CN101083329A - 燃料电池微型高效热动自循环冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过具有单向导通功能的入、出口微止回阀与微通道连通，所述冷凝管、微通道内有循环流动的冷却工质，根据冷却排热的需要，冷凝管上还可设置有散热金属翅片，并连接有冷却工质贮罐。本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统不需要泵、风机等外加动力源，散热效果更好、结构更简单、电池堆总体利用率更高的，适用于如PEMFC、DMFC等中低温燃料电池堆使用。

Description

燃料电池微型高效热动自循环冷却系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的散热冷却系统，具体是指燃料电池微型高效热动自循环冷却系统。
背景技术
燃料电池运行时，其能量转换效率在40％～60％左右，另外有60％～40％的能量以废热的形式排出电池堆外，以维持电池工作温度的恒定。目前广泛用于燃料电池的排热方法主要有两种：一种是通过冷却水循环排热。这种方法一般需要有机械循环泵来促使冷却水在整个冷却回路中的循环，通过冷却水的循环来带走电池堆内部的废热；另一种是在低输出功率燃料电池中使用的空气冷却排热。这种方法一般需要有鼓风机或抽风机来强制空气通过电池堆双极板散热孔道，利用室温下的冷空气来带走电池堆中的废热。以上这些方法的主要缺点是：
(1)这两种冷却装置需要循环泵、风机等额外的机械装置。这无疑增加了冷却系统的体积，从而降低了整个燃料电池堆体系的重量比功率和体积比功率。
(2)由于整个电池体系的体积庞大，使得其应用场合受到了较大的限制，难以用在如手提电脑、摄相机、电动工具、电动自行车、电动滑板车、电动轮椅车、电动汽车、电动割草机等便携式电子电器设备以及可移动的车辆、机器上。
(3)使用水冷却系统来对燃料电池进行冷却时，由于进水口和出水口之间的温差较小，不仅需要大量的水来参与循环冷却过程，而且也需要较大的换热面积和体积来满足排热的需要，从而使之用在移动器具上时难以布置安排。
(4)使用风冷却系统来对燃料电池进行冷却时，由于换热效率较低，只能用来控制工作温度较低(30～50℃)的燃料电池堆体系。由于电池堆三合一膜电极中所使用的催化剂的催化活性极大地依赖温度——即温度每升高10℃，催化剂的催化活性就会增加一个数量级。因此，工作温度太低时，催化剂的催化活性就很低，整个电池体系的输出功率也就很低。
(5)驱动循环泵、风机等机械装置需要额外的动力，从而也使燃料电池体系总体的效率下降。
(6)另外，这些机械装置运行时还会产生较大的噪音，从而会进一步限制了燃料电池的使用场合。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其不需要泵、风机等外加的动力装置和动力源，散热效果更好、结构更简单、电池堆总体利用率更高的，适用于如PEMFC、DMFC等中低温燃料电池堆使用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过具有单向导通功能的入、出口微止回阀与微通道连通，所述冷凝管、微通道内有循环流动的冷却工质。
所述内腔带有微通道蒸发器的双极板是指具有高导热系数的金属板制成或者以石墨粉为基材压制而成，所述金属包括不锈钢、铜、铝以及各种合金，双极板采用金属板制成时，两块金属板之间采用硅橡胶线密封。
所述微通道的直径尺寸通常为毫米级或微米级，当采用金属双极板时，可以通过先在金属板表面加工出毫米级细槽，再和另一块金属平板组合起来，从而形成微通道。当采用石墨粉作双极板基材时，则先将金属管埋入已加粘结剂的石墨粉中，再在模具中压制成双极板，这里所用的金属管，可以使用不锈钢、铜、铝以及各种合金等制成。
所述微通道的横截面形状可以是圆形、弧形、方形、三角形、梯形或其他多边形。
所述微通道在双极板内的排列方式可以为平行并联式排布，也可以呈井字式、斜式、蛇行式、螺旋式、回字式或锯齿式等方式排列；
所述微通道在双极板内的排列方式还可以采用多组微通道并联或串联的方式排列，多组微通道之间可以通过横截面面积是微通道横截面面积2～3倍的细槽并联或串联起来。
所述冷凝管是由金属(包括不锈钢、铜、铝以及合金等)或塑料毛细管制成，根据冷却排热需要，冷凝管上可以连接有冷却工质贮罐。冷凝管可以直接暴露在空气中，其上装有散热金属翅片来排散热量。
所述冷却工质(即工作液体)由常用溶剂如水、乙醇、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、丙酮、乙酸、甘油、硅油、液体石蜡等根据所调整电池堆最佳工作温度的需要、按一定比例组成的二组分或多组分的共沸物，其共沸物的沸点可调节控制在40～160℃之间。冷却工质的装填量和填充比(即充填进密闭系统中工质的体积占整个密闭系统总体积的百分比值)可根据实际使用电池堆单位时间的排热量，再依据所用冷却工质的比热容通过计算来决定具体的装填量和填充比。
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的工作原理和过程如下：当燃料电池工作时，电池堆会发热。当电堆的温度达到或高于要控制的温度时，热量由导热良好的双极板迅速传递给其内腔微通道中的冷却工质。此时，微通道中的冷却工质由于接受大量的热而处于欠热状态(其本体温度低于对应压力下的饱和温度)，即由产生气泡而至开始沸腾过程，称为欠热沸腾。由于液态的工质沸腾汽化，工质在其相变过程中吸收了大量的热，同时产生了大量的气泡。气泡的不断产生使得微通道内的压力大大增加，达到一定值后，使得出口微止回阀打开，汽化的工质冲出出口止回阀，进入冷凝管中。汽化工质在冷凝器中遇冷发生冷凝，重新变为液体状态而回到贮液罐中。另一方面，当双极板内腔微通道内的汽化工质排出后，微通道内的压力迅速下降，使得出口止回阀关闭，同时液体工质在重力的作用下，使入口微止回阀打开，贮液罐中的液态工质通过进口止回阀进入双极板内腔的微通道中，从而进入了下一个新的热动冷却循环过程。
