CN109950594B - 一种利用废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统，所述系统包括蒸发腔、燃料输运管道和燃料电池单元三部分，其中：所述蒸发腔包括蒸发腔底座、散热栅格、燃料载体和蒸发腔顶盖；所述燃料电池单元包括燃料腔、阳极电极板、阳极膜电极、质子交换膜、阴极电极板、阴极膜电极和盖板；所述燃料输运管路包括第一管道连接头、输运管道和第二管道连接头；所述燃料输运管路和燃料电池单元均集成在蒸发腔顶盖上。该系统利用芯片废热驱动甲醇燃料的蒸发，甲醇蒸汽进入燃料电池燃料腔后与水混合形成甲醇溶液，进而驱动甲醇燃料电池发电，在保证器件散热的同时，实现器件废热的有效利用。

Description

一种利用废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统

技术领域

本发明属于直接甲醇燃料电池和微型燃料输运技术领域，涉及一种废热驱动甲醇燃料输运的甲醇燃料电池发电系统。

背景技术

随着集成电路技术的高速发展，电子芯片的电路规模以及运行速度也在迅速提高，但是高发热问题也随之而来，电子器件产生的废热如果不能及时排出会造成器件内部过热，影响器件运行稳定性以及使用寿命。另一方面，废热具有的能量也是环境能量之一，加以合理利用不仅能够解决器件的散热问题，而且能够将热能转换为电能驱动其他器件工作。

甲醇作为燃料，具有燃料可再生、绿色环保等优点，并且甲醇挥发性良好，适合作为热蒸发驱动的燃料载体。直接甲醇燃料电池能够直接将甲醇溶液或者甲醇蒸汽转换为电能，能量转换效率高，没有有害气体的排放，是一种理想的发电器件，并且结构简单，易于实现集成化设计。

散热器中，甲醇燃料的搭载方式同样重要。过多甲醇会影响器件的散热性能，应该保证废热高效传导至甲醇燃料。泡沫铜具有优良的导热性，同时疏松多孔的内部结构决定了泡沫铜是一种合适的流体分散材料。作为甲醇燃料的载体泡沫铜兼备了高效的热传导性和燃料的搭载性，可以实现甲醇的均匀受热和快速蒸发。

发明内容

为了实现对电子芯片工作时产生废热的有效利用，同时具备优良的散热能力，本发明提供了一种利用废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统。该系统利用芯片废热驱动甲醇燃料的蒸发，甲醇蒸汽进入燃料电池燃料腔后与水混合形成甲醇溶液，进而驱动甲醇燃料电池发电，在保证器件散热的同时，实现器件废热的有效利用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统，包括蒸发腔、燃料输运管道和燃料电池单元三部分，其中：

所述蒸发腔包括蒸发腔底座、散热栅格、燃料载体和蒸发腔顶盖；

所述蒸发腔底座内部设置有散热栅格，燃料载体安装于散热栅格顶部，蒸发腔顶盖设置有甲醇蒸汽出气孔和燃料注入孔；

所述燃料输运管路和燃料电池单元均集成在蒸发腔顶盖上；

所述燃料电池单元包括燃料腔、阳极电极板、阳极膜电极、质子交换膜、阴极电极板、阴极膜电极和盖板；

所述阳极膜电极和阴极膜电极通过热压分别紧密贴合在质子交换膜两侧，阳极膜电极的另一侧紧贴阳极电极板，阴极膜电极的另一侧紧贴阴极电极板，阳极电极板和阴极电极板分别部分嵌入燃料腔和盖板；

所述燃料腔集成在蒸发腔顶盖上，燃料腔的顶部设置有燃料腔排气孔，燃料腔的侧壁设置有甲醇蒸汽进气孔；

所述燃料输运管路包括第一管道连接头、输运管道和第二管道连接头；

所述输运管道的一端通过第一管道连接头连接至甲醇蒸汽出气孔，另一端通过第二管道连接头连接至甲醇蒸汽进气孔。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的发电系统能够将电子芯片等微小型发热器件工作时产生废热转换为燃料输运动能，为直接甲醇燃料电池源源不断提供燃料供给。一方面持续消耗器件产生的废热，达到散热的作用；另一方面将热能转换为燃料动力，输送到燃料电池发电结构，实现能量的回收利用。

