CN109301284B - 基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池 - Google Patents

基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，包括两个复合极板和膜电极，膜电极设置于两个复合极板之间，复合极板包括散热片和夹具，散热片镶嵌于夹具中，散热片包括底板，底板的一侧直线阵列有若干个翅片，翅片位于与膜电极相对的一侧；本发明通过在底板的一侧设置有若干翅片，构成了一种具有散热功能的散热片，散热片镶嵌在夹具中，形成了一种既有传统极板功能又具有散热功能的复合极板，通过将本发明与电子器件集成在一起，一方面可对电子器件进行散热，另一方面电子器件工作时产生的热量可被本发明吸收，用于提高本发明自身的工作温度，进而提高本发明的燃料电池的性能。

Description

基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应的发电装置,它直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,不受卡诺循环的限制,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式之一。同时,随着燃料电池技术的不断成熟,以及西气东输工程提供了充足天然气源,燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。
直接甲醇燃料电池属于质子交换膜(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。影响燃料电池性能的因素包括催化剂的活性、甲醇的浓度、电流密度和工作温度等；其中温度是最主要的因素之一，温度升高导致催化剂活性提高，加快电化学反应速率，甲醇的扩散系数随之增加，质子交换膜的内阻降低，电池的性能得到提高。直接甲醇燃料电池的应用对象为集成芯片、电子器件和便携式电子产品等。在我们日常使用的集成芯片上有许多器件工作需要发热，产生的热量一大部分会形成废热，造成浪费。比如CPU一般温度控制在75℃以内最为合适，但是在不同环境下它的工作温度也不同，夏天环境温度过高，一般CPU在空闲时温度在50℃以内，全速工作时在75℃以内；冬天温度很低，CPU的温度一般控制在30℃左右。而甲醇燃料电池的工作温度需不能超过100℃，否则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，CPU散热温度在50℃左右，可以在一定程度上提高燃料电池温度，从而提高电池的性能。如何将供电装置的电池和散热片高度集成，使整个系统中热量最高效的利用是关键。
发明内容
针对一些器件热量浪费的问题，本发明提供了一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，可以对器件供电时提供散热的功能，一方面对器件进行散热，另一方面将热量回收，以提高电池的工作温度，从而提高燃料电池的性能。
本发明的技术方案如下：
一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，包括两个复合极板和膜电极，膜电极设置于两个复合极板之间，复合极板包括散热片和夹具，散热片镶嵌于夹具中，散热片包括底板，底板的一侧直线阵列有若干个翅片，翅片位于与膜电极相对的一侧。
作为进一步优选的方案，所述散热片采用铝、铜或石墨制成。
作为进一步优选的方案，所述散热片的外表面均匀涂布有纳米碳材料。
作为进一步优选的方案，所述翅片呈长方形。
作为进一步优选的方案，所述翅片顶部设置有弧形切口。
作为进一步优选的方案，两个所述底板中的任意一个开设有若干个换热孔。
作为进一步优选的方案，所述夹具采用铝或铜制成，所述夹具的表面涂布有铝箔，所述夹具与散热片密封处设置有密封胶。
作为进一步优选的方案，所述翅片的数量为1～50片，所述翅片的间距为1～10mm。
作为进一步优选的方案，所述底板的厚度为1～10mm，所述底板的面积为1～100cm2。
作为进一步优选的方案，所述夹具与膜电极之间设置有密封垫。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在底板的一侧设置有若干翅片，构成了一种具有散热功能的散热片，散热片镶嵌在夹具中，形成了一种既有传统极板功能又具有散热功能的复合极板，通过将本发明与电子器件集成在一起，一方面可对电子器件进行散热，另一方面电子器件工作时产生的热量可被本发明吸收，用于提高本发明自身的工作温度，进而提高本发明的燃料电池的性能。
