CN101378131B - 一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法，其中供电散热装置至少包括一个燃料电池堆，所述燃料电池堆固定在便携设备主机所在的壳体的内部；该燃料电池堆与便携设备使用相同的散热系统进行散热。应用本发明提供的技术方案，使得燃料电池供电散热装置与便携设备实现了一体化设计，提高了便携设备的系统集成度，降低了现有的使用燃料电池的便携设备的生产成本、重量和体积；且本发明中，实现了预热装置与便携设备的集成，充分利用电池本身散发的热量和便携设备产生的热量进行预热，提高了燃料的效能减少了预热设备。

Description

一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法

技术领域

本发明涉及对便携设备的供电技术，特别是指一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法。

背景技术

燃料电池作为便携设备的直接电源，具有高能量密度和高能量转化率，长寿命，能够便携移动的优点。燃料电池本身是一个包含多个子系统的复杂系统，具体包括燃料供应系统、微化工系统、燃料电池堆、电路系统、散热系统等。如图1所示，现有技术中，燃料电池散热系统的工作原理通常都是遵循着：由外界的常温空气将便携设备产生的热量带走或者传递给散热系统并排出；这种燃料电池采取常温空气携带燃料电池堆产生的过多的热量并排出便携设备的方法，虽然与便携设备本身的散热系统很相似，但是却没有与便携设备的散热系统较好的结合起来。而利用阳级的液体燃料流动带走热量的办法的缺点在于燃料进口端和燃料出口端的温差较大，并且如果便携设备的散热量增大，单纯依靠液体燃料的流动无法带走这些热量。

同时在预热方面，常温空气作为阴极反应气体没有经过预热，或者由燃料电池堆产生的热量对位于阳极的液体燃料进行预热，但是需要增加一套燃料预热系统，无疑会增加便携设备的成本、重量和能耗。同时在现有的技术中，燃料电池与便携设备的结合技术是把燃料电池作为一个外部设备，与便携设备只是简单的叠加组合，因此导致燃料电池与便携设备结合之后，体积增大，重量增加，严重影响了便携性。

发明内容

本发明的目的是提供一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法，用于解决现有技术中，燃料电池作为一个外部设备与便携设备结合之后所导致的便携设备体积增大、重量增加等缺陷；同时解决现有技术中燃料电池散热系统与便携设备的散热系统结合较差以及燃料电池反应气体、液体燃料预热效果不好的缺陷。

一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置，至少包括：一个燃料电池堆，所述燃料电池堆固定在便携设备主机所在的壳体的内部；该燃料电池堆与便携设备使用相同的散热系统进行散热；所述相同的散热系统至少包括高导热部件；所述高导热部件的吸热面以预定的间隔位于所述便携设备的热量产生部件的周围，或者直接与该热量产生部件接触；该高导热部件的热量传递部延伸进入所述燃料电池堆并与该电池堆反应极接触，将该高导热部件吸收的热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。

上述装置中，所述散热系统进一步包括泵；所述泵至少包括两个进风口B、D，其中进风口D以预定的间隔贴近所述热量传递部，用于吸收携带了该热量传递部散发的热量的空气；所述进风口B贴近所述燃料电池堆，用于吸收携带了该燃料电池堆热量的空气；所述泵进一步包括一个出风口A，该出风口A用于将该泵吸收的携带了热量的升温气体排出泵。

上述装置中，所述热量传递部与泵之间进一步包括一个散热元件；所述热量传递部与所述散热元件接触，该散热元件的散热面以预定的间隔位于所述泵的进风口D处，该散热元件吸收所述热量传递部的热量并散发到周围的空气中，该些空气被所述泵吸收。

上述装置中，所述泵进一步包括第二个出风口C，该出风口C连接的输送管路连通所述燃料电池堆的反应极，该泵中的所述升温气体进入所述燃料电池堆反应极，其中一部分作为反应气体进入反应极参加反应，另一部分作为预热气体对液体燃料进行预热。

上述装置中，所述燃料电池堆的反应极的两个面中，一个面安置输送液体的燃料管道，该燃料管道具有多处弯曲部，且该燃料管道与反应极的接触面积达到预定的数值；所述反应极的另一个面安置预热管道，该预热管道用于通过预热气体，且该预热管道内部有多处障碍用于阻止所述预热气体在该管道内的径直流动；该预热管道与所述反应极的接触面积达到预定的数值。

