CN112086662A - 一种燃料电池及其燃料电池堆冷却系统 - Google Patents

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康慧芳
吕建国
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池及其燃料电池堆冷却系统。该燃料电池堆冷却系统包括通过冷却管道依次连通的循环泵、燃料电池堆以及散热器；燃料电池堆设置有反应单元、双极板以及冷却流道；反应单元设置有相对的反应气体流道；冷却流道设置在所述双极板之间，并与冷却管道连通；液态金属在常温下为液体状态，用于与燃料电池堆和散热器之间产生热交换，将燃料电池堆产生的热量所述散热器将传递到空气中，实现所述燃料电池堆的冷却。采用上述燃料电池堆冷却系统的燃料电池具有冷却性能好和体积功率密度高的特点。

Description

一种燃料电池及其燃料电池堆冷却系统
技术领域
发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种燃料电池及其燃料电池堆冷却系统。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，一般以氢气、甲醇、煤气或天然气为燃料，具有高效率、低噪声、环境友好等特点，拥有巨大的发展潜力和应用前景。燃料电池的三个主要部件为膜电极、双极板和气体扩散层。
燃料电池在发电的同时也会产生相应的热能，如果不能及时冷却，电池温度过高或温度分布不均匀，将导致燃料电池性能下降。目前，燃料电池在双极板上开冷却流道，依靠水冷系统进行冷却,然而由于水的对流换热系数较低且水冷系统占用空间较大，导致现有燃料电池存在冷却性能差和体积功率密度低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池及其燃料电池堆冷却系统，具有冷却性能好和体积功率密度高的特点。
一种用于燃料电池的燃料电池堆冷却系统，该燃料电池堆冷却系统包括燃料电池堆、循环泵、散热器、冷却管道以及液态金属；
所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间通过所述冷却管道依次连通，并在所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间形成所述液态金属的循环通路；
所述燃料电池堆设置有反应单元、双极板以及冷却流道；所述反应单元设置有相对的反应气体流道；所述冷却流道设置在所述双极板之间，并与所述冷却管道连通；
所述循环泵用于驱动所述液态金属在所述循环通路内循环流动；
所述液态金属在常温下为液体状态，用于与所述燃料电池堆和所述散热器之间产生热交换，将所述燃料电池堆产生的热量通过所述散热器将传递到空气中，实现所述燃料电池堆的冷却。
更进一步地，所述液态金属为镓基常温液态金属。
更进一步地，所述液态金属为Ga68In20Sn12或Ga67In20.5Sn12.5。
更进一步地，所述冷却流道表面覆盖有用于将所述液态金属和所述双极板分隔开的绝缘层。
更进一步地，所述绝缘层为粘接于所述冷却流道表面的聚氨薄膜或陶瓷绝缘涂层。
更进一步地，所述循环泵为电磁泵或叶片泵；
所述散热器为风冷散热器。
更进一步地，所述散热器为钢铝复合型翅片式散热器。
更进一步地，所述冷却流道为直线形流道或蛇形流道，并且宽度小于1mm。
更进一步地，所述冷却流道与所述反应气体流道相对设置或交错设置。
一种燃料电池，该燃料电池包括上述技术方案提供的任意一种燃料电池堆冷却系统。
有益效果：
与现有技术相比，上述燃料电池堆冷却系统使用液态金属作为冷却工质，由于液态金属具有良好的流动性、安全无毒、熔点低、高导热性以及导电性能优异的优点，因此，使得上述燃料电池堆冷却系统在流道设置结构不变的情况下，可以使燃料电池的温度更低且温度分布更均匀，从而提高燃料电池堆的冷却性能；在保证燃料电池的平均温度不变的前提下，可以使燃料电池堆设置更少的冷却流道，从而减小燃料电池堆所占的体积，或在有限的空间里能够放入更多的反应单元，进而提高了燃料电池堆的体积功率密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池堆冷却系统的工作原理图。
图2为本发明实施例提供的燃料电池堆的一种内部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池堆的另一种内部结构示意图；
图4为图3中燃料电池堆的A部分的局部放大结构示意图；
图5为燃料电池堆的温升与冷却工质的流量之间的关系示意图。
其中，1-燃料电池堆，2-循环泵，3-散热器，4-冷却管道，11-反应单元，12-双极板，13-冷却流道，14-反应气体流道，15-绝缘层
