CN106784921A - 一种直接甲醇燃料电池及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直接甲醇燃料电池及电池组，直接甲醇燃料电池包括阳极极板、膜电极、阴极极板，膜电极位于阳极极板、阴极极板之间；还包括：使用PCM相变材料与脉动热管耦合的散热装置；阳极极板的外层、阴极极板的外层均集成有散热装置；膜电极与阳极极板之间、膜电极与阴极极板之间均设置绝缘垫；两侧的散热装置外侧采用夹具进行封装。直接甲醇燃料电池组，由所述的直接甲醇燃料电池串联或并联而成。本发明采用PCM相变材料与脉动热管耦合成散热装置，集成在阴阳极极板两侧，组成直接甲醇燃料电池新结构，使直接甲醇燃料电池稳定工作在最佳工作温度。

Description

一种直接甲醇燃料电池及电池组

技术领域

本发明属于直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池及电池组。

背景技术

燃料电池是一种电化学的发电装置，通过电化学反应将持续供给的燃料和氧化剂的化学能连续不断地转化为电能。相对内燃机而言，它不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，二氧化碳的排放量也比常规放电厂少40%以上；相对蓄电池而言，燃料电池的能量密度和功率密度高，且无需等待充电。由于这些突出的优点，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的关注，被认为是21世纪首选的、洁净的、高效的发电技术。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且必将推动电子工业、材料工业、医疗通讯等领域的技术进步，对提高资源利用率和解决环境污染问题等国家战略需求具有重要意义。

直接甲醇燃料电池使用甲醇作为燃料，具有燃料来源丰富、价格低廉、操作方便和易于小型化等优点，其阴极的反应物为空气中的氧气，反应产物为水。直接甲醇燃料电池的工作温度需低于150℃，但是，当作为便携式电子产品的电源供给时，需根据实际情况调节电池的尺寸或者电池组的级联数目。当电池产品需要的电压或电流很大时，燃料电池或电池组内部电化学反应随之加剧，反应放出的热量无法忽略，当直接甲醇燃料电池工作温度超过85℃时，内部催化剂活性下降，质子交换膜失水，直接影响输出功率密度。因此，基于燃料电池的能源系统的自适应热管理至关重要，既不能超过此类型燃料电池工作温度的上限，又不能使电池的工作温度过低，影响电催化剂的活性。而作为电池的散热和温度控制系统，主动式控制方法由于要消耗电能，不利于提高电池及电池组有效的输出功率密度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种直接甲醇燃料电池及电池组，采用相变材料与脉动热管耦合成散热装置，集成在阴极极板和阳极极板两侧，组成直接甲醇燃料电池的新结构，使直接甲醇燃料电池稳定工作在最佳工作温度，以解决由于电化学反应导致温度过高或过低，从而影响催化剂活性和直接甲醇燃料电池性能的问题。

本发明是通过如下方案实现的：

一种直接甲醇燃料电池，包括阳极极板、膜电极、阴极极板，膜电极位于阳极极板、阴极极板之间；还包括：使用PCM相变材料与脉动热管耦合的散热装置；阳极极板的外层、阴极极板的外层均集成有散热装置；膜电极与阳极极板之间、膜电极与阴极极板之间均设置绝缘垫；两侧的散热装置外侧采用夹具进行封装。

所述阴极极板或阳极极板一侧表面设置若干条通透性沟槽，阴极极板或阳极极板表面的通透性沟槽朝向绝缘垫一侧。

一种直接甲醇燃料电池组，由所述的直接甲醇燃料电池串联或并联而成。

所述散热装置，包括由PCM相变材料填充的散热板、翅片、脉动热管，散热板开有若干条通透性沟槽，脉动热管安装在沟槽中，翅片安装在脉动热管的蒸发端和冷凝端，翅片伸出散热板以增大自然对流的散热面积。