同时，本发明具有制作成本低，占用空间小的优点，利于发明的推广和应用。
附图说明
图1为本发明的爆炸结构示意图；
图2为本发明实施例阳极复合极板的示意图；
图3为本发明实施例阴极复合极板的示意图；
图4为本发明纳米散碳热膜与底板结构示意图；
图5为本发明换热孔的开设位置示意图；
图6为本发明带有弧形切口的散热片的结构示意图；
图7为本发明U形双散热片对接结构的示意图。
其中：膜电极1；散热片2；夹具3；底板21；翅片22；换热孔4；阴极复合极板5；阳极复合极板6；燃料注入口7；废料排出口8；弧形切口9；密封垫10；纳米散碳热膜11。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图7所示，本发明提供了一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，包括两个复合极板和膜电极1，膜电极1设置于两个复合极板之间，复合极板包括散热片2和夹具3，散热片2镶嵌于夹具3中，散热片2包括底板21，底板21的一侧直线阵列有若干个翅片22，翅片22位于与膜电极1相对的一侧。
两个底板21中的任意一个开设有若干个换热孔4，开设有换热孔4的复合极板为阴极复合极板5，另一个复合极板为阳极复合极板6，阳极复合极板6设置有燃料注入口7和废料排出口8，燃料注入口7和废料排出口8均设置在阳极复合极板6的夹具3上。
底板21开孔对复合极板的散热效果也有一定的影响，但是阳极复合极板6需要注入甲醇溶液，底板21开孔会导致甲醇溶液泄漏，因此底板21开孔仅适用于阴极复合极板5，不同的开孔参数对应不同的传热性能，提高复合极板的传热途径有两种：一种是增大散热片2的表面积；另一种是提高对流传热系数。底板21开孔后，对流换热面积减小，横向和纵向的导热热阻增大，但是开孔引起的换热面积减少和热阻增加与对流传热系数的增大相互有着约束关系，对散热增强作用主要体现在局部对传热系数的增大上。由仿真结果可得底板21只有一排通孔时，发热元件温度为61.9℃，而增加到三排通孔时，发热元件温度降低至61.5℃；在此基础上在底板21下部增加两排通孔，发热元件温度为61.4℃，由此可知，在复合极板底板21打孔可以增加对流换热，并且在底板21上部打孔对换热影响较大，下部打孔对换热影响较小。
具体而言，散热片2采用铝、铜或石墨制成。
在相同结构的复合极板下，不同的构成材料对极板散热性能的影响不同，由于在阳极复合极板6注入燃料发生化学反应，因此需要复合极板具有抗腐蚀性和良好的导电性，大多数极板都是采用金属铝来制作，因为铝的成本较低，并且具备良好的金属切削特性，一般来说一块纯金属的铝导热性比它的合金更好，但是为了获得比纯铝有更好的导电性和抗腐蚀性的金属材料，散热片2也可以采用铝合金制成。
对于铜的话，铜的导热性能相当于铝的两倍，但是铜的散热效果不足，因此可以将这两种材料结合，用铜来制作底板21增加传热，用铝合金来制作翅片22进行散热。
采用石墨制成的散热片2具有较好的耐腐蚀、耐高温、导电导热性、化学稳定性、可塑性及抗热震性，其具有独特的晶粒取向，可沿两个方向均匀导热，片层状结构可以很好的适应任何表面。石墨散热片2能够快速地将热源产生的热量覆盖整个表面，与空气或燃料形成对流换热温差，有助于将热量通过对流扩散到空气中，完成散热。
具体而言，散热片2的外表面均匀涂布有纳米碳材料，碳纳米材料可在散热片2外表面形成一层纳米散碳热膜11，纳米碳材料是用高聚合性物质纳米碳混以多种其他颗粒而形成的具有高辐射效果的粉末状材料，有较高的传热性和灵活性。由高导热效能进行热传导，再借由碳原子高热辐射效能，将热能转换为红外线射频，传递散热效能；涂布有纳米碳材料的散热片2以热辐射、热对流两种散热方式为主，因此除了能与环境空气通过热对流方式进行热交换外，还能够将热源产生的热量转化为红外线辐射出去进行散热，受空间的限制较小。
具体而言，翅片22呈长方形，适用于一般器件的散热。
具体而言，翅片22顶部设置有弧形切口9，适用于一些特殊器件，比如CPU,其中央区域温度较高，四周温度低，热量分布不均匀，而在翅片22顶部设置弧形切口9，所形成的弧形槽道具有流通面积先增大后减小的结特征，使得温度最低的区域在散热片2中部，不像长方形翅片22所形成的直矩形槽道那样，沿流道方向的温度逐渐升高，因此对于一些特殊器件，可以在翅片22顶部设置弧形切口9，以使散热片2的温度分布更均匀，在复合极板内，CPU产生的热量通过热传导传递到翅片22顶部，再经过对流换热由燃料将热量带走，对于相同的底板21面积，此种结构可以增加散热片2中部的散热面积并且减少热阻。
