CN117080482A - 一种利用热管散热的燃料电池系统和散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用热管散热的燃料电池系统和散热方法，属于燃料电池领域。所述系统包括若干燃料电池单元、若干热管组和控制系统；其中，每两个相邻的燃料电池单元的双极板间设置热管槽；所述热管组整体分为蒸发段和冷凝段，其中蒸发段活动连接于热管槽中，冷凝段留在燃料电池单元外部；所述燃料电池单元和热管组同时连接于控制系统；所述控制系统用于根据燃料电池单元的热参数计算所需的热管工质，并设定热管组的内部压力。本发明提高了燃料电池的散热率，依靠相变材料的体积变化以及吸液芯的毛细力，提供热量转移的动力，而无需另外提供外部动力，增大了系统的集成度，满足不同燃料电池的个性化需要；可随意拆装，提高了电池的灵活性，减少了维护成本。

Description

一种利用热管散热的燃料电池系统和散热方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种利用热管散热的燃料电池系统和散热方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的化学装置，其内部通过燃料和氧化剂间的氧化还原反应，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，其中的燃料多为气体，例如氢气，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池主要由四部分组成，包括阳极、阴极、电解质和外部电路，燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入，一般设置氧化腔和还原腔来容纳气体，燃料气在还原腔的阳极上放出电子，电子经外电路传导到氧化腔的阴极并与氧化气结合生成阴离子，阴离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流，其中电解质一般通过质子交换膜实现。

燃料电池中由于本身的电化学反应以及电池的内阻，会产生一定的热量。实际运行过程中，燃料化学能有接近50%转化为废热，使得燃料电池内部温度急剧升高，当温度过高时，会导致膜脱水、电导率下降、电池性能变差，甚至发生自燃等危害，因此热管理问题也是燃料电池发展的瓶颈之一。

现有技术中，为解决燃料电池内部温度升高的问题，常规的冷却方式一般通过风扇加强对流换热，将燃料电池内部热量带走，也可以选用沸点较低的工质通过管道流过阴极和阳极构成的双极板内部，利用工质与其进行对流换热将热量带出，再通过风扇或其它冷却设备将热量散去。例如，申请号为201910765587.8的中国专利，公开了一种固态储氢供氢燃料电池系统，利用水热套穿过燃料电池，通过循环水泵使内部冷却工质流经燃料电池，对燃料电池进行散热。但是，水热套的加装使燃料电池结构复杂，增加了生产周期、生产成本以及后期维护成本，且其冷却效果受循环水的限制，无法达到很好的效果；同时，水热套作为附件结构一般与电池结构是一体的，当燃料电池达到使用寿命或需要维修时，需要进行复杂的拆装，不利于后期维护。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种利用热管散热的燃料电池系统，在燃料电池的单元组间活接含有相变材料的热管，使燃料电池系统内部温度更加均匀，依靠相变材料本身由液态到气态再到液态的相变引起的体积变化以及吸液芯的毛细力，提供热量转移的动力，而无需另外提供外部动力，增大系统的集成度，同时可根据燃料电池最大反应速率对应的温度选择热管内部压力或工质，满足不同燃料电池的个性化需要；另外，热管与燃料电池单元间活接，可随意拆装，提高电池的灵活性，减少维护成本。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种利用热管散热的燃料电池系统，所述系统包括若干燃料电池单元1、若干热管组2和控制系统3；其中，

每两个相邻的燃料电池单元1的双极板11间设置热管槽113；

所述热管组2整体分为蒸发段和冷凝段，其中蒸发段活动连接于热管槽113中，冷凝段留在燃料电池单元1外部；

所述燃料电池单元1和热管组2同时连接于控制系统3；

所述控制系统3用于根据燃料电池单元1的热参数计算所需的热管工质，并设定热管组2的内部压力。

优选地，所述燃料电池单元1包括阴极极板111、阳极极板112、还原腔12、氧化腔13和质子交换膜14，所述质子交换膜14位于燃料电池1中部，质子交换膜14的一侧向外依次是氧化腔13和阴极极板111，另一侧向外依次是还原腔12和阳极极板112；两个燃料电池单元1的连接部位为双极板11，双极板11的阴极极板111和阳极极板112间设置有热管槽113。

