專利名稱：燃料電池用儲液凈化一體化裝置及燃料電池液體冷卻系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于能源領域，具體來說是一種燃料電池新能源領域，涉及燃料電池的液體冷卻系統，提供了一種集儲液、過濾、去離子和加熱保溫于一體的冷卻液儲液裝置及其在燃料電池系統中的連接使用方式，適用于各類需要液體冷卻的燃料電池，尤其是質子交換膜燃料電池。涉及的是中國科技部“863計劃” “5kW級燃料電池關鍵材料和系統集成技術開發”重點項目(項目編號:2009AA034400)。
背景技術：
為了解決環境污染、溫室效應和化石燃料日益枯竭的迫切問題，世界各國都對燃料電池技術及產業化極為關注，因為燃料電池是一種高效清潔發電裝置，對環境沒有或只有很小的污染，并能有效利用可再生性物質如氫氣和甲醇做為燃料。很多國家尤其是發達國家已投入了大量的人力物力和財力對燃料電池進行廣泛的研究和開發。作為發展中國家的中國也加大了對燃料電池研發的投入。國家和很多省市已把開發燃料電池提升到了戰略高度，并把開發燃料電池作為最重要的研發方向之一。燃料電池是一種電化學能量轉換器，把燃料和氧氣中的化學能直接轉化成電能。 電堆是燃料電池系統中的核心部分。燃料在電堆的陽極被氧化，氧氣在電堆的陰極被還原。 只要有燃料和氧氣不停地輸入，燃料電池就能源源不斷地產生電能。燃料電池在發電的同時也產生熱，多余的熱需要從電堆中排出以保證電堆在最佳溫度區間工作。排出的熱可以為用戶供暖或提供熱水。根據使用的散熱介質，熱的排出主要有兩種方式；一種方式是使用空氣，比較簡便，但對于5千瓦及以上功率的電堆，因為空氣的熱容很小，有效排熱的難度比較大；另一種方式是使用液體，如水、水性防凍液或油，由于這些液體介質的熱容比較大， 散熱效果好，多用于5千瓦及以上功率的燃料電池，其缺點是系統復雜，需要一套比較復雜的液體循環系統。如圖1所示，是目前的燃料電池用的液體循環系統，主要包括散熱器2、儲液箱3、 加熱器4、泵5、過濾裝置6和去離子裝置7，這些部件通過連接管道互相連接及和電堆1連接起來，其中的箭頭代表冷卻液的流動方向。散熱器2的作用是把電堆1中多余的熱通過冷卻液在散熱器處散出；儲液箱3的作用是儲存冷卻液；加熱器4的作用是在冷啟動時給液體介質加熱以便加快燃料電池的啟動速度，但當燃料電池達到正常工作溫度時，它將不再為冷卻液加熱；泵5的作用是為冷卻液流動提供動力；過濾裝置6的作用是阻止顆粒狀物質進入電堆1，它一般由多微孔材料制作；去離子裝置7的作用是去掉冷卻液在使用過程中聚集的陰離子和陽離子，它一般由陰離子或陽離子交換樹脂組成。顆粒狀物質和陰陽離子主要來自電堆中的材料(如碳板、碳紙、膜電極、密封墊)和液體循環系統所用的金屬管接件。如果不對冷卻液進行凈化處理，不去掉這些物質，顆粒狀物質會慢慢堵塞電堆中冷卻液流道，陰陽離子會造成電堆中單電池之間的微弱短路，都會影響燃料電池的性能和壽命。 因此，過濾裝置和去離子裝置是作為冷卻液的凈化裝置使用。在圖1所示的系統中，根據所需散熱量，泵5通過控制系統自動調節液體冷卻介質的流速，通過散熱器2把多余的熱排出。散熱器2上的風扇轉速同樣通過控制系統來自動調節以便達到最佳散熱效果。儲液箱3和液體流通管道之間的連接是為了在液體流通管路中有液體介質變少時，儲液箱3可以為其補充液體。液體介質變少的主要原因是液體會慢慢滲透過電堆中的極板而進入到空氣或氫氣腔室中，尤其是使用非金屬極板時。雖然這種過程很慢，但緩慢的液體流失是很難避免的。如果儲液箱3和液體流通管路之間的連接沒有控制開關，補充液體將是自動的，通過重力，儲液箱中的冷卻液自動流進液體流通管路中。如果儲液箱和液體流通管路之間的連接安裝有控制開關，補充液體將需要人為操作，只有在打開控制開關時，儲液箱中的冷卻液才會通過重力流進液體流通管路。由圖1可見，常規液體冷卻燃料電池所用的液體循環系統中的儲液箱、加熱器、過濾裝置和去離子裝置是分開的，它們之間需要用管道連接，這樣就增加了材料的用量和系統的復雜性，進而增加系統成本、降低系統的可靠性。另外，在冷啟動時加熱器只給管道中流道的液體加熱，而不對儲液箱中的液體加熱。同時，冷卻液在循環過程中并不流進儲液箱的內部，即儲液箱中的冷卻液是不參與冷卻液的流動過程的，這在環境溫度低于0°c時，不能保證儲液箱中的液體仍能保持液體狀態，所以必須對儲液箱進行額外的加熱、保溫，也增加了運行成本，同時要增加相應的控制系統。再次，在燃料電池的運行溫度下冷卻液會產生氣泡，氣泡會影響冷卻液在電堆中各單電極之間的均勻分布；如果進入到某個單電極的冷卻液中含有的氣泡較多，實際進入到該單電極的冷卻液就會較少，冷卻液帶走的熱量就會較少，那么該單電極就會比其它電極熱一些，嚴重時電極會過熱，影響其性能和壽命。

