CN109004246A - 一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；多个膜电极和双极板交替设置，阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；本发明热量从蒸发端外壁面传到内壁面和吸液芯，通过热管内部工质把热量传到冷凝端，冷却液将热量带走，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块。
背景技术
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点，它不经历热机卡诺循环过程而直接把燃料的化学能转变成电能，再通过电机来驱动车辆，当用内燃机带动发电机时，其效率仅为30％～40％；而燃料电池的效率可达50％～60％，其突出优点是减少污染排放，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水，可实现零污染。所以燃料电池动力装置在环保与节能两方面的优势均极其突出。PEMFC在低温快速启动、比功率能量转换效率等方面的优越性能使其成为运载工具的首选电源，由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力电源。而PEMFC燃料电池堆的散热是影响燃料电池性能、寿命和运行安全的主要因素，也是下一代燃料电池技术的研发重点之一。
伴随着PEMFC化学反应生成电能的同时，还有部分化学能转化成热量，再加上电堆向外部输出电能时，由于自身内部也会产生极化热、欧姆热等热量，其中40％～50％的能量耗散将会产生热能，这些热能在PEMFC电堆内部积累导致电堆温度不断升高。温度对PEMFC性能的影响十分显著，PEMFC在运行中不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温，温度升高，有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，获得更大的电流，电池性能变好，但温度高将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差，当温度接近100℃时，由于PEMFC采用的是聚合物电解质，质子膜的强度将下降，此时，如不及时降温，膜会出现微孔，使得氢气进入空气系统，危及运行安全，而且温度过高，水易呈气态，不利于膜电极内维持必要的水分。当电池内部温度过低时，输出电压将下降，电池组整体性能恶化。因此，维持PEMFC内部正常电化学反应的温度应保持在60～80℃，电堆内部要求各部分温度基本一致，以保证其工作性能。
电流密度在0.7A/cm2以下的燃料电池采用风冷方式，可以基本满足冷却散热要求；冷却以上0.7A/cm2以上的高电流密度燃料电池，需要采用液冷方式进行冷却，才能满足高电流密度的散热要求。常见的燃料电池冷却方式空气冷却、液体蒸发冷却、空冷加蒸发冷却，这几种冷却方式一般常用于小功率燃料电池.
目前基于高功率密度、大功率的燃料电池电堆却没有很好的解决方案，常见的是用传统的冷却液(如冷却水)从电堆左端板流入，经过冷却板液体槽道直接进行电堆中进行散热，然后从右端板流出。这种散热方式冷却液流通阻力很大，不利于散热，且循环液体泵的功率较高，大大消耗了燃料电池的净输出功率。且电堆中加入了冷却板，增加了电堆的尺寸。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明提供一种均温效果良好，可以始终保持电堆在最佳的温度下工作，保证燃料电池小尺寸，散热迅速的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块。
本发明的特殊双极板由两块具有复合表面功能超薄均温板(阴极模块和阳极模块)拼接成带有中空蛇形流道的双极板，蛇形流道为均温板的冷凝端。在循环液体泵的驱动下，冷却液通过进液装置直接进入双极板的蛇形流道内将热量带走。同时，超薄均温板是二维平板散热，具有更大的蒸发面积和散热面积，适用于轻薄紧凑和散热面积较大的使用环境，有利于将点热源均温到大面积的蒸发基板上；由于超薄均温板厚度和体积都大幅度下降，将其与燃料电池的双极板集成，将大大缩小燃料电池的尺寸，同时使燃料电池系统结构更加简单达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作，能够有效解决高功率密度燃料电池散热不足、功率低下的问题，达到电堆散热均温，提高工作效率的目的。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；
所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极和双极板；膜电极的两侧分别设有双极板，多个膜电极和双极板交替设置，最外层的双极板与端盖连接；双极板包括阳极模块和阴极模块；在膜电极的一侧设有阳极模块，在膜电极的另一侧设有阴极模块；阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5-5mm；