2、本发明的热驱动结构与燃料电池发电结构为一体化设计，结构紧凑，体积小巧，适合作为电子芯片的散热装置。

3、相比于现有的散热装置，本发明的热驱动式直接甲醇燃料电池发电系统不仅能够实现无能耗散热，而且能够利用废热作为燃料驱动力进行发电，提高了电能的利用效率。

附图说明

图1为系统整体装配示意图；

图2为系统结构图；

图3为燃料腔与蒸发腔顶盖示意图；

图4为蒸发腔及其内部栅格俯视图。

图中标号的含义如下：1-蒸发腔；2-燃料输运管路；3-燃料电池单元；101-蒸发腔底座；102-散热栅格；103-燃料载体；104-蒸发腔顶盖；105-甲醇蒸汽出气孔；106-燃料注入孔；107-密封塞；201-第一管道连接头；202-输运管道；203-第二管道连接头；301-燃料腔排气孔；302-燃料腔；303-甲醇蒸汽进气孔；304-第一密封胶垫；305-阳极电极板；306-阳极膜电极；307-质子交换膜；308-阴极膜电极；309-阴极电极板；310-第二密封胶垫；311-盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的热驱动式直接甲醇燃料电池发电系统包括蒸发腔1、燃料输运管路2和燃料电池单元3三部分，燃料输运管路2和燃料电池单元3均集成在蒸发腔顶盖104上，装配后构成一个整体，体积紧凑，便于安装在多种高发热电子芯片的表面。其中：

所述蒸发腔1包括蒸发腔底座101、散热栅格102、燃料载体103和蒸发腔顶盖104；

所述蒸发腔底座101内部设置有散热栅格102，燃料载体103安装于散热栅格102顶部，蒸发腔顶盖104设置有甲醇蒸汽出气孔105和燃料注入孔106；

所述燃料输运管路2和燃料电池单元3均集成在蒸发腔顶盖104上；

所述燃料电池单元3包括燃料腔302、阳极电极板305、阳极膜电极306、质子交换膜307、阴极电极板309、阴极膜电极308和盖板311；

所述阳极膜电极306和阴极膜电极308通过热压分别紧密贴合在质子交换膜307两侧，阳极膜电极306的另一侧紧贴阳极电极板305，阴极膜电极308的另一侧紧贴阴极电极板309，阳极电极板305和阴极电极板309分别部分嵌入燃料腔302和盖板311，上述组件通过一定封装压力覆盖于燃料腔302表面；

所述燃料腔302集成在蒸发腔顶盖104上，燃料腔302的顶部设置有燃料腔排气孔301，燃料腔排气孔301与外部外界环境连通，燃料腔302的侧壁设置有甲醇蒸汽进气孔303；

所述燃料输运管路2包括第一管道连接头201、输运管道202和第二管道连接头203；

所述输运管道202的一端通过第一管道连接头201连接至甲醇蒸汽出气孔105，另一端通过第二管道连接头203连接至甲醇蒸汽进气孔303，管道连接头保证管道连接密闭，甲醇蒸汽不会外泄。

本发明中，所述散热底座101的材质为铜，内部带有一定高度的散热栅格102。

本发明中，所述燃料载体103的材质为泡沫铜，内部被甲醇燃料浸润。

本发明中，所述蒸发腔顶部通过蒸发腔顶盖104密闭。

本发明中，所述燃料腔302内部液体为水。

本发明中，所述阳极电极板305和阴极电极板309的材质为铜，表面均匀分布多个圆孔，保证阳极膜电极306与燃料腔液体以及阴极膜电极308与外部空气的有效接触。

本发明中，所述阳极电极板305和阴极电极板309交错放置，外延出燃料电池的正极和负极。

本发明中，所述盖板311中间镂空，保证外界空气直接与阴极电极板309接触。

系统使用之前，通过燃料注入孔106向蒸发腔1中的燃料载体103注入纯甲醇燃料。由于燃料载体103是疏松多孔的泡沫铜材质，能够吸收并存储大量甲醇燃料。甲醇燃料注入后，通过密封塞107将燃料注入孔106封紧，保证蒸发腔的密闭性。通过燃料腔排气孔301向燃料腔302注入水。将系统水平固定于待散热器件的上表面，由于蒸发腔底座101底面平坦可以有效地与器件表面接触，并且蒸发腔底座101的材质为铜，能够有效传导器件表面的废热。蒸发腔底座101内部设计散热栅格102，散热栅格102由多个长条状铜片以一定间隔排列，目的是增大散热面积，加速废热有效传递至燃料载体103。蒸发腔1通过输运管道202与燃料腔302连通，蒸发腔1内的甲醇蒸汽可以通过输运管道202进入燃料腔302。第一管道连接头201、第二管道连接头203分别将输运管道202与甲醇蒸汽出气孔105、甲醇蒸汽进气孔303可靠连接以及固定，保证甲醇蒸汽不会泄露。