优选地，所述热管组2的蒸发段活动连接于热管槽113中，通过在热管槽113中设置反向卡扣的方式，将热管组2插入卡扣中。

优选地，热管槽113的形状与热管组2的形状相同，使得直立的热管组2与双极板11的外壁尽可能接近。

优选地，热管槽113的水力半径0.2-2cm，长度与燃料电池双极板11相当。

优选地，所述热管组2由若干热管组成；单根热管包括管壳21、吸液芯22和工质23；其中，

所述管壳21的材料硬度及韧性达到容纳预定相变材料气态时的压力要求；

所述吸液芯22紧贴管壳，且仅设置于热管的蒸发段；

所述热管工质充液率为20%-50%，内部压力为0.001MPa-0.1MPa之间。

优选地，所述管壳21的厚度为0.05-0.2cm，管径水力半径0.2-2cm，长度为10cm-50cm。

优选地，所述吸液芯包括，单层、多层网芯、烧结粉末吸液芯、轴向吸液芯；吸液芯材料包括铜、铝、不锈钢，吸液芯厚度为0.1-0.5cm。

优选地，所述工质23包括：水、丙酮、氨、氟利昂或酒精。

第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统的散热方法，包括如下步骤：

在燃料电池系统运行前，通过控制系统监测每个燃料电池单元的热参数，根据所监测的燃料电池单元的热参数，计算每两个相邻的燃料电池单的双极板间最适宜的相变工质，选用具有相应工质和形状的热管组，插入热管槽中；控制系统计算热管组中的最适宜压力并初始化所述热管组的参数；

燃料电池系统运行时，燃料电池的废热通过阴极极板和阳极极板传递给热管，热管蒸发段内部工质受热发生相变，由液态变为气态，热管内部压力增大，蒸汽从蒸发段流向冷凝段，将燃料电池热量传至电池外部；热管的冷凝段在电池外部将热量散去，蒸汽凝结为液态；当液态工质与吸液芯接触时，在吸液芯的毛细力作用下回至蒸发段，完成一次循环，达到对燃料电池单元的降温效果。

本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

（1）热管体积小、传热效率高，可以很好的将燃料电池热量散去，传热效率高，使燃料电池内部温度更加均匀，避免燃料电池内部温度过高，大大增加了燃料电池运行效率，提高了燃料电池安全性；

（2）热管在蒸发段受热内部发生相变，内部工质相变，压力增大蒸汽流向冷凝段，将燃料电池热量传至外部，蒸汽在外部将热量散去变成液相，依靠热管吸液芯毛细力将内部工质吸至热端，如此反复实现热量转移，整个过程无需外部动力装置，减小了运动部件，增大了整个系统集成度，减小提价，不消耗额外能量降；

（3）可根据燃料电池最大反应速率时的温度，通过调节热管内部压力或工质，改变液体相变温度，过热温度越高则换热效果越好，有效防止温度过高所造成的危害；

（4）相较于风冷及其它需要依靠外部装置对燃料电池进行散热，热管成本较低，且设备少，便于维修，可大批量生产。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1示出了本发明实施例所述利用热管散热的燃料电池系统结构示意图；

图2示出了本发明实施例中热管在燃料电池系统中的安装示意图；

图3示出了本发明实施例中所述热管内部结构示意图。

附图标记说明：

1-燃料电池单元；11-双极板；111-阴极极板；112-阳极极板；113-热管槽；12-氧化腔；13-还原腔；14-质子交换膜；2-热管；21-管壳；22-吸液芯；23-工质。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明针对燃料电池的废热问题，提出了一种利用热管散热的燃料电池系统，在燃料电池的单元组间安装含有相变材料的热管，且热管与电池组是活动连接以方便安装和拆卸，同时热管与电池组间的槽形相适应，传热效率高，使燃料电池系统内部温度更加均匀；依靠相变材料本身由液态到气态再到液态的相变引起的体积变化，以及吸液芯的毛细力，提供热量转移的动力，而无需另外提供外部动力，增大系统的集成度，同时可根据燃料电池最大反应速率对应的温度选择热管内部压力或工质，满足不同燃料电池的个性化需要。