上述装置中，所述泵的出风口C连接输送管路，该输送管路与所述燃料电池堆反应极的预热管道连通，该输送管路中的升温气体作为预热气体进入该燃料电池堆的所述预热管道，该预热气体携带的热量被该预热管道的内壁吸收；且该输送管路与所述燃料电池堆反应极的输送反应气体的管路连通，则所述升温气体作为反应气体进入反应极参加反应。

上述装置中，所述高导热部件是热管，且该热管的吸热面所吸收的热量加热该热管中的空气。

上述装置中，所述高导热部件、散热元件、泵均通过螺钉或者粘胶固定在便携设备内部的预定位置。

上述装置中，所述泵的进风口B进一步通过气体管路连通所述燃料电池堆，该泵内部形成负压来吸收携带该燃料电池堆热量的空气，所述泵连接的各个管路是直管路，或者至多有一个弯曲部。

一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热方法，将燃料电池堆、散热系统固定在便携设备的内部；该燃料电池堆与所述便携设备使用相同的散热系统进行散热；且所述散热系统吸收便携设备散发的热量，并吸收燃料电池堆反应时散发的热量；所述相同的散热系统至少包括高导热部件；所述高导热部件的吸热面吸收便携设备的热量产生部件所产生的热量；且该高导热部件的热量传递部延伸进入所述燃料电池堆并与该电池堆反应极接触，将该高导热部件吸收的热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。

上述方法中，所述散热系统进一步包括泵；外界空气进入便携设备内部后，一部分进入燃料电池堆后吸收该电池堆的热量，该吸收热量后的空气被泵吸收；所述高导热部件吸收便携设备的热量产生部件所产生的热量，通过该高导热部件的热量传递部进行传递并散发到空气中，由所述泵吸收该些空气；所述泵将该泵吸收的携带热量的空气用于预热或者排出泵。

上述方法中，所述泵将所述携带热量的空气用于预热进一步包括：将所述携带热量的空气作为升温气体，其中一部分通过输送管路送入所述燃料电池堆的预热管道，由该预热管道吸收该升温气体的热量并对液体燃料进行预热；并将该些升温气体的另一部分作为反应气体通过输送管路送入反应极参加反应。

应用本发明提供的技术方案，使得燃料电池供电散热装置与便携设备实现了一体化设计，通过提高便携设备的系统集成度，降低了现有的使用燃料电池的便携设备的生产成本、重量和体积；且本发明的燃料电池预热、散热方案中，实现了燃料电池散热系统与便携设备散热系统的集成；并充分利用电池本身散发的热量和便携设备产生的热量预热参加反应的液体燃料和反应气体，提高了燃料的效能并减少了预热设备。

附图说明

图1为现有技术中燃料电池的工作原理示意框图；

图2为本发明实施例燃料电池供电散热装置结构示意图；

图3为本发明实施例燃料电池供电散热装置结构示意图；

图4为本发明实施例燃料电池供电散热装置中进行散热、预热时的空气流向示意图；

图5为本发明实施例燃料电池堆反应极的A面；

图6为本发明实施例燃料电池堆反应极的B面；

图7为本发明实施例燃料电池散热、预热的工作原理示意框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和实施效果更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明的目的是提供一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置和方法。该燃料电池供电散热装置用于解决现有技术中，燃料电池作为一个外部设备与便携设备结合之后所导致的便携设备体积增大、重量增加等缺陷；同时解决现有技术中燃料电池散热系统与便携设备的散热系统结合较差以及燃料电池反应气体、液体燃料预热效果不好的缺陷。