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统适合于工作温度在40～160℃的中低温燃料电池，如氢/氧质子交换膜燃料电池、氢/空气质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池以及天然气等其他类型燃料的燃料电池。
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统与现有技术相比，具有以下的优点和有益效果：
(1)采用燃料电池堆发热的热驱动原理，实现了无泵冷却工质的循环，使得整个燃料电池体系的紧凑、简单，体积小，重量轻，可靠性高，适于作为便携式设备和可移动器具车辆等的动力电源；
(2)由于在微通道内发生了欠热沸腾现象，利用冷却工质的相变过程，增强了冷却效果，能使电池内部的废热迅速排出，可保持电池堆内部的工作温度稳定；
(3)本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统属于被动装置，无需任何机械运动部件，避免了由于驱动机械装置所需的额外功率负荷，有利于提高电池的总体使用效率。整个装置全密封维护、运行可靠、无噪音、无磨损、寿命长；
(4)整个热动冷却系统实现了全封闭式循环回路，杜绝了冷却工质的泄漏浪费，不但降低了成本，而且还有利于环境保护；
(5)可以根据电池排热负荷的要求来调整冷却工质的种类、配比、沸点或共沸点、装填量和填充比等参数，从而实现电池堆工作温度的自如控制。
附图说明
图1为本发明燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的剖视结构示意图；
图2为本发明燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的外形结构示意图；
图3-I～3-V为图1、2所示双极板内腔微通道截面形状的示意图；
图4-I～4-VII为图1、2所示双极板内腔微通道的排布方式的示意图；
图5-I为图1、2所示双极板内多组微通道通过细槽串联的示意图；
图5-II为图1、2所示双极板内多组微通道通过细槽并联的示意图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、2所示，本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统由内腔带有微通道蒸发器的金属双极板1、冷凝管4组成，冷凝管4通过具有单向导通功能的入口微止回阀3、出口微止回阀2与微通道连通，冷凝管4、微通道内有循环流动的冷却工质5，冷凝管4上设置有散热金属翅片6，并连接有冷却工质贮罐8。
所述双极板1内腔中的微通道是先在一块不锈钢平板表面加工出一些宽1mm、深1mm的微型槽道，其截面形状为方形，如图3-IV，再和另一块一面带有蛇行气体流道的不锈钢平板的反面组合封装构成，两块平板之间使用硅橡胶线密封。如图5-II，多组微通道之间通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-I，每组微通道的排布方式采用平行并联式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的不锈钢毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由塑料基材制成。冷却工质采用甲醇-四氯化碳(配比为1∶4)共沸物，共沸物的沸点为55.7℃。将本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统与膜电极7装配成直接甲醇燃料电池(DMFC)单电池，在工作温度为55℃下，电池能长时间稳定地工作。
实施例2
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而其中双极板1内腔中微通道是先在一块铝平板表面加工出一些半径为0.5mm的微型槽道，其截面形状如图3-I，再和另一块一面带有蛇行气体流道的铝平板的反面组合封装构成，两块平板之间使用硅橡胶线密封。如图5-I，多组微通道之间通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽串联，如图4-II，每组微通道的排布方式采用井字式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的不锈钢毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由不锈钢基材制成。冷却工质采用乙醇-氯仿(配比为7∶93)共沸物，共沸物的沸点为59.4℃。将本燃料电池微通道热动冷却系统与膜电极7装配成氢/氧燃料电池单电池，在工作温度为60℃下，电池能长时间稳定工作。
实施例3
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而其中双极板内腔中微通道是先在一块紫铜平板表面加工出一些高1mm、底边宽1mm的微型槽道，其截面形状如图3-III，再和另一块一面带有蛇行气体流道的紫铜平板的反面组合封装构成，两块平板之间使用硅橡胶线密封。如图5-II，多组微通道之间可以通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-III，每组微通道的排布方式采用斜式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的紫铜毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由不锈钢基材制成。冷却工质采用溴苯-异戊酸丙酯(配比为2∶3)共沸物，沸点为154.5℃。将该热动冷却系统与膜电极7装配成重整天然气/氧气燃料电池单电池，在工作温度为155℃下，电池能长时间稳定工作。
实施例4