所述脉动热管为U型，其弯曲侧作为蒸发端位于近膜电极端，U型结构的两个端部均为冷凝端。

所述PCM相变材料根据直接甲醇燃料电池的最佳工作温度来选取。

一种所述的直接甲醇燃料电池的散热方法，直接甲醇燃料电池工作过程中，当直接甲醇燃料电池温度上升时，PCM相变材料吸热，同时脉动热管的蒸发端的热管工作物质如水或乙醇等由于受热沸腾，形成气泡，气泡上升至脉动热管的冷凝端破裂，工作物质液化回流到脉动热管的蒸发端，而将热量带到脉动热管的冷凝端；此时散热板外部表面聚集了大量的由脉动热管和PCM相变材料从直接甲醇燃料电池吸收来的热量，通过翅片增大散热面与空气接触的面积从而加强空气对流，完成了一次散热过程。

有益效果：

本发明采用PCM相变材料与脉动热管耦合成散热装置，集成在阴阳极极板两侧，组成直接甲醇燃料电池新结构，使直接甲醇燃料电池稳定工作在最佳工作温度。

（1）使用PCM相变材料与脉动热管耦合进行散热，能够自发将温度稳定在PCM相变材料的相变温度；（2）使用相变传热与脉动热管传热，同时加入翅片加大自然对流传热的接触面积，具有很高的传热效率；（3）由于尺寸或者级联的单体电池数导致最佳工作温度改变时，只需要改变PCM相变材料使其相变温度与反应最佳工作温度想符合即可，具有极高的灵活性；（4）阴极极板结构由于具有通透性的沟槽，利于阴极与气体接触，也更容易进行级联装配。同时，本发明还具有制作成本低，占用空间小，直接甲醇燃料电池性能稳定性高的优点，利于推广应用。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中直接甲醇燃料电池的分解结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中直接甲醇燃料电池组示意图；

图3是本发明具体实施方式中散热装置的结构示意图，（a）是散热装置A-A向剖视图，（b）是散热装置的主视图；

图4是本发明具体实施方式中阴极极板的结构示意图，（a）是阴极极板B-B向剖视图，（b）是阴极极板的主视图；

其中：1——夹具；2——散热装置；3——阴极极板；4——绝缘垫；5——膜电极；6——阳极极板；7——脉动热管；8——散热板；9——翅片；10——蒸发端；11——冷凝端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式提供一种如图1所示的直接甲醇燃料电池，包括阳极极板6、膜电极5、阴极极板3及使用PCM相变材料与脉动热管耦合的散热装置2；膜电极5位于阳极极板6、阴极极板3之间，且阳极极板6的外层、阴极极板3的外层均集成有散热装置2；膜电极5与阳极极板6之间、膜电极5与阴极极板3之间均设置绝缘垫4；两侧的散热装置2外侧采用夹具1进行封装。阴极极板3、膜电极5及绝缘垫4和阳极极板6装配在一起形成“三明治”结构。在“三明治”结构两侧放置用于稳定直接甲醇燃料电池温度的散热装置2，形成对称散热结构，使直接甲醇燃料电池内热量分布更均匀。

膜电极5主要由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层等部件组成，而散热装置2集成到阴极极板3和阳极极板6的外层（非与膜电极5的接触面）。

利用微细精密加工技术制作出直接甲醇燃料电池阴极极板3或阳极极板6结构模具然后冲压不锈钢制成阴极极板3或阳极极板6。封装所使用的夹具1利用微细精密加工技术加工高分子材料( 如有机玻璃、塑料等)制成，将装配好的直接甲醇燃料电池用螺栓从夹具1与绝缘垫4的孔洞中固定好，形成一定的封装压力，保证直接甲醇燃料电池不会漏液及阳极极板6、阴极极板3连接的紧密性。