發明內容
針對目前的燃料電池液體循環冷卻系統存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種燃料電池用儲液凈化一體化裝置及燃料電池液體冷卻系統，不但能夠減少連接管路， 而且能夠有利于在低溫環境的可靠運行。本發明采用如下技術方案一種燃料電池用儲液凈化一體化裝置，包括一個箱體， 箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，所述冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。在所述儲液腔內還設置有加熱裝置，或在所述箱體外設置有加熱裝置。所述箱體外設置有保溫套。
所述箱體頂部設置有放氣閥。所述放氣閥為壓力閥。所述箱體頂部設置有注液口。所述冷卻液進口和出口均位于所述箱體下部。所述冷卻液凈化元件為過濾裝置或去離子裝置，或過濾裝置和去離子裝置的結
I=I O本發明還提供一種燃料電池液體冷卻系統，包括安裝在燃料電池冷卻液循環管路上的泵及散熱器，其特征在于還包括通過管道安裝在所述冷卻液循環管路上的儲液凈化一體化裝置，所述燃料電池用儲液凈化一體化裝置，包括一個箱體，箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，所述冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。在所述箱體內的儲液腔內安裝有加熱元件，或在所述箱體內的冷卻液循環管路上安裝有加熱器，或在所述箱體外設置有加熱器。本發明作為中國科技部“863計劃” “5kW級燃料電池關鍵材料和系統集成技術開發”重點項目(項目編號2009AA034400)研發成果之一，對燃料電池的冷卻液冷卻循環系統進行改進，本發明的技術效果為1、本發明集儲液、凈化甚至加熱功能于一體，作為集成裝置減化和減少了燃料電池液體冷卻循環系統的管路，減少了密封點，提高了系統運行的可靠性。2、儲液凈化一體化裝置，具有儲液功能，所有冷卻液參與循環，減少了補液控制部件和操作。3、保證在低溫環境所有冷卻液保持液態，以保證系統的可靠運行。4、冷卻液在燃料電池運行時產生的氣泡會自動排放到循環系統外，保證冷卻液在電堆中各單電極之間均勻分布。


圖1為現有燃料電池用液體循環系統示意圖；圖2為本發明的燃料電池用液體循環系統示意圖；圖3圖8為燃料電池用儲液凈化一體化裝置不同實施例示意圖。圖中，1-電堆，2-散熱器，3-儲液箱，4-加熱器，5-泵，6-過濾裝置，7_去離子裝置，8-儲液凈化一體化裝置，81-箱體，82-放氣閥，83-出口，84-保溫套，85-過濾裝置， 86-去離子裝置，87-加熱裝置，88-進口，89-注液口，90-過濾和去離子裝置。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明，以助于理解本發明的內容。如圖2所示，是本發明的一種燃料電池液體冷卻系統，包括安裝在燃料電池冷卻液循環管路上的泵5及散熱器2，還包括通過管道安裝在泵5與散熱器2之間的儲液凈化一體化裝置8。冷卻液經過電堆1時把反應產生的熱量帶出，經過散熱器2時冷卻液通過散熱器釋放熱量，降溫后的冷卻液進入儲液凈化一體化裝置8，在儲液凈化一體化裝置8經過過濾和/或去離子凈化處理后，再通過泵強制輸入電堆以強制冷卻液循環，儲液凈化一體裝置8內的箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的過濾裝置和/或去離子樹脂等構成的去離子裝置，以形成冷卻液凈化元件，儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求，以滿足在冷卻液減少時進行補液(儲液凈化一體化裝置內液位降低)，保證冷卻循環。冷卻液中產生的氣泡通過放氣閥排出。圖2所示冷卻系統和圖1所示常規冷卻液循環系統主要有三大不同。一是，連接的部件大為減少；二是，一體化