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而双极板内腔中微通道是先将直径为1mm的不锈钢毛细管埋入石墨粉与树脂的混合物中，再通过在模具中压制成其表面一面具有蛇行流道、另一面有贯通式细槽、而内腔含微通道的双极板。其微通道截面形状如图3-V。如图5-II，多组微通道之间可以通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-IV，每组微通道的排布方式采用回字式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的铜毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由塑料基材制成。冷却工质采用四氯化碳-乙酸乙酯(配比为3∶2)共沸物，沸点为75℃。将该微型高效热动自循环冷却系统与膜电极7装配成直接甲醇燃料电池单电池，在工作温度为75℃下，电池能长时间稳定工作。
实施例5
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而其中双极板内腔中微通道是先在一块铝合金平板表面加工出一些高1mm、底边宽1mm的微型槽道，其截面形状如图3-II，再和另一块一面带有蛇行气体流道的铝合金平板的反面组合封装构成，两块平板之间使用硅橡胶线密封。如图5-II，多组微通道之间可以通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-V，每组微通道的排布方式采用蛇行式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的铝毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由塑料基材制成。冷却工质采用四氯化碳-丙醇-水(配比为84∶11∶5)共沸物，沸点为65.4℃。将该微型高效热动自循环冷却系统与膜电极7装配成氢/空气燃料电池单电池，在工作温度为65℃下，电池能长时间稳定工作。
实施例6
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而其中双极板内腔中微通道是先在一块不锈钢平板表面加工出一些高1mm、底边宽1mm的微型槽道，其截面形状如图3-II，再和另一块一面带有蛇行气体流道的不锈钢平板的反面组合封装构成，两块平板之间使用硅橡胶线密封。如图5-II，多组微通道之间可以通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-VI，每组微通道的排布方式采用锯齿式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的不锈钢毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由不锈钢基材制成。冷却工质采用甲酸丁酯-甲基环戊烷(配比为35∶65)共沸物，沸点为96℃。将该微型高效热动自循环冷却系统与膜电极7装配成氢/氧燃料电池单电池，在工作温度为95℃下，电池能长时间稳定工作。
实施例7
本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的结构与实施例1相同。而双极板内腔中微通道是先将直径为1mm的不锈钢毛细管埋入石墨粉与树脂的混合物中，再通过在模具中压制成其表面一面具有蛇行流道、另一面有贯通式细槽、而内腔含微通道的双极板。其微通道截面形状如图3-V。如图5-II，多组微通道之间可以通过截面面积是微通道截面面积的2～3倍的细槽并联，如图4-VII，每组微通道的排布方式采用螺旋式。冷凝管采用直径为3mm、壁厚为1mm的铝合金毛细管。微止回阀使用美国Lee公司生产的微止回阀，其直径为10mm、壁厚为2mm，由不锈钢基材制成。冷却工质采用甲酸乙酯-2，3二甲基丁烷(配比为52∶48)共沸物，沸点为45℃。将该微型高效热动自循环冷却系统与膜电极7装配成直接甲醇燃料电池单电池，在工作温度为45℃下，电池能长时间稳定工作。
如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (10)

1、燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过入、出口微止回阀与微通道连通。
2、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述双极板是具有高导热系数的金属板制成或者以石墨粉为基材压制而成。
3、根据权利要求2所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述金属包括不锈钢、铜、铝以及各种合金，两块金属板之间采用硅橡胶线密封。
4、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道其尺寸为毫米级或微米级。
5、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道的截面形状包括圆形、弧形、方形、三角形、梯形。
6、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道在双极板内的排列方式为平行并联式排布，或者为井字式、斜式、蛇行式、螺旋式、回字式或锯齿式。
7、根据权利要求6所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道在双极板内的排列方式采用多组微通道并联或串联的方式排列，各组微通道之间通过细槽并联或串联。
8、根据权利要求7所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述细槽的截面面积是微通道截面面积的2～3倍。
9、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述冷凝管是由金属或塑料毛细管制成，所述金属包括不锈钢、铜、铝或者合金。
10、根据权利要求1或9所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，冷凝管上设置有散热金属翅片，并连接有冷却工质贮罐。
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Open date: 20071205