阴极极板3或阳极极板6一侧表面设置若干条通透性沟槽，安装时，阴极极板3或阳极极板6表面的通透性沟槽朝向绝缘垫4一侧。

上述直接甲醇燃料电池为单体电池，通过单体电池的串联或并联即成直接甲醇燃料电池组，如图2所示的直接甲醇燃料电池组为两个单体电池并联而成。

本实施方式中散热装置2如图3（a）~（b）所示，包括由PCM相变材料填充的散热板8、翅片9、脉动热管7，散热板8开有若干条通透性沟槽，脉动热管7安装在沟槽中，翅片9安装在脉动热管7的蒸发端10和冷凝端11，翅片9伸出散热板8以增大自然对流的散热面积。脉动热管7为U型，其弯曲侧作为蒸发端10位于近膜电极端，U型结构的两个端部均为冷凝端11。脉动热管7能够在热驱动下进行自我振荡，使得工作物质在蒸发端10和冷凝端11之间振荡流动，从而实现热量的传递。由PCM相变材料填充的散热板8中，PCM相变材料是随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质，相变过程中相变材料将吸收或释放大量的潜热，可以根据直接甲醇燃料电池的最佳工作温度来选取合适的PCM相变材料。翅片9选择导热系数大的材料（如铝基板，铜基板等）制成，能有效增大自然对流的散热面积；散热装置2通过将散热板8、翅片9、脉动热管7有机耦合从而大大提高了散热效率，同时能将温度稳定在PCM相变材料的相变温度。

脉动热管7内部无吸液芯，因此它具有体积小、结构简单、无毛细结构、高效的传热性能等诸多优点，可用于微小空间和高热流密度的条件下。脉动热管7由毛细管经蛇形弯曲而成，其中一端是蒸发端，另一端则是冷凝端，中间部分是由绝热材料包裹着的绝热段。按是否闭合，脉动热管7主要有开式回路与闭式回路两种类型，本实施方式中使用的是开式回路。虽然脉动热管2结构简单，但它有极其复杂的运行特性，传热理论也较普通热管复杂得多。脉动热管2内部工作物质存在着汽液相变、汽液流动与汽液传热，包含着错综复杂的现象，比如，在蒸发端10工质吸热沸腾，核化产生气泡，并不断积聚长大；受脉动热管7内温度和压力的影响，气泡不断上升到冷凝端11冷却破裂，且由于存在压力和温度的波动导致内部气泡运行的不稳定性；随着温度的变化工作物质会呈现泡状流、环状流等各种流型的转换与交杂，受工作物质和温度的影响可能会导致脉动热管7内部烧干。因此，脉动热管的传热运行受众多因素的影响。

PCM相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，PCM相变材料吸收并储存大量的潜热；当PCM相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

散热装置2将散热板8、翅片9、脉动热管7有机耦合，当直接甲醇燃料电池温度上升时，PCM相变材料吸热，同时脉动热管7的蒸发端10的工作物质由于受热沸腾，上升至冷凝端11破裂，工作物质液化回流到蒸发端10，而将热量带到冷凝端11。此时外部表面聚集了大量的由脉动热管7和PCM相变材料从直接甲醇燃料电池吸收来的热量，通过翅片9增大散热面与空气接触的面积从而加强空气对流。这样就完成了一次散热过程。PCM相变材料为复合PCM，是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能有效克服单一的无机物PCM(如水合盐类、熔融盐类)或有机物（如石蜡、醋酸等）相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能，原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。常用的PCM复合材料有PCM涂层复合材料，PCM填充复合材料等，在实际中可以根据电池的最佳工作温度来选取合适的PCM材料。

图4（a）~（b）为阴极极板3的结构示意图。在阴极极板3上制作通透性沟槽，增大了阴极与氧气的接触面积，提高了阴极参与反应的氧气的供给量。同时也便于与散热装置2的装配。