5儲液裝置中的冷卻液整體參與整個冷卻液循環過程；三是，冷卻液中產生的氣泡在其壓力達到設定值時會通過放氣閥自動排出。這三點是本發明的關鍵所在，對簡化燃料電池系統、 降低成本、防止儲液箱中液體在低溫時凍結、提高可靠性起到重要作用。圖3到圖8為燃料電池用儲液凈化一體化裝置不同實施例示意圖。如圖3所示，是一種所述燃料電池用儲液凈化一體化裝置，包括一個箱體81，箱體內設置有儲液腔A用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口 88與冷卻液出口 83均同所述儲液腔A相通，所述冷卻液出口 83位于所述箱體81中部以下的位置，以保證在冷卻液液面降低時能夠穩定出液和避免冷卻液蒸汽進入冷卻循環系統。在儲液腔A內位于所述進88 口與出口 83之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件B，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。這樣箱體81上設置的冷卻液進口 88與冷卻液出口 83均同所述儲液腔A相通，且冷卻液進口和冷卻液出口被所述凈化元件B隔離。本實施例中凈化元件包括兩級過濾裝置85以及中間的由陽離子樹脂或陰離子樹脂或陰陽離子混合樹脂構成的去離子裝置86組成，實現過濾和離子脫除。由于過濾和去離子裝置都是由多孔材料組成，它們并不影響冷卻液從進口移動到出口，同時，它們完全浸泡在冷卻液中，其所占空間的很大一部分由冷卻液占據，這樣就不會因為過濾和去離子裝置的存在而損失太多的儲液罐有效儲液體積。冷卻液從進口 88進入到該儲液凈化一體化裝置8的儲液腔A后，先通過過濾裝置85把可能存在的顆粒狀物質擋住，然后進入到去離子裝置把可能存在的陰離子和陽離子去掉，隨后再通過一道過濾裝置把可能仍存在的顆粒狀物質擋住。通過兩道過濾和一道去離子后的冷卻液從出口 83流出該一體化儲液裝置。由于冷卻液的減少，箱體內冷卻液液位會下降，為保證低液位冷卻系統正常運轉， 所述冷卻液出口 83位于所述箱體中部以下的位置，而且最好接近底部；當冷卻液需要補充時，可以通過注液口 89補充。如果散熱器散熱效果降低或控制系統出現故障，會造成冷卻液溫度升高，冷卻液中產生更多氣泡甚至氣化，氣體進入電堆影響其正常運行，或會造成箱體超壓，為保證冷卻系統的安全，在箱體頂部設置有放氣閥83，在必要時放出冷卻液循環過程中可能產生的氣體。該放氣閥83可以是一個壓力閥，當一體化儲液箱中的氣體壓力達到一個預先設定的值時，它會自動打開排出氣體，然后自動關閉。該放氣閥也可以是一個手動閥，在需要時人為打開放氣。在所述儲液腔內還設置有一個與冷卻液絕緣良好的加熱裝置 87，可以采用電加熱或其它加熱方式，在必要時(如冷啟動時)為冷卻液加熱。或如圖7所示在所述箱體81外設置有加熱裝置87。當然，如果加熱裝置如圖1所示采用設置在管路上的加熱方式也是可行的，因為本發明的方式箱體內的冷卻液均參與了循環，能夠維持所需溫度，但增加了連接管路。所述箱體外設置有保溫套84，以在低溫環境下實現保溫。加熱、過濾、去離子裝置在儲液箱中可以有多種放置方式。如果過濾效果比較好時，如圖4所示，可以只在進口方向設置一個過濾裝置85，而在出口方向不必設置過濾裝置，這種方式先行過濾以避免雜質影響去離子裝置86的運行。如果沒有必要對冷卻液去除離子時，也可以只安裝過濾裝置85，而不必安裝去離子裝置，如圖5所示。如果沒有必要安裝過濾裝置時，可以只安裝去離子裝置86，如圖6所示。過濾材料和去離子材料也可以裝在一起形成一個復合過濾和去離子裝置90，如圖7所示。儲液過濾去離子和加熱保溫一體化裝置本身也可以有多種設計方式。圖8所示的是一種和圖2所示的不同方式。整個儲液裝置是一個圓筒狀，過濾裝置85和去離子裝置86 構成的凈化裝置B是空心圓筒狀，其中凈化裝置B的空心和冷卻液的出口 83相連。冷卻液從進口 88進入到該一體化儲液箱后，先通過圓筒狀過濾裝置85把可能存在的顆粒狀物質擋住，然后進入到圓筒狀去離子裝置86把可能存在的陰離子和陽離子去掉，最后從冷卻液出口流出。在該一體化儲液裝置頂部也裝有一個放氣閥82，在必要時放出冷卻液循環過程中可能產生的氣體。在該一體化儲液裝置頂部裝設置有一個注液口，在必要向該一體化儲液裝置補充冷卻液。