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种用于燃料电池的燃料电池堆冷却系统，该燃料电池堆冷却系统包括燃料电池堆、循环泵、散热器、冷却管道以及液态金属；在该燃料电池堆冷却系统中，采用液态金属作为燃料电池堆的冷却工质；燃料电池堆冷却系统的工作原理可以参考图1，所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间通过所述冷却管道依次连通，并在所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间形成所述液态金属的循环通路，作为冷却工质的液态金属在循环泵的作用下循环流动于循环通路中；
如图2和图3结构所示，所述燃料电池堆设置有反应单元、双极板以及冷却流道；所述反应单元设置有相对的反应气体流道；所述冷却流道设置在所述双极板之间，并与所述冷却管道连通；在图2和图3中，双极板与页面平行设置，在两个双极板之间设置有冷却流道；所述冷却流道可以为直线形流道，也可以为蛇形流道，并且冷却流道的宽度小于1mm，冷却流道的宽度可以为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、0.9mm；当所述冷却流道为直线形流道时，所述冷却流道的沿程压降较小；当冷却流道为蛇形流道时，燃料电池堆内的温度分布更均匀；如图2结构所示，所述冷却流道与所述反应气体流道；如图3结构所示，所述冷却流道与所述反应气体流道之间交错设置，当冷却流道与所述反应气体流道之间交错设置时，能够为燃料电池的脊部更好地降温；
所述循环泵用于驱动所述液态金属在所述循环通路内循环流动；所述循环泵可以为电磁泵或叶片泵；由于电磁泵没有机械运动件，具有结构简单、密封性好、运转可靠的特点，适用于液态金属流量小的工况；当循环泵10采用叶片泵时，适用于液态金属流量大的工况下；
所述液态金属在常温下为液体状态，用于与所述燃料电池堆和所述散热器之间产生热交换，将所述燃料电池堆产生的热量通过所述散热器将传递到空气中，实现所述燃料电池堆的冷却；液态金属和双极板直接接触，液态金属能够为双极板传导电流，能够降低燃料电池内阻，有利于降低燃料电池的发热量，从而进一步提高燃料电池的冷却效率。
在上述燃料电池堆冷却系统中，使用液态金属作为冷却工质，通过循环泵的作用使液态金属在循环通路中循环流动，温度较低的液态金属通过冷却管道流入所述燃料电池堆后与燃料电池堆发生热交换，使液态金属升温，带走所述燃料电池堆产生的热量，之后流入散热器，通过散热器与空气的热交换，将燃料电池堆产生的热量传递到空气中；由于液态金属具有良好的流动性、安全无毒、熔点低、高导热性以及导电性能优异的优点，使得上述燃料电池堆冷却系统在流道设置结构不变的情况下，可以使燃料电池的温度更低且温度分布更均匀，从而提高燃料电池堆的冷却性能；在保证燃料电池的平均温度不变的前提下，可以使燃料电池堆设置更少的冷却流道，从而减小燃料电池堆所占的体积，或在有限的空间里能够放入更多的反应单元，进而提高了燃料电池堆的体积功率密度。
因此，采用上述燃料电池堆冷却系统有利于提高散热效率，从而提高冷却性能，并能够提高燃料电池的体积功率密度。
在上述燃料电池堆冷却系统中，所述液态金属为镓基常温液态金属，具体地，所述液态金属可以为镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金，如：Ga75.5In24.5、Ga67In20.5Sn12.5、Ga68In20Sn12、Ga61In25Sn13Zn1。镓基常温液态金属具有高导热率、良好的流动性、安全无毒、低熔点、高导热性及高导电性等优点。例如：镓铟锡合金的熔点为10.5℃，沸点高达1000℃，热导率为(39W/mK)为水的60多倍，同时，黏度仅为水的2倍左右，具有较好的流动性。因此可将液态金属作为高热流密度发热器件的冷却流体，实现快速高效的热量输运效果。
如图4结构所示，所述冷却流道的内表面覆盖有用于将所述液态金属和所述双极板分隔开的绝缘层，所述绝缘层可以为粘接于所述冷却流道表面的聚氨薄膜或陶瓷绝缘涂层，通过绝缘层能够使液态金属和双极板之间绝缘。
在上述各种实施例的基础上，所述散热器可以为风冷散热器，也可以为其它类型的散热器，只要能够使流过散热器内的液态金属进行降温冷却的散热器均可满足要求；所述散热器可以为钢铝复合型翅片式散热器。
对于上述燃料电池堆冷却系统分别采用液态金属和水作为冷却工质进行了试验，得到了冷却工质的流动速度与燃料电池堆的温升的测试结果，具体试验结果请参考以下表1和表2。
流速(L/min) 0.20 0.31 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
