CN113823823A - 一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法，所述平板热管风冷式燃料电池堆，由两个端板、集流板、多个膜电极和多组双极板组合而成，在两个端板之间多个膜电极和双极板交替排列，部分或全部所述双极板贴合微热管阵列，微热管阵列可以将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至微热管阵列冷凝段，通过自然对流散热或外置风机进行强制对流散热。本发明可以在实现燃料电池散热的同时，增加电堆内部的温度均匀性，提高可靠性。

Description

一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法
技术领域
本发明涉及氢能技术燃料电池热管理技术领域，尤其涉及一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法。
背景技术
由于能源需求的日益增长，化石燃料的消耗与CO2排放总量快速上升，“清洁、低碳、安全、高效”的能源革命已是大势所趋。氢能是一种洁净的二次能源载体，能方便地转换成电和热，转化效率较高，有多种来源途径。作为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，是未来能源变革的重要组成部分。
氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。作为最具有应用前景的燃料电池，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在运行的过程中发电的同时会产生一定的热量和水。质子交换膜燃料电池最佳运行温度为60℃～80℃，在未达到最佳运行温度时，电池堆内部产生的热量有利于提高催化剂的活性，加快电化学反应速率，改善电堆输出性能。而当温度过高时，会致使质子交换膜脱水，影响质子的传输，电堆内阻增加，电堆性能下降。同时，随着温度的升高，电堆内部不同位置的温差也会越来越大，不利于电堆内部温度分布的均匀性，也会减少电堆使用寿命。因此，PEMFC电池的热管理对其性能、安全性和稳定性起着至关重要的作用。
常规燃料电池堆有专门的冷却系统来冷却电堆，冷却介质为液体，如水等，但系统较为复杂，一般用于大功率电池堆冷却。在小型燃料电池中，常用风冷的方式来冷却电堆。常规风冷电堆的冷却形式有两种：第一种阴极流道既为反应气体通道，同时也是冷却流道，称为阴极空气冷却法；第二种是反应气体流道和冷却气体流道分开，称为反应空气与冷却空气分离法。阴极空气冷却法的电堆结构简单，主体结构相对第二种要小，但是电池的控制策略将会很复杂。反应空气与冷却空气分离法的电堆主体体积相对第一种要大，这是因为反应空气与冷却空气分离以后，电池极板上必须开出独立的冷却气体流道来对电堆进行冷却，其优点是其电堆运行的控制较阴极空气冷却法电堆简单。
上述两种风冷方法，由于双极板中空气流道的截面积很小，造成流动阻力很大，需要风机的功耗较大，此外，由于空气比热较小，造成进出口温差较大，即燃料电池堆内部均温性较差，太多的空气经过反应通道，还会造成质子交换膜脱水，严重影响电池的使用效果及寿命。
目前也有将热管用于PEMFC散热冷却系统中，热管蒸发段吸收PEMFC工作时产生的热量，通过热管内部工质的流动将热量传递至冷凝段，然后通过自然对流和强制对流将热量传递至环境中。
中国发明专利申请CN 103715441 A公开了一种基于阵列热管相变传热的质子交换膜燃料电池热管理方法，但该技术方案有以下问题：
一、该方案中使用的是直径为0.3cm-0.5cm的圆形热管，现有燃料电池双极板的厚度较薄，圆形热管的厚度已经超过了双极板的厚度，因此会加大电池堆的尺寸，降低了体积功率密度；二、该方案中将圆形热管按等间距插装在铜制面板中间，热管与燃料电池产热区域接触面积较小，无热管区域只能通过铜制面板进行导热，当发热量较高时影响排热且容易造成电池堆内部温度分布不均匀；三、该方案中热管的蒸发段与冷凝段成90-120度角，会造成内部工质流动时阻力过大，严重影响其传热性能。