具体而言，夹具3采用铝或铜制成，夹具3的表面涂布有铝箔，以达到保温的目的，夹具3与散热片2密封处设置有密封胶，防止燃料泄露。
具体而言，翅片22的数量为1～50片，翅片22的间距为1～10mm。
在同一种材料的情况下翅片22的间距和数量对其散热和热传递的效果影响不同，热量通过复合极板的底板21传递至翅片22，翅片22的设置使散热面积增大，翅片22与空气或燃料直接接触使实现散热，当翅片22的间距增大时，翅片22的数目减少，空气或燃料与复合极板之间的传热减弱，换热面积也减小，因此复合极板的散热效果降低，反之翅片22的间距越小，翅片22的数量越多，在一定范围内，散热效果更好，如果再增加翅片22数量的话空气或燃料流体的流动会受到阻碍，影响散热效果，同时翅片22的数量越多，生产的成本也随之增加，工艺加工难度也随之提高，
在本实施例中，优选的翅片22的数量具体为10片，优选的翅片22的间距具体为5mm。
具体而言，底板21的厚度为1～10mm，底板21的面积为1～100cm2。
由于复合极板本身有热阻，热阻不仅与底板21的厚度有关，还与底板21的面积有关，在相同放置方式下，底板21厚度和面积的增加会减少复合极板内的扩散电阻，复合极板的散热效果增加，在底板21厚度和面积相同时，垂直放置比水平放置情况下的热阻小，散热效果更好，在本实施例中优选的底板21厚度具体为2mm，优选的底板21的面积具体为30cm2。
具体而言，夹具3与膜电极1之间设置有密封垫10，密封垫10起到密封作用，避免了夹具3与膜电极1之间燃料或空气的泄露。
为了使本发明和电子器件高度集成以及本发明吸收的热量可以更好的提高电池性能，在实验前利用comsol、matlab、ansys、CFD等仿真软件进行仿真测量，分析电子器件与本发明间的温度分布和电池内部的温度，使得复合极板既具有良好的散热性能，又能通过吸收的热量提高电池的性能。在实际应用中，考虑到发热器件热源的非均匀性，可以用多个本发明与器件集成，更好地发挥复合极板的散热功能。
如图6所示，在与电池集成时，可以在两端分别制作复合极板，形成一种U形双散热片对接的结构，使两块电池集成，方便为大电压的器件供电。
本发明的工作原理如下：
使用时，通过燃料注入口7向阳极复合极板6与膜电极1之间的空间内注入燃料，阳极复合极板6通过燃料的不断进出实现换热，从而对发热器件进行散热，通过换热孔4向阴极复合极板5与膜电极1之间的空间注入空气，通过空气的不断进出，从而在反应的同时进行换热，通过阳极复合极板6和阴极复合极板5的同时换热，实现对电子器件进行散热的目的，同时电子器件工作时产生的热量可被本发明吸收，用于提高本发明自身的工作温度，进而提高本发明的燃料电池的性能。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，包括两个复合极板和膜电极，膜电极设置于两个复合极板之间，复合极板包括散热片和夹具，散热片镶嵌于夹具中，散热片包括底板，底板的一侧直线阵列有若干个翅片，翅片位于与膜电极相对的一侧；
所述翅片呈长方形；所述翅片顶部设置有弧形切口。
2.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，所述散热片采用铝、铜或石墨制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，所述散热片的外表面均匀涂布有纳米碳材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，两个所述底板中的任意一个开设有若干个换热孔。
5.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，所述夹具采用铝或铜制成，所述夹具的表面涂布有铝箔，所述夹具与散热片密封处设置有密封胶。
6.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，所述翅片的数量为1～50片，所述翅片的间距为1～10mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，其特征在于，所述底板的厚度为1～10mm，所述底板的面积为1～100cm2。
8.根据权利要求1所述的一种基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池，所述夹具与膜电极之间设置有密封垫。
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