温升(℃) 48.87 40.34 35.73 33.19 31.12 29.74 28.81 27.89 27.20
流速(L/min) 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.79 1.90
温升(℃) 26.74 26.05 25.59 25.12 24.89 24.66 24.43 24.2 23.74
表1燃料电池堆的温升与液态金属的流动速度之间的关系
流速(L/min) 0.20 0.31 0.40 0.50 0.61 0.70 0.80 0.91 1.01
温升(℃) 54.64 50.26 47.48 45.87 44.49 43.34 42.19 41.49 40.57
流速(L/min) 1.10 1.20 1.30 1.41 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90
温升(℃) 40.34 39.42 38.98 38.76 38.27 37.8 37.57 37.11 36.88
表2燃料电池堆的温升与水的流动速度之间的关系
图5为根据上述表1和表2中的试验结果绘制的燃料电池堆的温升与冷却工质的流动速度之间的关系曲线图，在曲线图中，坐标轴的X轴为冷却工质的流动速度，单位为L/min，坐标轴的Y轴为燃料电池堆的温升，单位为℃；通过试验结果进行对比，在冷却工质流动速度相同的情况下，采用液态金属作为冷却工质时的温升明显比采用水作为冷却工质时的温升低，证明采用液态金属作为冷却工质比采用水作为冷却工质具有较好的冷却效果。
另外，本发明还提供了一种燃料电池，该燃料电池包括上述实施例提供的任意一种燃料电池堆冷却系统。
燃料电池在采用上述燃料电池堆冷却系统之后，能够在不改变散热结构的同时提高散热效率，或者在保持散热效率不变的情况下能够减小自身的体积，从而提高体积功率密度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种用于燃料电池的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，包括燃料电池堆、循环泵、散热器、冷却管道以及液态金属；
所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间通过所述冷却管道依次连通，并在所述循环泵、所述燃料电池堆以及所述散热器之间形成所述液态金属的循环通路；
所述燃料电池堆设置有反应单元、双极板以及冷却流道；所述反应单元设置有相对的反应气体流道；所述冷却流道设置在所述双极板之间，并与所述冷却管道连通；
所述循环泵用于驱动所述液态金属在所述循环通路内循环流动；
所述液态金属在常温下为液体状态，用于与所述燃料电池堆和所述散热器之间产生热交换，将所述燃料电池堆产生的热量通过所述散热器将传递到空气中，实现所述燃料电池堆的冷却。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述液态金属为镓基常温液态金属。
3.如权利要求2所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
4.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述冷却流道的内表面覆盖有用于将所述液态金属和所述双极板分隔开的绝缘层。
5.如权利要求4所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述绝缘层为粘接于所述冷却流道表面的聚氨薄膜或陶瓷绝缘涂层。
6.如权利要求1所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述循环泵为电磁泵或叶片泵；
所述散热器为风冷散热器。
7.如权利要求6所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述散热器为钢铝复合型翅片式散热器。
8.如权利要求1-7任意一项所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述冷却流道为直线形流道或蛇形流道，并且宽度小于1mm。
9.如权利要求1-7任意一项所述的燃料电池堆冷却系统，其特征在于，所述冷却流道与所述反应气体流道相对设置或交错设置。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池堆冷却系统。
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