[发明专利]耦合储氢单元的燃料电池

说明书

技术领域

本发明是属于燃料电池领域，尤其是指使用氢气作为燃料的固体聚合物电解质燃料电池技术。

背景技术

燃料电池是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能转变成电能的连续发电装置。由于燃料电池功率密度和能量密度高，清洁高效，功率范围宽广，在微型电源、移动电源、车用发动机、固定电站等各个领域都有着广泛的应用前景，因此受到世界各国的广泛重视。美国、日本、加拿大、欧洲各国都在积极开发燃料电池技术，目前世界上几乎所有大汽车制造商都在开发燃料电池电动汽车。

目前的燃料电池技术主要根据电解质的不同分作几种类型，碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、聚合物电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池等。目前发展得比较成熟而且应用前景最为广泛的是聚合物电解质燃料电池(Polymer Electrolyte FuelCell，PEFC)。

燃料电池发电的过程中，除了提供电能以外，还会产生废热。以氢气/氧气作为燃料和氧化剂的燃料电池基本反应式为：

该反应为放热反应，如果生成的水为气态，该反应释放的热量为241.8kJ/mol，如果燃料电池单体的工作电压为0.7V，则除了135.4kJ/mol的反应热转化为电能外，将会有106.4kJ/mol的反应热将以废热形式排出。对于高温燃料电池而言，这部分废热可以得到充分的利用，例如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，操作温度可以达到500~1000℃，燃料电池的废热可以用来为气体重整供热，也可以设计联合循环利用废热。对于PEFC而言，其操作温度较低，通常在100℃以下(采用高温膜可以达到180℃)，废热的利用价值不高。对于家用PEFC，可以通过水管理实现提供电力的同时提供家庭生活热水。对于其他应用场合，这部分废热就不得不排掉。事实上，PEFC必须通过合适的散热设计来维持合适工作温度，否则电堆内部温度过高会导致然燃料电池的失效，甚至造成危险。

PEFC电堆的散热方式不外乎水冷和空冷两种，例如专利WO006627A1，EP0833400A1，WO0011745，EP0929112-A2等，水冷电堆通过冷却水将电堆中的废热带出，再通过外部换热将热量带走，降温后的冷却水再循环入电堆；空冷电堆是通过将低温空气强制流经电堆带走废热。对于水冷式燃料电池，由于水的比热较大，冷却效果非常好，但是需要复杂的冷却水循环系统，增加了系统的复杂性。空冷燃料电池虽然没有复杂的水管理系统，系统相对简单，但是，由于空气比热小，必须采用大流量的空气进行散热，特别是大功率放电时。然而，大流量的空气非常容易导致质子交换膜被吹干，特别是空气的入口处，而且，电堆的温度分布很不均匀，这也会影响燃料电池性能和寿命。空冷燃料电池的热管理特别重要，当电堆温度超过50℃时，电池发电就变得非常困难。

传统的燃料电池结构如图1所示，燃料电池单体由带有空气流道6的阴极流场板1、密封垫圈2、膜电极3、带有氢气流道7的阳极流场板4组装而成，为了将燃料电池产生的热量带出，在两个单体电池之间设置带有冷却流道8的冷却板5，通常冷却流道8中的冷却剂为空气或水。冷却板5也可以与阴极流场板1或者阳极流场板4结合在一起构成双面带流道的双极板。很多空冷电堆将冷却板5省掉，直接利用阴极流场板1既提供燃料电池反应用的空气，又提供电堆冷却用的空气，这样的结构必须采用大流量的空气才能使电堆得到有效的冷却。但是，空气流量过大非常容易造成质子交换膜脱水，对电堆的长期稳定操作带来困难。

在一个完整的燃料电池系统中，除燃料电池电堆以外，还需要有氢气的储存单元。高压气瓶供氢是一种有效的氢气储存供应方式，但由于气瓶本身储氢量小，系统体积比能量低。液氢能量密度高，但是需要深冷保存，系统较为复杂。储氢合金是一种较为方便的燃料电池供氢方案，在很多中小型燃料电池系统中得到了应用。储氢合金在储氢和放氢过程中伴随有热量地交换过程，可以用下面的反应式表示：