专利名称：质子交换膜燃料电池的蒸发排热方法及燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，特别提供了一种质子交换膜燃料电池的蒸发排热方法，及采用蒸发排热方式的燃料电池组。
文献1USP.4,826,741、文献2USP.4,826,742所介绍的质子交换膜燃料电池的排热为目前国际上通常采用的排热方法。主要有三种一为冷却剂循环通过电池组排热通道而排热；二为电池内置亲水多孔贮水元件使水向反应气中蒸发的排热方法；三是空气通过各单电池间排热流道或空气通过电池周边翅片的排热方法。上述第一种方法为以动力驱动使冷却剂在各单电池的排热孔道内流动而将电池热量排出的方法。第二种方法系在电池组装中将三合一电极与双极板间插入一片可导电的透液板与一片多孔透气疏水板。当电池运行时，透液板中充满水。反应气体在电池温度升高时，可由来自透液板而通过多孔透气疏水板的水蒸汽所饱和。该饱和蒸汽被送至放热翅片上进行冷凝。冷凝水重新由泵循环返回电池组内。第三种方法系在电池组内加一片导热翅片，电池内热量由空气从电池内通道引导至电池组外围以排热。
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的蒸发排热方法及采用该方法的燃料电池组，其结构简单，运行稳定，且能耗低。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池组的蒸发排热方法，其特征在于采用蒸发冷却自循环的方法，即外加冷却剂在电池组的排热板中吸收热量，从上部蒸发到电池组体外的导管或容器，与环境进行热交换并冷凝，再借助其自身重力实现冷却剂的回输。其中，本发明所述冷却剂为水、有机溶剂、液态共沸混合物，沸点范围在30～120℃之间。
本发明还提供了上述采用蒸发排热方式的质子交换膜燃料电池组，由极板、电极和质子交换膜构成的单电池组装而成，其特征在于在电池组的单电池间夹有排热板，排热板上设置冷却剂贮室及进出口，冷却剂进出口通过内管道与外管道或冷却剂容器相连。
具体地说本发明具有如下特点1.采用外加冷却剂蒸发而不使用水饱和反应气蒸发的方法来进行排热，无需泵或其它动力驱动，只要冷却剂进行蒸发即可实现排热，冷却剂的循环靠重力实现，大大减少了质子交换膜燃料电池的辅助设备，并减少了电池系统的外用功耗。
2.当电池组为大功率机组时，可采用容器来收集并储存由电池组中排放出的冷却剂蒸汽，使之迅速冷凝，以补充用于电池组内蒸发排热的冷却剂。该容器的容积可根据电池组的功率大小与排热要求而加以调整。该容器可与电池组装为一体，亦可分体组装。当电池组为小功率机组时，可以省却容器，直接采用蒸汽冷凝管的方式，即让蒸汽在冷凝管中通过环境排放热量而冷凝，再返回电池组内，以实现冷却剂的循环蒸发排热。
3.采用水、有机溶剂或液态共沸混合物来作为循环蒸发排热用的冷却剂，无需人工调节即可使电池组在冷却剂的沸点温度稳定运行。并可根据电池组工作的最佳温度以及电池组工作的具体要求而选取最佳的冷却剂。
4.将电池组的内增湿、排热板与电池组的工作部分以其最小温差的布局进行组装，使电池组可以在最适宜的温度下进行工作。
同现有技术相比本发明的区别在于1.同文献1、2中的冷却剂循环排热法相比，本发明无需以泵作为冷却剂的动力驱动装置。电池温度不需人工控制调节，电池组内各单电池温度趋向均一稳定，可长期稳定在冷却剂的沸点上下。
2.与文献1、2的电池内置亲水多孔贮水元件使水向反应气中蒸发的排热法相比，本发明将电极内反应气与排热系统分隔开来，省却了组装在电极内的可导电透液板与多孔透气疏水板，使电池内结构简单，电池组装工艺得以简化。采用文献1介绍的电极内气体循环蒸发排热方式，由于受压力的影响，饱和水蒸汽温度明显高于100℃，使电池无法稳定在最佳工作温度范围。而本发明由于同电池内反应气分隔，可以采用沸点低于水沸点的冷却剂，使电池得以在适宜的温度下工作，且减少了电池的内阻，提高了电池的运行性能。由冷却剂的沸点可稳定控制电池温度，使电池无需人工调节温度，而文献1的电极内气体循环蒸发排热方式却要不断排放蒸汽来控制调节电池温度。
3.与文献1、2所提出的导热周边排热相比，本发明可以适应功率大小不同的电池组用以排热，而文献1的周边导热排热方式却无法有效排除大功率电池组的热量，致使电池工作温度无法稳定，影响电池工作性能。
总之，1.本发明可以有效地将电池工作温度控制在最佳点。当电池组内每个或相隔一个单电池间均置有排热板时，可以将电池工作温度精确地控制在温差小于±3℃。