另外，加熱裝置置于該一體化儲液箱裝置外面，可以采用電或其它方式的加熱裝置87在需要時給儲液箱中的冷卻液加熱。 本發明是把儲液凈化一體化裝置直接串聯在燃料電池冷卻液流動系統中，使箱體儲液腔中的冷卻液整體參與整個冷凍液的循環過程，冷卻液減少時僅使腔體內液面下降， 循環系統仍然保證有充足的冷卻液。如果加熱裝置87也置于儲液箱內，還可進一步減化管路。加熱裝置87可以采用電加熱方式、太陽能加熱等方式。所述過濾裝置由微孔狀材料組成，可以是過濾網甚至活性碳纖維。去離子裝置由陽離子交換樹脂組成，或由陰離子交換樹脂組成，也可以是由陰、陽混合離子交換樹脂組成，根據含有的離子類型確定。本發明可以用于質子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池，磷酸膜燃料電池，熔融鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池。
權利要求
1.一種燃料電池用儲液凈化一體化裝置，包括一個箱體，其特征在于箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，所述冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。
2.如權利要求1所述的燃料電池用儲液凈化一體化裝置，其特征在于在所述儲液腔內還設置有加熱裝置，或在所述箱體外設置有加熱裝置。
3.如權利要求1或2所述的燃料電池用儲液凈化一體化裝置，其特征在于所述箱體外設置有保溫套。
4.如權利要求1或2所述的燃料電池用儲液凈化一體裝置，其特征在于所述箱體頂部設置有放氣閥。
5.如權利要求4所述的燃料電池用儲液凈化一體裝置，其特征在于所述放氣閥為壓力閥。
6.如權利要求1或2所述的燃料電池用儲液凈化一體裝置，其特征在于所述箱體頂部設置有注液口。
7.如權利要求1或2所述的燃料電池用儲液凈化一體裝置，其特征在于所述冷卻液進口和出口均位于所述箱體下部。
8.如權利要求1或2所述的燃料電池用儲液凈化一體化裝置，其特征在于所述冷卻液凈化元件為過濾裝置或去離子裝置，或過濾裝置和去離子裝置的結合。
9.一種燃料電池液體冷卻系統，包括安裝在燃料電池冷卻液循環管路上的泵及散熱器，其特征在于還包括通過管道安裝在冷卻液循環管路上的儲液凈化一體化裝置，所述燃料電池用儲液凈化一體化裝置，包括一個箱體，箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，所述冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。
10.如權利要求9所述的冷卻系統，其特征在于在所述箱體內的儲液腔內安裝有加熱元件，或在所述箱體內的冷卻液循環管路上安裝有加熱器，或在所述箱體外設置有加熱器。
11.如權利要求9或10所述的冷卻系統，其特征在于所述箱體頂部設置有放氣閥。
12.如權利要求9或10所述的冷卻系統，其特征在于所述箱體頂部設置有注液口。
13.如權利要求9或10所述的冷卻系統，其特征在于所述冷卻液凈化元件為過濾裝置或去離子裝置，或過濾裝置和去離子裝置的結合。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池用儲液凈化一體化裝置及燃料電池液體冷卻系統，包括一個箱體，箱體內設置有儲液腔用于儲存冷卻液，箱體頂部設置有放氣閥，箱體上設置有冷卻液進口與冷卻液出口，兩者均同所述儲液腔相通，所述冷卻液出口位于所述箱體中部以下的位置，在儲液腔內位于所述進口與出口之間還設置有多孔的冷卻液凈化元件，所述儲液腔未被所述凈化元件填充的有效容積能夠滿足為燃料電池冷卻循環系統補充冷卻液的儲液要求。本發明集儲液、凈化甚至加熱功能于一體作為集成裝置，減化和減少了燃料電池液體冷卻循環系統的管路，減少了密封點，減小了氣泡對冷卻液在電堆中分布的影響，減少了補液控制部件和操作，保證在低溫環境所有冷卻液保持液態，提高了系統運行的可靠性。
文檔編號H01M8/04GK102403521SQ20111036713
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者胡浩博, 齊志剛 申請人:武漢銀泰科技燃料電池有限公司