如图2所示的燃料电池供电散热装置包括燃料电池堆，并进一步包括用于散热的高导热部件102。

所述燃料电池堆中利用液体燃料和反应气体进行反应产生电流，该电流经过稳压等处理后为便携设备提供电能，该燃料电池堆作为一个独立的器件位于便携设备内部，通过螺钉或者胶体等方式固定在便携设备的主机所在的壳体内部，但是并不限定该燃料电池堆安置的具体位置，例如，如果所述燃料电池堆是一个扁平的器件，则可以固定在主机所在壳体的底部，当所述燃料电池堆是一个长方体或者圆柱体，则允许其固定在主机所在壳体内部的边缘位置。所述的高导热部件102通过螺钉或者胶体等方式固定在便携设备的主机所在的壳体内部，其吸收热量的吸热面以预定的间隔尺寸位于便携设备本身的热量产生部件101的周围甚至与其贴合接触；通过以上途径，高导热部件102实现了对热量产生部件101的散热，并且高导热部件102的热量传递部延伸进入燃料电池堆并与该电池堆反应极的阳极和阴极接触，由该电池堆反应极吸收其传递过来的热量，并将该些热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。需要说明的是，此时也可以在燃料电池堆的外部增加一个散热器108，这个散热器108可以是风扇或者是用于吸热的泵。

图2所示燃料电池供电散热装置还可以增加散热元件103、泵104、若干个管路，增加上述部件后的供电散热装置如图3所示，为了绘图描述的方便，图中的燃料电池堆绘制在该图的上部；高导热部件102自身的热量传递部与散热元件103接触，所述散热元件103可以固定在便携设备内部靠近该高导热部件102的某一个位置，在该散热元件103散热面的外部设置泵104，该泵104用于收集该散热元件103周围的被加热的气体，因此泵104的进风口D以预定间隔靠近或者直接紧贴散热元件103的散热面，该泵104除了进风口D之外至少包括进风口B，出风口A和C，其中出风口A连通排气管路105，用于将泵104内的气体排出泵104外，且该排气管路105可以直接通到便携设备的外部；进风口B连通气体管路106，通过在泵的内部形成负压来吸收燃料电池堆中被加热的空气通过该气体管路106进入泵104中；出风口C连接输送管路107，通过该输送管路107将泵104中的升温气体送入燃料电池堆。

考虑到工业上规模化生产的现实性，对于以上提到的高导热部件102、散热元件103、泵104，以及各个管路等均可以提供标准的固定位置；所述的热量产生部件101具体包括CPU、显卡等便携设备中能够散发大量热量的元器件；考虑到对反应气体预热等的效率要求，上述的各种管路尽可能采用弯曲部较少的管路，例如在图3所示的实施例中，气体管路106、输送管路107只有一处弯曲部。以上所述的高导热部件102可以采用热管，也可以采用其它类型的导热材料或元件。

以上描述了本发明中燃料电池供电散热装置内嵌在便携设备内部，实现了燃料电池与便携设备的一体化，同时实现了燃料电池散热系统与便携设备的散热系统的结合。进一步地，本发明还提供了利用来自燃料电池堆和便携设备热量产生部件101的热量对参加反应的液体燃料和反应气体进行预热的技术，如图4所示，并结合图3中描述的燃料电池供电散热装置进行描述，图4中的箭头表示了气体流动的方向，从外界输入的常温空气从燃料电池堆进入，吸收了该电池堆由于反应极的化学反应所散发的热量后形成加热空气，此时，由于泵104内负压的作用，这些加热空气通过气体管路106进入泵104中；而便携设备主要的热量产生部件101的热量，则被高导热部件102收集并传递给散热元件103，而进入便携设备的常温空气的一部分通过与该散热元件103接触形成热空气，这些热空气大部分被泵104吸收；因此泵104内的气体主要由来自散热元件103的热空气和来自燃料电池堆的加热空气组成，混合后的空气称为升温气体，该些升温气体的一部分通过输送管路107直接进入燃料电池堆反应极(通常是阴极)，作为加热后的反应气体参加燃料电池的反应；另一部分通过输送管路107进入燃料电池堆反应极(通常是阳极)，在电极板上对液体燃料进行预热。如果泵104内的升温气体过多，则通过出风口A连通的排气管路105直接排出。