当芯片开始发热，蒸发腔底座101吸收这些废热并传导至燃料载体103，燃料载体103中的甲醇燃料温度升高，甲醇开始气化蒸发，并且在甲醇蒸汽出气孔105处形成出口压力。甲醇蒸汽沿输运管道202进入燃料腔302，并且溶解于燃料腔302预先储存的水中，形成甲醇溶液。当甲醇溶液中甲醇浓度高于一定程度后，甲醇燃料电池开始工作。阳极膜电极306催化甲醇分子与水分子发生还原反应生成二氧化碳、氢离子和电子，其中二氧化碳从燃料腔排气孔301排出，氢离子透过质子交换膜307汇聚到燃料电池阴极反应，电子可以通过阳极电极板305流出至外部负载，并在阳极电极板305形成负电位；阴极膜电极308与空气接触，催化空气中的氧气与氢离子和电子反应形成水，电子从阴极电极板309经过外部负载流入阳极电极板305，并在阴极电极板309形成正电位。阳极电极板305和阴极电极板309之间形成电位差，即可为负载供电。盖板311通过一定封装压力将第一密封胶垫304、阳极电极板305、阳极膜电极306、质子交换膜307、阴极膜电极308、阴极电极板309以及第二密封胶垫310压紧，与燃料腔302形成密闭封装，保证燃料腔302内液体不会外泄。盖板311中间镂空，保证阴极膜电极308与空气大面积接触。

燃料电池单元在发电的过程中会消耗燃料腔302的水中溶解的甲醇，使甲醇浓度下降；器件散热导致燃料载体103中的甲醇蒸发溶入燃料腔302的水中，使燃料腔302中的甲醇浓度处于动态平衡状态。随着放电时间的增加，燃料载体103中的甲醇含量会逐渐下降，在消耗殆尽后需要从燃料注入孔105为燃料载体103补充甲醇燃料。系统的单次工作寿命与输出功率的大小以及器件的发热功率有关。由此，本发明所述的热驱动式直接甲醇燃料电池发电系统一方面为电子芯片提供了散热功能，另一方面能够将器件产生的废热转换为燃料输运的驱动力，并利用燃料电池进行发电，实现热能到电能的收集和转换。

Claims (3)

1.一种利用电子芯片工作产生废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统，其特征在于所述系统包括蒸发腔、燃料输运管道和燃料电池单元三部分，其中：

所述蒸发腔包括蒸发腔底座、散热栅格、燃料载体和蒸发腔顶盖；

所述蒸发腔底座内部设置有散热栅格，燃料载体安装于散热栅格顶部，蒸发腔顶盖设置有甲醇蒸汽出气孔和燃料注入孔；

所述燃料输运管路和燃料电池单元均集成在蒸发腔顶盖上；

所述燃料电池单元包括燃料腔、阳极电极板、阳极膜电极、质子交换膜、阴极电极板、阴极膜电极和盖板；

所述阳极膜电极和阴极膜电极通过热压分别紧密贴合在质子交换膜两侧，阳极膜电极的另一侧紧贴阳极电极板，阴极膜电极的另一侧紧贴阴极电极板，阳极电极板和阴极电极板分别部分嵌入燃料腔和盖板；

所述燃料腔集成在蒸发腔顶盖上，燃料腔的顶部设置有燃料腔排气孔，燃料腔的侧壁设置有甲醇蒸汽进气孔；

所述燃料输运管路包括第一管道连接头、输运管道和第二管道连接头；

所述输运管道的一端通过第一管道连接头连接至甲醇蒸汽出气孔，另一端通过第二管道连接头连接至甲醇蒸汽进气孔；

所述散热底座的材质为铜；

所述燃料载体的材质为泡沫铜，内部被甲醇燃料浸润；

所述燃料腔内部液体为水；

所述盖板中间镂空；

所述燃料载体(103)为平板状设置在蒸发腔底座(101)的腔体内，并与腔体的水平截面形状吻合。

2.根据权利要求1所述的利用电子芯片工作产生废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统，其特征在于所述阳极电极板和阴极电极板的材质为铜，表面均匀分布多个圆孔。

3.根据权利要求1或2所述的利用电子芯片工作产生废热驱动的甲醇燃料输运与燃料电池发电系统，其特征在于所述阳极电极板和阴极电极板交错放置，外延出燃料电池的正极和负极。

Images