所述的进出液装置包括进液装置和出液装置；进液装置和出液装置分别安装在蛇形流道的进液口和出液口；加热装置安装在冷却液管道的进液端，出液装置、蓄液箱、循环液体泵、加热装置、进液装置通过冷却液管道依次串联，并通过蛇形流道形成传热均温循环回路。
为进一步实现本发明目的，优选地，在阳极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个氢气流道；在阴极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道。
优选地，所述的进液装置有一个主进液口和5个小出液口，5个小出液口分别与5个双极板的蛇形冷却液流道的进口相连；出液装置有5个小进液口和一个主出液口，5个小进液口分别与双极板5个蛇形冷却液流道的出液口相连。
优选地，所述的进出液装置采用聚乙烯材料制成。
优选地，所述的所述冷却液管道选用PE管。
优选地，所述的循环液体泵选用CRS25-10型循环水泵；最大功率可达220W，流量最大可达80L/min。
优选地，所述的加热装置选用PTC加热或电热膜加热装置。该PTC或电热膜加热装置的最高温度不高于60℃。
优选地，所述的空腔由铜、合金等金属导电材料制成。
优选地，所述的吸液芯由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或多孔泡沫金属制成。
优选地，所述的工质为丙酮、乙醇和去离子水。
本发明将超薄均温板的功能和普通燃料电池双极板的功能集成在一起，设计成具有复合表面功能的超薄均温板(也可称为特殊双极板)。该特殊双极板由两块阴极模块和阳极模块的超薄均温板组成，在阴极模块超薄均温板的蒸发端开设氧气流道，在其冷凝端开设蛇形流道；在阳极模块超薄均温板的蒸发端开设氢气流道，在其冷凝端开设蛇形流道，通过导电胶将两块均温板拼接成一个整体，形成带有蛇形冷却液通道的特殊双极板。
本发明将冷却液通道开设在双极板内部，大大减小了电堆的尺寸，使系统结构更加简单、紧凑。同时本发明设计的具有复合表面功能的超薄均温板既可作为电堆的双极板，安装于电堆内部，既能够起到分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流；且在双极板蒸发端与反应气体接触，产生的热量从蒸发端外壁面传到内壁面和吸液芯，通过均温板内部工质把热量最终传到冷凝端(蛇形流道处)，在循环液体泵的驱动下，冷却液通过进液装置直接进入双极板的蛇形流道内将热量带走，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。同时冷却液进出口装置也进行了个性化的设计，冷却液进(出)口装置带有1个入口和5个出口(5个入口和1个出口)，分别控制5个双极板的温度。这样的处理方式可以大大减小冷却液的流通阻力，利于散热。同时这样的设计方式可以对电堆的局部进行温度控制，若电堆的某个部分由于某种特殊原因温度出现异常，导致电堆整体不能正常进行工作。这时可以通过控制电堆不正常区域的冷却液进出口装置的流量来调节其温度，使其达到最佳的工作温度。区别于常见的循环水冷方式，该发明是一种具有潜力巨大的冷却手段。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明开发具有复合表面功能的超薄均温板，既具有双极板分隔反应气体、导流、收集电流的作用，同时具有均温板的优良性能。每片均温板是一个独立的传热单元，一片均温板的损坏不影响其他均温板的正常使用，所以换热性能更加稳定可靠。超薄均温板具有换热面积大、传热效率高且工作介质的循环是依靠回流液的重力作用，无机械运行部件，增加了设备的可靠性，减少了功耗，大大提高了燃料电池的输出性能。
2、本发明将两块具有复合表面功能的超薄均温板(阴极模块和阳极模块)组合拼装成具有中空蛇形流道的双极板，在循环液体泵的驱动下，冷却液通过进液装置直接进入双极板的蛇形流道内，与双极板的冷凝端进行热换，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。
3、超薄均温板是二维平面散热，具有更大的蒸发和散热面积，适用于结构紧凑和散热面积较大的使用环境，有利于将点热源均温到大面积的蒸发基板上，降低双极板表面的热流密度。由于超薄均温板厚度和体积都大幅度下降，超薄均温板可以对配对散热设备的热沉作出更灵活的装配配合，散热装置结构形式更趋多样化。而均温板能灵活地改变散热表面积，更有效地将局部过热高温(低温)点的温度均温化。
4、本发明考虑了电堆在低温启动的情况，尤其在寒冷的北方使用的条件下，在进液口端安装加热装置，冷却液通过加热装置温度迅速升高，高温的液体通过进液装置进入双极板的蛇形流道内使电堆迅速升温，促使电堆在低温启动成功。
5、本发明将双极板中的冷却液流道设计成蛇形，不仅增加了冷却液与双极板的换热面积、提高换热效率，同时防止冷却液流经双极板腔内时形成死角，导致单池局部温度升高。蛇形流道的设计提高了电堆内均匀性，使电堆冷却水温差小于10℃，保正了电堆优良的工作环境。