经过预热的反应气体和液体燃料，在燃料电池堆的反应极进行反应时，其反应效率显著提高，并因此使得燃料电池性能得以提高。以支持并使用IntelNAPA平台的便携设备为例，主要热量产生部件的最大散热功率为67.9w，按照现有的技术，可以收集其中60％左右即功率40W左右的热量，其余的热量以散热的方式通过便携设备本身散发到外界。同时对于燃料电池来说，以反应效率为70W左右的燃料电池堆为例，其供电效率按照60％计算，则约有功率30W的热量可以被收集。

由上述描述可知，应用本发明的装置可以从热量产生部件和燃料电池堆中一共收集约70W左右的热量用于预热，在电池堆中，液体燃料和反应气体以室温进入，根据公式Q＝mc_pΔT计算液体燃料和反应气体预热后升高的温度，其中Q是用于预热的热量，单位是焦耳，m是被预热的反应气体或液体燃料的质量，单位是千克，ΔT是升高的温度，单位是开尔文，上述70W左右的热量，其中大约一半的热量给予阳极的液体燃料；例如对于250ml纯液体燃料(通常是甲醇)，稀释到5％则可以提供5小时的电力，功率30w的热量可以使其温度升高：

30*5*3600＝4.19*1000*(250/5％*10^-6)*1000*ΔT

ΔT＝25K

另一半的热量用于预热反应气体，对于0.0012kg/s的流量，可以使其温度升高：

ΔT＝Q/(mc_p)＝30/(1005*0.0012)＝24.8K

即，位于阴极的反应气体和位于阳极的液体燃料均升高25开尔文左右；而在实际的反应过程中，温度每升高20度，大约可以使电池性能提高1.4倍。

仍以图3所示的燃料电池供电散热装置为例进行说明，图中燃料电池堆的反应极的结构如图5、6所示，其中为了描述方便，以图5所示的反应极的面为A面，即液体燃料的燃料管道被安置在反应极的A面上；以图6中的反应极的面为B面，升温气体流经的预热管道被安置在所述反应极的B面，预热气体从预热管道入口进入后，在预热管道中通过与位于反应极的预热管道内壁大面积的接触，其所携带的热量被预热管道吸收并通过电极板的换热作用对液体燃料进行预热。

上述的作为反应极的电极板实质上起到了换热器的作用，该电极板吸收预热气体的热量并对液体燃料进行预热，A面上的燃料管道被设计成有多处弯曲部的曲折的管路，加大了与反应极的接触面积。需要说明的是，图5、图6所示的燃料管道以及预热管道的形状只是本发明的一个较佳实施例，而不是唯一的。

与以上描述的内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置相配合，本发明还提出了一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热方法，将燃料电池堆、散热系统固定在便携设备的内部；散热系统吸收便携设备散发的热量，并吸收燃料电池堆反应时散发的热量。

上述方法的工作原理如图7所示，散热系统至少包括高导热部件102；所述高导热部件102的吸热面吸收便携设备的热量产生部件101所产生的热量；且高导热部件102的热量传递部延伸进入所述燃料电池堆并与反应极接触，将高导热部件102吸收的热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。

所述散热系统进一步包括泵104，当增加了泵104之后，可以在泵与高导热部件102的热量传递部之间进一步增加一个散热元件103。散热元件103散发的热量加热了周围的空气，经过加热后的热空气由泵104的进风口进入泵104内。外界的常温空气进入所述燃料电池堆，这些常温空气吸收燃料电池堆的散热形成加热空气；由于泵104内的负压作用，加热空气进入与泵104连通的管路到达泵104。泵104在接收了上述的两部分空气后，混合形成了升温气体，这些升温气体中的一部分进入燃料电池堆反应极(通常是阴极)直接作为反应气体参加反应；另一部分则进入燃料电池堆反应极(通常是阳极)对液体燃料进行预热，且该阳极可以是图5、图6中所示的结构，预热后的液体燃料参加反应，生成的物质可以通过其它途径排出。

应用本发明提供的技术方案，使得燃料电池供电散热装置与便携设备实现了一体化设计，提高了便携设备的系统集成度，降低了现有的使用燃料电池的便携设备的生产成本、重量和体积；且本发明中，实现了预热装置与便携设备的集成，充分利用电池本身散发的热量和便携设备产生的热量进行预热，提高了燃料的效能减少了预热设备。

应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，所有的参数取值可以根据实际情况调整。且在该权利保护范围内，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热装置，其特征在于，至少包括：