中国发明专利申请CN 109037726A公开了一种用于燃料电池传热均温的风冷式模块，但该技术方案有以下问题：一、该均温板为一种蒸汽腔热管，由紫铜或铜合金制成，每片均温板是一个整体传热单元，局部破损就会造成该均温板不能有效工作；二、该种蒸汽腔均温板内部无导电介质，因此反应产生的电流只能通过均温板边缘传递，造成电池堆内部电阻过大，严重影响输出功率；三、在低温冷启动过程中，利用风机吹出的热风对均温板的冷凝段进行加热，利用均温板内的毛细力进行逆向热传递，该方法较正向热传递效果差。
美国发明专利US 20050026015A1公开了Micro Heat Pipe embedded bipolarplate for fuel cell stacks中将微热管嵌入燃料电池的双极板中，也存在这中国发明专利申请CN 103715441 A种前两条缺点。
发明内容
针对现有小功率风冷燃料电池技术中存在的电池内部温度不均匀、寄生功率大等问题，本发明提供了一种安全节能的利用平板热管的燃料电池堆风冷式热管理系统及方法。
本发明的技术方案：
一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，包括燃料电池堆、平板微热管阵列、散热翅片外置风机以及电加热膜。
所述的燃料电池堆，包括两个端板、集流板、多个膜电极、多个阳极板和阴极板组合而成，部分或全部所述阳极板和阴极板之间贴合微热管阵列，形成带微热管阵列的双极板，所述微热管阵列贴合所述阳极板和阴极板的部分为蒸发段，所述微热管阵列伸出所述阳极板和阴极板的部分为冷凝段，冷凝段上贴合有散热翅片，风机开启后，空气从侧面进入翅片间流道后对翅片进行冷却后向上排出。
间隔几个阳极板和阴极板之间贴合L型微热管阵列，在端部弯曲部分贴合电加热片/电加热膜，电加热膜用于在低温环境下启动前对电池堆进行加热，实现冷启动功能。
优选的所述微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径只有0.2-3.0mm，甚至更小，内部相变工质为非导电介质。
一种利用平板热管的燃料电池堆风冷式热管理方法，采用前述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，利用在阳极板和阴极板之间贴合的微热管阵列蒸发段将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至伸出部分的微热管阵列冷凝段，通过自然对流散热或外置风机强制散热，当检测到电池堆内部温度达到设定值时，控制系统开启外置风机，利用外置空冷翅片对微热管阵列冷凝段进行强制对流散热。
优选的部分微热管阵列为L型微热管阵列，L型微热管阵列的端部弯曲部分的下表面设置有电加热片，当电池温度低于第二设定值时需要启动时，先开启电加热片加热微热管阵列，并通过微热管阵列加热电池，当电池堆内部温度高于启动温度(0℃或20℃)时，再启动电池。
本发明的有益技术效果：
本发明的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法，在燃料电池堆内部的阳极板和阴极板之间贴合平板微热管阵列，将燃料电池内部反应产生的热量传递至外置的风冷翅片，在风机作用下进行强制对流，将热量散发到空气中，实现对燃料电池的散热。一方面，平板微热管阵列可以与每块阳极板、阴极板紧密贴合，即使位于中部的极板产生的热量，也可以利用微热管阵列将热量从电堆内部导出，并且利用微热管阵列的均温性能，可以保证电池堆内部的温度均匀，避免产生“热点”。另一方面，由于微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通的微热管，且每个微热管的水力直径只有1.0mm，甚至更小，管壁承压能力极高，因此泄露问题几乎可以忽略，且相变工质为微量、不导电介质，即使极端情况下被损坏泄露，也不会引起燃料电池的损坏；而且薄片微热管阵列节省电池堆尺寸，从而降低体积功率密度。此外，平板微热管阵列由铝材加工而成，具有良好的导电性能，而且可以通过调整微热管之间的间壁宽度来调整单根热管的电导率，在燃料电池内部起到导电的性能，不会增加燃料电池内部电阻，在一定程度上还可以减小内部电阻，提升燃料电池的发电性能。
同时，当燃料电池长期处于低温环境下需要“冷启动”时，必须对燃料电池进行预热，否则反应产生的水会结冰堵塞阴极通道，阻碍反应的进行。间隔几个阳极板和阴极板之间贴合“L”型热管，在下部弯曲的底部贴合电加热膜，低温环境下启动前对利用直流电加热热管底部，热管快速响应后，对燃料电池进行加热，当达到零上温度(或20℃)时，停止加热，实现冷启动功能。
