部以下的位置，以保证在冷却液液面降低时能够稳定出液和避免冷却液蒸汽进入冷却循环系统。在储液腔A内位于所述进88 口与出口 83之间还设置有多孔的冷却液净化元件B，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。这样箱体81上设置的冷却液进口 88与冷却液出口 83均同所述储液腔A相通，且冷却液进口和冷却液出口被所述净化元件B隔离。本实施例中净化元件包括两级过滤装置85以及中间的由阳离子树脂或阴离子树脂或阴阳离子混合树脂构成的去离子装置86组成，实现过滤和离子脱除。由于过滤和去离子装置都是由多孔材料组成，它们并不影响冷却液从进口移动到出口，同时，它们完全浸泡在冷却液中，其所占空间的很大一部分由冷却液占据，这样就不会因为过滤和去离子装置的存在而损失太多的储液罐有效储液体积。冷却液从进口 88进入到该储液净化一体化装置8的储液腔A后，先通过过滤装置85把可能存在的颗粒状物质挡住，然后进入到去离子装置把可能存在的阴离子和阳离子去掉，随后再通过一道过滤装置把可能仍存在的颗粒状物质挡住。通过两道过滤和一道去离子后的冷却液从出口 83流出该一体化储液装置。由于冷却液的减少，箱体内冷却液液位会下降，为保证低液位冷却系统正常运转， 所述冷却液出口 83位于所述箱体中部以下的位置，而且最好接近底部；当冷却液需要补充时，可以通过注液口 89补充。如果散热器散热效果降低或控制系统出现故障，会造成冷却液温度升高，冷却液中产生更多气泡甚至气化，气体进入电堆影响其正常运行，或会造成箱体超压，为保证冷却系统的安全，在箱体顶部设置有放气阀83，在必要时放出冷却液循环过程中可能产生的气体。该放气阀83可以是一个压力阀，当一体化储液箱中的气体压力达到一个预先设定的值时，它会自动打开排出气体，然后自动关闭。该放气阀也可以是一个手动阀，在需要时人为打开放气。在所述储液腔内还设置有一个与冷却液绝缘良好的加热装置 87，可以采用电加热或其它加热方式，在必要时(如冷启动时)为冷却液加热。或如图7所示在所述箱体81外设置有加热装置87。当然，如果加热装置如图1所示采用设置在管路上的加热方式也是可行的，因为本发明的方式箱体内的冷却液均参与了循环，能够维持所需温度，但增加了连接管路。所述箱体外设置有保温套84，以在低温环境下实现保温。加热、过滤、去离子装置在储液箱中可以有多种放置方式。如果过滤效果比较好时，如图4所示，可以只在进口方向设置一个过滤装置85，而在出口方向不必设置过滤装置，这种方式先行过滤以避免杂质影响去离子装置86的运行。如果没有必要对冷却液去除离子时，也可以只安装过滤装置85，而不必安装去离子装置，如图5所示。如果没有必要安装过滤装置时，可以只安装去离子装置86，如图6所示。过滤材料和去离子材料也可以装在一起形成一个复合过滤和去离子装置90，如图7所示。储液过滤去离子和加热保温一体化装置本身也可以有多种设计方式。图8所示的是一种和图2所示的不同方式。整个储液装置是一个圆筒状，过滤装置85和去离子装置86 构成的净化装置B是空心圆筒状，其中净化装置B的空心和冷却液的出口 83相连。冷却液从进口 88进入到该一体化储液箱后，先通过圆筒状过滤装置85把可能存在的颗粒状物质挡住，然后进入到圆筒状去离子装置86把可能存在的阴离子和阳离子去掉，最后从冷却液出口流出。在该一体化储液装置顶部也装有一个放气阀82，在必要时放出冷却液循环过程中可能产生的气体。在该一体化储液装置顶部装设置有一个注液口，在必要向该一体化储液装置补充冷却液。另外，加热装置置于该一体化储液箱装置外面，可以采用电或其它方式的加热装置87在需要时给储液箱中的冷却液加热。 本发明是把储液净化一体化装置直接串联在燃料电池冷却液流动系统中，使箱体储液腔中的冷却液整体参与整个冷冻液的循环过程，冷却液减少时仅使腔体内液面下降， 循环系统仍然保证有充足的冷却液。如果加热装置87也置于储液箱内，还可进一步减化管路。加热装置87可以采用电加热方式、太阳能加热等方式。所述过滤装置由微孔状材料组成，可以是过滤网甚至活性碳纤维。去离子装置由阳离子交换树脂组成，或由阴离子交换树脂组成，也可以是由阴、阳混合离子交换树脂组成，根据含有的离子类型确定。本发明可以用于质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸膜燃料电池，熔融盐燃料电池，固体氧化物燃料电池。
权利要求
1.一种燃料电池用储液净化一体化装置，包括一个箱体，其特征在于箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，所述冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的冷却液净化元件，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。
2.如权利要求1所述的燃料电池用储液净化一体化装置，其特征在于在所述储液腔内还设置有加热装置，或在所述箱体外设置有加热装置。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用储液净化一体化装置，其特征在于所述箱体外设置有保温套。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池用储液净化一体装置，其特征在于所述箱体顶部设置有放气阀。
5.如权利要求4所述的燃料电池用储液净化一体装置，其特征在于所述放气阀为压力阀。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池用储液净化一体装置，其特征在于所述箱体顶部设置有注液口。
7.如权利要求1或2所述的燃料电池用储液净化一体装置，其特征在于所述冷却液进口和出口均位于所述箱体下部。
8.如权利要求1或2所述的燃料电池用储液净化一体化装置，其特征在于所述冷却液净化元件为过滤装置或去离子装置，或过滤装置和去离子装置的结合。
9.一种燃料电池液体冷却系统，包括安装在燃料电池冷却液循环管路上的泵及散热器，其特征在于还包括通过管道安装在冷却液循环管路上的储液净化一体化装置，所述燃料电池用储液净化一体化装置，包括一个箱体，箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，所述冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的冷却液净化元件，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。
10.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于在所述箱体内的储液腔内安装有加热元件，或在所述箱体内的冷却液循环管路上安装有加热器，或在所述箱体外设置有加热器。
11.如权利要求9或10所述的冷却系统，其特征在于所述箱体顶部设置有放气阀。
12.如权利要求9或10所述的冷却系统，其特征在于所述箱体顶部设置有注液口。
13.如权利要求9或10所述的冷却系统，其特征在于所述冷却液净化元件为过滤装置或去离子装置，或过滤装置和去离子装置的结合。
全文摘要
本发明公开了一种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，包括一个箱体，箱体内设置有储液腔用于储存冷却液，箱体顶部设置有放气阀，箱体上设置有冷却液进口与冷却液出口，两者均同所述储液腔相通，所述冷却液出口位于所述箱体中部以下的位置，在储液腔内位于所述进口与出口之间还设置有多孔的冷却液净化元件，所述储液腔未被所述净化元件填充的有效容积能够满足为燃料电池冷却循环系统补充冷却液的储液要求。本发明集储液、净化甚至加热功能于一体作为集成装置，减化和减少了燃料电池液体冷却循环系统的管路，减少了密封点，减小了气泡对冷却液在电堆中分布的影响，减少了补液控制部件和操作，保证在低温环境所有冷却液保持液态，提高了系统运行的可靠性。
文档编号H01M8/04GK102403521SQ20111036713
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者胡浩博, 齐志刚 申请人:武汉银泰科技燃料电池有限公司