一个燃料电池堆，所述燃料电池堆固定在便携设备主机所在的壳体的内部；该燃料电池堆与便携设备使用相同的散热系统进行散热；

所述相同的散热系统至少包括高导热部件；

所述高导热部件的吸热面以预定的间隔位于所述便携设备的热量产生部件的周围，或者直接与该热量产生部件接触；

该高导热部件的热量传递部延伸进入所述燃料电池堆并与该电池堆反应极接触，将该高导热部件吸收的热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热系统进一步包括泵；

所述泵至少包括两个进风口B、D，其中进风口D以预定的间隔贴近所述热量传递部，用于吸收携带了该热量传递部散发的热量的空气；

所述进风口B贴近所述燃料电池堆，用于吸收携带了该燃料电池堆热量的空气；

所述泵进一步包括一个出风口A，该出风口A用于将该泵吸收的携带了热量的升温气体排出泵。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热量传递部与泵之间进一步包括一个散热元件；

所述热量传递部与所述散热元件接触，该散热元件的散热面以预定的间隔位于所述泵的进风口D处，该散热元件吸收所述热量传递部的热量并散发到周围的空气中，该些空气被所述泵吸收。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述泵进一步包括第二个出风口C，该出风口C连接的输送管路连通所述燃料电池堆的反应极，该泵中的所述升温气体进入所述燃料电池堆反应极，其中一部分作为反应气体进入反应极参加反应，另一部分作为预热气体对液体燃料进行预热。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃料电池堆的反应极的两个面中，一个面安置输送液体的燃料管道，该燃料管道具有多处弯曲部，且该燃料管道与反应极的接触面积达到预定的数值；

所述反应极的另一个面安置预热管道，该预热管道用于通过预热气体，且该预热管道内部有多处障碍用于阻止所述预热气体在该管道内的径直流动；该预热管道与所述反应极的接触面积达到预定的数值。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述泵的出风口C连接输送管路，该输送管路与所述燃料电池堆反应极的预热管道连通，该输送管路中的升温气体作为预热气体进入该燃料电池堆的所述预热管道，该预热气体携带的热量被该预热管道的内壁吸收；

且该输送管路与所述燃料电池堆反应极的输送反应气体的管路连通，则所述升温气体作为反应气体进入反应极参加反应。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高导热部件是热管，且该热管的吸热面所吸收的热量加热该热管中的空气。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述高导热部件、散热元件、泵均通过螺钉或者粘胶固定在便携设备内部的预定位置。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述泵的进风口B进一步通过气体管路连通所述燃料电池堆，该泵内部形成负压来吸收携带该燃料电池堆热量的空气，所述泵连接的各个管路是直管路，或者至多有一个弯曲部。

10.一种内嵌于便携设备的燃料电池供电散热方法，其特征在于，将燃料电池堆、散热系统固定在便携设备的内部；该燃料电池堆与所述便携设备使用相同的散热系统进行散热；

且所述散热系统吸收便携设备散发的热量，并吸收燃料电池堆反应时散发的热量；

所述相同的散热系统至少包括高导热部件；

所述高导热部件的吸热面吸收便携设备的热量产生部件所产生的热量；且该高导热部件的热量传递部延伸进入所述燃料电池堆并与该电池堆反应极接触，将该高导热部件吸收的热量传递给位于所述反应极的液体燃料和反应气体。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述散热系统进一步包括泵；

外界空气进入便携设备内部后，一部分进入燃料电池堆后吸收该电池堆的热量，该吸收热量后的空气被泵吸收；

所述高导热部件吸收便携设备的热量产生部件所产生的热量，通过该高导热部件的热量传递部进行传递并散发到空气中，由所述泵吸收该些空气；

所述泵将该泵吸收的携带热量的空气用于预热或者排出泵。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述泵将所述携带热量的空气用于预热进一步包括：

将所述携带热量的空气作为升温气体，其中一部分通过输送管路送入所述燃料电池堆的预热管道，由该预热管道吸收该升温气体的热量并对液体燃料进行预热；

并将该些升温气体的另一部分作为反应气体通过输送管路送入反应极参加反应。

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