每个所述微热管阵列冷凝段利用导热硅胶贴合上风冷翅片，以增加与冷却空气侧的换热面积。
总之，本发明的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及一种利用平板热管的燃料电池堆风冷式热管理方法，利用微热管阵列传热性能好、易与平板状的双极板结合的优势，用于风冷燃料电池电堆的散热，实现反应空气和冷却空气分离，避免过量的反应空气降低质子交换膜湿度影响电导率，同时，微热管阵列实现了电堆内部的温度均匀，避免各单电池之间出现较大差异，从而保证电堆高效发电。同时，微热管阵列与电加热膜/电加热片相结合，可以实现电堆在低温环境下的快速冷启动。
附图说明
图1为基于平板热管的风冷式燃料电池堆的实施例组装示意图；
图2为贴合微热管阵列的阳极板、阴极板与膜电极组成示意图；
图3为单个贴合微热管阵列的阳极板和阴极板的示意图；
图4为单散热用的微热管阵列与翅片组合示意图；
图5为兼具散热和加热功能的微热管阵列与翅片、电加热膜组合示意图。
图中示出：1-燃料电池堆，1-1-端板，1-2-阳极板，1-3-阴极板，1-4-膜电极，2-微热管阵列，2-1-微热管阵列蒸发段，2-2-微热管阵列冷凝段，3-翅片，4-风机，4-1-冷却风机，4-2-提供反应空气的风机，5-电加热片。
具体实施方式
为了更清楚理解本发明的内容，将通过附图1-5和具体实施例详细说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例1
如图1-3所示，本实施案例是一种安全节能的平板微热管风冷方式燃料电池堆，由燃料电池堆1、微热管阵列2和风机4组成。燃料电池堆1包括两个端板1-1、集流器、多个膜电极1-4和多组双极板，多个膜电极1-4和双极板交替排列。部分双极板贴合微热管阵列2形成带微热管阵列的双极板，部分双极板不贴热管为一次加工成型为一块板。带有微热管阵列2的双极板由多个中间贴合微热管阵列2的阳极板1-2和阴极板1-3组成，微热管阵列2贴合在阳极板1-2和阴极板1-3中间，并在活化区范围内紧密排在一起，微热管阵列2贴合了所述双极板的部分为微热管阵列蒸发段2-1，所述微热管阵列2的长度大于每组双极板的部分形成伸出部分，伸出部分作为微热管阵列冷凝段2-2，通过阳极板1-2和阴极板1-3之间贴合的微热管阵列蒸发段2-1将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至微热管阵列冷凝段2-2。微热管阵列2为金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体和导电体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径为1mm，内部相变工质为非导电介质，使得微热管阵列2成为具有传热效果强化的导热元件和导电元件。风机4包括冷却风机4-1和提供反应空气的风机4-2，均为轴流风机4。提供反应空气的风机4-2贴合在燃料电池堆1外表面，用于提供电化学反应所需空气；冷却风机4-1固定在提供反应空气的风机4-2上，面对微热管阵列冷凝段2-2设置，用于向微热管阵列冷凝段2-2送风，形成强制对流，快速散热。
一种利用安全节能的平板热管风冷式的燃料电池堆的热管理方法，采用上述燃料电池堆1，通过阳极板1-2和阴极板1-3之间贴合的微热管阵列蒸发段2-1将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至微热管阵列冷凝段2-2，当检测到燃料电池堆1内部温度达到设定值时，控制系统开启外置冷却风机4-1，对微热管阵列冷凝段2-2进行强制对流散热，起到对燃料电池堆1进行散热的效果。
实施例2
本实施例的一种使用微热管阵列风冷方式进行热管理的燃料电池堆，在实施例1的基础上增设了翅片3。
如图4所示，为了增加换热面积，每个所述微热管阵列2的伸出部分利用导热硅胶贴合上翅片3，通过安装在翅片3上方的冷却风机4-1的工作，将热量从电池内部带走，起到对燃料电池进行散热的效果。
实施例3