6、本发明冷却液进出口装置也进行了个性化的设计，冷却液进(出)口装置带有1个入口和5个出口(5个入口和1个出口)，分别控制5个双极板的温度。这样的处理方式可以大大减小冷却液的流通阻力，利于散热。同时这样的设计方式可以对电堆的局部进行温度控制，若电堆的某个部分由于某种特殊原因温度出现异常，导致电堆整体不能正常进行工作。这时可以通过控制电堆不正常区域的冷却液进出口装置的流量来调节其温度，使其达到最佳的工作温度。
附图说明
图1为基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块的结构示意图。
图2为图1的轴测图。
图3为图1的正视图。
图4为图1的左视图。
图5为基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块的爆炸图。
图6为进出液装置与双极板安装示意图。
图7为双极板与膜电极连接示意图。
图8为带有蛇形流道的双极板与进出液装置安装示意图。
图9为双极板剖面图。
图10为进出液装置示意图。
图中示出：燃料电池电堆1、端盖1-1、膜电极1-2、双极板1-3、双极板阳极模块1-3-1、双极板阴极模块1-3-2、蛇形流道1-3-3、空气流道1-3-4、氢气流道1-3-5、吸液芯1-3-6、进出液装置2、进液装置2-1、出液装置2-2、冷却液管道3、水箱4、循环水泵5、加热装置6。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，主要由燃料电池电堆1、进出液装置2、冷却液管道3、蓄液箱4、循环液体泵5、加热装置6组成；
如图6、图7、图8、图9所示，燃料电池电堆1包括端盖1-1、膜电极1-2、双极板1-3，膜电极1-2的两侧分别设有双极板1-3，多个膜电极1-2和双极板1-3交替设置，最外层的双极板1-3与端盖1-1连接；其中双极板1-3包括阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2；在膜电极1-2的一侧设有阳极模块1-3-1，在膜电极1-2的另一侧设有阴极模块1-3-2；阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2在与膜电极1-2连接的一侧间隔设有多个空气流道1-3-4或氢气流道1-3-5，优选在阳极模块1-3-1与膜电极1-2连接的一侧间隔设有多个氢气流道1-3-5；在阴极模块1-3-2与膜电极1-2连接的一侧间隔设有多个空气流道1-3-4；阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2与膜电极1-2相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道1-3-3；阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2在空气流道1-3-4或氢气流道1-3-5与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5-5mm；空腔与空气流道1-3-4或氢气流道1-3-5连接的一侧构成蒸发端；空腔与蛇形流道1-3-3连接的一侧构成冷凝端。
进出液装置2包括进液装置2-1和出液装置2-2；进液装置2-1和出液装置2-2分别安装在蛇形流道1-3-3的进液口和出液口；加热装置6安装在冷却液管道2的进液端，出液装置2-2、蓄液箱4、循环液体泵5、加热装置6、进液装置2-1通过冷却液管道3依次串联，并通过蛇形流道1-3-3形成传热均温循环回路。
如图8、图10所示，进液装置2-1有一个主进液口，在其下端开设5个小出液口，5个小出液口分别与5个双极板1-3的蛇形冷却液流道1-3-3的进口相连；出液装置2-2则有5个小进液口和一个主出液口，5个小进液口则分别与双极板1-3的5个蛇形流道1-3-3的出液口相连。这样每个进出液装置2控制着5个双极板1-3的散热均温，简化了系统的结构，大大提高了换热效率。进出液装置2可采用聚乙烯材料，聚乙烯材质具有强度高、耐高温、抗腐蚀且可塑性好等优点。
所述冷却液管道3选用PE管，PE材质的管道耐腐蚀性强、使用寿命长、具有良好的连接性能及可塑性、且质量较轻。
所述循环液体泵5选用CRS25-10型循环水泵，最大功率可达220W，流量最大可达80L/min，该型号液体泵噪音低、有三挡调速，可根据实际需要调节液体泵的流量，使电堆始终保持高效正常工作。
加热装置6选用PTC加热或电热膜加热装置，该PTC装置或电热膜加热装置的最高温度不高于80℃，具有发热效率高、发热迅速、电压使用范围宽、设计方便，可从小功率到大功率任意设计，外形也可按要求设计等优点，因此可优选该加热装置快速加热燃料电池电堆1，达到燃料电池低温启动的目的。