直接甲醇燃料电池是一种直接将电化学反应能转变为电能的高效发电装置。直接甲醇燃料电池工作时，阳极流场内甲醇水溶液通过扩散作用通过扩散层，到达阳极催化层，进行氧化反应，生成CO₂气体、质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极催化层，电子通过外电路到达阴极催化层，二者与通过自然对流作用到达阴极催化层的氧气发生还原反应，生成产物H₂O。其中，膜电极中的质子交换膜是一种高分子有机膜，其质子传导率的强弱直接依赖于内部的水含量，如果直接甲醇燃料电池温度过高，会使膜电极失水，从而导致质子传导率急剧下降。由于直接甲醇燃料电池内部的电化学反应是放热反应，并且热量会随着反应的进行逐渐积累，而直接甲醇燃料电池本身只有在一定的温度下才能高效运行。因此，需要一种有效的散热方式，来保证直接甲醇燃料电池性能的稳定输出。

本发明还提供一种上述直接甲醇燃料电池的散热方法，具体是：直接甲醇燃料电池工作过程中，当直接甲醇燃料电池温度上升时，PCM相变材料吸热，同时脉动热管7的蒸发端10的热管工作物质如水或乙醇等由于受热沸腾，形成气泡，气泡上升至脉动热管7的冷凝端11破裂，工作物质液化回流到脉动热管7的蒸发端10，而将热量带到脉动热管7的冷凝端11；此时散热板外部表面聚集了大量的由脉动热管7和PCM相变材料从直接甲醇燃料电池吸收来的热量，通过翅片9增大散热面与空气接触的面积从而加强空气对流，完成了一次散热过程。

上述实施方式只是对本发明的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本发明实质，都视为对本发明的等同替换，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直接甲醇燃料电池，包括阳极极板（6）、膜电极（5）、阴极极板（3），膜电极（5）位于阳极极板（6）、阴极极板（3）之间；其特征在于，还包括：使用PCM相变材料与脉动热管耦合的散热装置（2）；阳极极板（6）的外层、阴极极板（3）的外层均集成有散热装置（2）；膜电极（5）与阳极极板（6）之间、膜电极（5）与阴极极板（3）之间均设置绝缘垫（4）；两侧的散热装置（2）外侧采用夹具（1）进行封装。

2.根据权利要求1所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极极板（3）或阳极极板（6）一侧表面设置若干条通透性沟槽，阴极极板（3）或阳极极板（6）表面的通透性沟槽朝向绝缘垫（4）一侧。

3.一种直接甲醇燃料电池组，其特征在于，由权利要求1所述的直接甲醇燃料电池串联或并联而成。

4.根据权利要求1所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述散热装置（2），包括由PCM相变材料填充的散热板（8）、翅片（9）、脉动热管（7），散热板（8）开有若干条通透性沟槽，脉动热管（7）安装在沟槽中，翅片（9）安装在脉动热管（7）的蒸发端（10）和冷凝端（11），翅片（9）伸出散热板（8）以增大自然对流的散热面积。

5.根据权利要求4所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述脉动热管（7）为U型，其弯曲侧作为蒸发端（10）位于近膜电极端，U型结构的两个端部均为冷凝端（11）。

6.根据权利要求4所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述PCM相变材料根据直接甲醇燃料电池的最佳工作温度来选取。

7.一种权利要求4所述的直接甲醇燃料电池的散热方法，其特征在于，直接甲醇燃料电池工作过程中，当直接甲醇燃料电池温度上升时，PCM相变材料吸热，同时脉动热管（7）的蒸发端（10）的热管工作物质如水或乙醇等由于受热沸腾，形成气泡，气泡上升至脉动热管（7）的冷凝端（11）破裂，工作物质液化回流到脉动热管（7）的蒸发端（10），而将热量带到脉动热管（7）的冷凝端（11）；此时散热板外部表面聚集了大量的由脉动热管（7）和PCM相变材料从直接甲醇燃料电池吸收来的热量，通过翅片（9）增大散热面与空气接触的面积从而加强空气对流，完成了一次散热过程。