2.本发明简化了电池组的排热装置，不但有利于大功率电池组的稳定温度运行，而且对于便携式质子交换膜燃料电池来说，其排热装置简单可靠，更加适应了可移动电源的要求。
3.由于本发明实现了冷却剂的无泵或无动力源循环，消除了用于排热的外用功耗，提高了电池组的净输出功率。
4.本发明的蒸发排热系统使电池组可方便地选择最佳运行温度，大大便利了质子交换膜燃料电池在一般或特殊场合的应用。
下面结合附图通过实施例详述本发明。
附
图1为带外冷却剂容器的燃料电池组结构示意图。
附图2为不带外冷却剂容器的燃料电池组结构示意图。
附图3为排热板结构示意图。
附图4为排热板结构A-A剖示图。
实施例1采用8个自制的三合一电极组装成质子交换膜燃料电池组。该电池组稳定运行时，其功率为200W。该电池组的内增湿段、工作部分的排热板布局示于图1。其中1为端板，2为内增湿段，3为单电池，4为排热板，5为冷却剂容器，容积为1L，6为电池电流输出端。可见，两块排热板装置于电池组中间两个单电池的两侧。
采用纯水作冷却剂，沸点为100℃。
冷却剂外循环蒸发冷却排热由以下几部分组成冷却剂容器6，容器中液位位置应高于电池组中三合一电极组合的上表面。冷却剂道过上下导管7进出电池排热板4，导管7处应为绝缘体，排热板4的结构示于图3。其中排热板中部为冷却剂贮室405，用以存储必需的冷却剂，所以该腔应有足够的容积。贮室405中均布导电流的支撑点404，排热板的四个角为氧化剂与燃料气进出通道孔401、403、407、409。排热板上下边中部设置冷却剂进出孔道402、408。
电池组以额定功率200W运行时，排热板冷却剂贮室405中的冷却剂逐渐被加热到冷却剂的沸点温度，随即蒸发通过导管7回到容器6中冷凝。冷凝后的冷却剂再通过导管7返回排热板4，进入冷却剂贮室405以补充被蒸发掉的冷却剂，从而实现下述循环
该循环的实现使电池组始终保持在水沸点温度，无需人工调整，电池组内各单池间温度范围在100～105℃。
实施例2采用4个单电池组装的质子交换膜燃料电池组。该电池稳定运行时，功率为100W。电池组蒸发排热结构示于图2。一块排热板夹于4个单电池3中部。
所采用的冷却剂为摩尔分率为0.072的乙醇同摩尔分率为0.928的纯水混合物作外循环蒸发排热用的冷却剂，其沸点89℃。本实施例所用的排热板结构同图3所示。
不同于实施例1的是，本实施例2中未使用容器，而只以电池外部冷却剂导管7来储存并冷凝冷却剂。当电池组功率较小时，所产生的热量传递到冷却剂并使其蒸发后，蒸汽可借助外导管7与环境换热，从而使蒸汽冷凝并回流到电池组内的排热通道中，以补充蒸发掉的冷却液。
实验结果当电池组满负荷运行(100W)时，电池温度保持在90～95℃，性能稳定，排热效果良好。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池组的蒸发排热方法，其特征在于采用蒸发冷却自循环的方法，即外加冷却剂在电池组的排热板中吸收热量，从上部蒸发到电池组体外的导管或容器，与环境进行热交换并冷凝，再借助其自身重力实现冷却剂的回输。
2.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池组与蒸发排热方法，其特征在于冷却剂为水、有机溶剂、液态共沸混合物，沸点范围在30～120℃之间。
3.一种采用蒸发排热方式的质子交换膜燃料电池组，由极板、电极和质子交换膜构成的单电池组装而成，其特征在于在电池组的单电池间夹有排热板，排热板上设置冷却剂贮室及进出口，冷却剂进出口通过内管道与外管道或冷却剂容器相连。
4.按权利要求1所述燃料电池组，其特征在于所述排热板设有冷却剂贮室，贮室中有导电支撑点，下部设冷却剂进入孔道，上部设冷却剂排出孔道，排热板的四个角分别设置气体的进出通道口。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池组的蒸发排热方法,其特征在于:采用蒸发冷却自循环的方法,即外加冷却剂在电池组的排热板中吸收热量,从上部蒸发到电池组的体外,依靠与空气或循环水的热交换冷却,再借助其自身重力实现冷却剂的回输。本发明结构简单,运行稳定,且能耗低。
文档编号H01M2/00GK1242611SQ9811417
公开日2000年1月26日 申请日期1998年7月22日 优先权日1998年7月22日
发明者张恩浚, 衣宝廉, 韩明, 曲天锡, 张海峰 申请人:中国科学院大连化学物理研究所