本发明双极板1-3主要由具有复合表面功能的超薄均温板的阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2组成；阳极模块的蒸发端开设有氢气流道1-3-5，冷凝端挖有蛇形流道1-3-3；阴极模块的蒸发端开设有空气流道1-3-4，冷凝端挖有蛇形流道1-3-3；将阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2的蛇形流道采用导电胶或焊接成一体，形成带有中空蛇形冷却液通道的双极板1-3。
本发明阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2均设有密封的空腔，空腔中设有吸液芯1-3-6和工质；阳极模块1-3-1和阴极模块1-3-2蒸发端开设反应气体流道，在冷凝端开设蛇形冷却液流道。双极板既具有分隔反应气体、导流、收集电流的功能，同时又具有均温板均温散热的功能。空腔由铜、合金等金属导电材料制成。吸液芯1-3-6可以由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或多孔泡沫金属制成。本发明优选紫铜为均温板的壳体材料，紫铜耐腐蚀，质地相对较软，便与加工、剪裁。吸液芯优选超轻多孔泡沫金属，以超轻多孔泡沫金属为毛细吸液芯可以显著强化均温板的传热性能，具有优异的均温性能，扩展了均温板承载高热流密度的能力，可达200W/cm2以上，并减小了均温板的热阻，热阻最小可达0.09℃/W。均温板是依靠工质的相变来传递热量的，因此工质的各种物理性质对于均温板的工作特性也就具有重要的影响。工质应适应均温板的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压；工质与壳体材料应相容，且具有良好的热稳定性；工质应具有良好的综合物理性质等。应用场合正常的工作范围一般为-20℃-120℃，考虑到上述因素，选择丙酮、乙醇和去离子水为工质。丙酮、乙醇和去离子水的熔点、沸点和临界点在工作温度范围内可以良好的工作。
上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；
所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极和双极板；膜电极的两侧分别设有双极板，多个膜电极和双极板交替设置，最外层的双极板与端盖连接；双极板包括阳极模块和阴极模块；在膜电极的一侧设有阳极模块，在膜电极的另一侧设有阴极模块；阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5-5mm；
所述的进出液装置包括进液装置和出液装置；进液装置和出液装置分别安装在蛇形流道的进液口和出液口；加热装置安装在冷却液管道的进液端，出液装置、蓄液箱、循环液体泵、加热装置、进液装置通过冷却液管道依次串联，并通过蛇形流道形成传热均温循环回路。
2.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，在阳极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个氢气流道；在阴极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道。
3.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的进液装置有一个主进液口和5个小出液口，5个小出液口分别与5个双极板的蛇形冷却液流道的进口相连；出液装置有5个小进液口和一个主出液口，5个小进液口分别与双极板5个蛇形冷却液流道的出液口相连。
4.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的进出液装置采用聚乙烯材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的所述冷却液管道选用PE管。
6.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的循环液体泵选用CRS25-10型循环水泵。
7.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的加热装置选用PTC加热或电热膜加热装置。
8.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的空腔由铜、合金等金属导电材料制成。
9.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的吸液芯由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或多孔泡沫金属制成。
10.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，所述的工质为丙酮、乙醇和去离子水。
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