本实施例的一种使用微热管阵列风冷方式进行热管理的燃料电池堆，在实施例1或实施例2的结构基础上，微热管阵列2不仅包括一字型微热管阵列2，还包括L型微热管阵列2，并在L型微热管阵列2上设置电加热片5。
如图5所示，间隔几组双极板，在阳极板1-2和阴极板1-3之间贴合L型微热管阵列2，或者说将部分一字型微热管阵列2替换为L型微热管阵列2。在L型微热管阵列2的端部弯曲部分贴合电加热片5。
一种利用微热管阵列风冷方式进行热管理的燃料电池堆，采用上述的热管理系统，阳极板1-2和阴极板1-3之间贴合微热管阵列2，将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至伸出部分的微热管阵列冷凝段2-2，当检测到电池堆内部温度达到设定值时，控制系统开启冷却风机4-1，利用外置空冷翅片3进行强制对流散热。当电池温度低于第二设定值时需要启动时，先开启电加热片5加热，并通过微热管阵列2加热电池，当电池堆内部温度高于0℃(或20℃)时，再进行启动，实现冷启动功能。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的一些形式的变化等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，其特征在于包括燃料电池堆、微热管阵列以及外置风机；
所述燃料电池堆由两个端板、集流板、多个膜电极和多组双极板组合而成，在两个端板之间多个膜电极和双极板交替排列，部分或全部所述双极板贴合所述微热管阵列，所述微热管阵列贴合于阳极板和阴极板之间，形成带微热管阵列的双极板，所述微热管阵列贴合所述阳极板和阴极板的部分为微热管阵列蒸发段，所述微热管阵列向外伸出电池堆部分作为微热管阵列冷凝段；所述外置风机固定于所述燃料电池堆侧面，面向所述微热管阵列冷凝段设置，可向所述微热管阵列冷凝段送风、形成强制对流。
2.根据权利要求1所述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，其特征在于所述微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径为0.2-3.0mm，内部相变工质为非导电介质，通过调整所述微热管之间的间壁宽度来调整单根微热管的电导率。
3.根据权利要求1所述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，其特征在于包括散热翅片，所述散热翅片贴合于所述微热管阵列冷凝段。
4.根据权利要求1或2所述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，其特征在于所述微热管阵列包括一字型微热管阵列和L型微热管阵列，所述L型微热管阵列的下部弯曲部分贴合有电加热片。
5.一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆的热管理方法，其特征在于采用权利要求1-4中任一所述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，通过阳极板和阴极板之间贴合的微热管阵列蒸发段将氢气与空气通过质子交换膜接触产生的热量传递至微热管阵列冷凝段，通过自然对流散热或所述外置风机强制散热。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述微热管阵列冷凝段上贴合有散热翅片，风机开启后，空气从侧面进入翅片间流道后对翅片进行冷却后向上排出微热管阵列冷凝段。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于间隔几组所述双极板贴合L型微热管阵列，在L型微热管阵列的端部弯曲部分贴合电加热片，低温环境下启动时，先开启所述电加热片加热所述L型微热管阵列，从而加热所述燃料电池堆，当电池堆内部温度达到启动温度时，再启动电池。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于使用所述外置风机散热时，当检测到燃料电池堆内部温度达到设定值时，控制系统开启外置风机，对微热管阵列冷凝段进行强制对流散热。
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