如图1至图3所示，所述利用热管散热的燃料电池系统，包括若干燃料电池单元1、若干热管组2和控制系统3；所述热管组2布置于每两个相邻的燃料电池单元1的双极板11之间，双极板11间设置热管槽，热管组2活动连接于热管槽中；所述燃料电池单元1和热管组2同时连接于控制系统3；所述控制系统3用于根据燃料电池单元1的热参数计算所需的热管工质，并设定热管1的压力。

如图2所示，所述燃料电池单元1包括阴极极板111、阳极极板112、还原腔12、氧化腔13和质子交换膜14，所述质子交换膜14位于燃料电池1中部，质子交换膜14的一侧向外依次是氧化腔13和阴极极板111，另一侧向外依次是还原腔12和阳极极板112；两个燃料电池单元1的连接部位为双极板11，双极板11的阴极极板111和阳极极板112间设置有热管槽113。需要注意的是，以两个燃料电池单元A和B为例，双极板11的阴极极板111属于电池单元A，而阳极极板112属于电池单元B。

所述热管组2整体分为蒸发段和冷凝段，其中蒸发段活动连接于热管槽113中，冷凝段留在燃料电池单元1外部。这里的活动连接，可以通过在热管槽113中设置反向卡扣的方式，将热管组2插入卡扣中。热管槽113的形状与热管组2的形状相同，使得直立的热管组2与双极板的外壁尽可能接近，以增加传热效果。热管槽113的水力半径0.2-2cm，长度与燃料电池双极板11相当。

如图3所示，所述热管组2由若干热管组成。单根热管的形状包括：圆柱形、扁平形，其结构包括管壳21、吸液芯22和工质23。其中，所述管壳21的材料硬度及韧性达到容纳预定相变材料气态时的压力要求，包括铜、铝、不锈钢等。优选地，所述管壳21的厚度为0.05-0.2cm，管径水力半径0.2-2cm，长度为10cm-50cm。所述吸液芯22紧贴管壳，且仅设置于热管的蒸发段，蒸发段至少包含整个吸液芯的长度，可以比吸液芯长，但不可比吸液芯短；所述吸液芯包括，单层、多层网芯、烧结粉末吸液芯、轴向吸液芯；吸液芯材料包括铜、铝、不锈钢吸液芯厚度为0.1-0.5cm。所述工质23包括：水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有机物。优选地，所述热管充液率为20%-50%，内部压力为0.001MPa-0.1MPa之间。优选地，每个热管组中的热管数量为3-20根。

基于上述利用热管散热的燃料电池系统，本发明还提供了一种燃料电池系统的散热方法，具体包括如下步骤：

在燃料电池系统运行前，通过控制系统监测每个燃料电池单元的热参数，所有燃料电池单元的热参数可以相同，也可以不同；根据所监测的燃料电池单元的热参数，计算每两个相邻的燃料电池单的双极板间最适宜的相变工质，选用具有相应工质和形状的热管组，插入热管槽中；控制系统计算热管组中的最适宜压力并初始化所述热管组的参数。

这里每个热管组的参数根据所插入的双极板所属的燃料电池单元来进行设定，当燃料电池单元相同时，则插入相同的热管组；当燃料电池单元采用不同参数组合时，热管组与每两个相邻的燃料电池单元相适应。根据燃料电池最大反应速率时的温度，通过调节热管内部压力或工质，改变液体相变温度，过热温度越高则换热效果越好，有效防止温度过高所造成的危害。

燃料电池系统运行时，燃料电池的废热通过阴极极板和阳极极板传递给热管，热管蒸发段内部工质受热发生相变，由液态变为气态，热管内部压力增大，蒸汽从蒸发段流向冷凝段，将燃料电池热量传至电池外部；热管的冷凝段在电池外部将热量散去，蒸汽凝结为液态；当液态工质与吸液芯接触时，在吸液芯的毛细力作用下回至蒸发段，完成一次循环，达到对燃料电池单元的降温效果。如此反复实现热量转移，整个过程无需外部动力装置，减小了运动部件，增大了整个系统集成度，减小提价，不消耗额外能量降。

以氢燃料电池为例，燃料电池在工作时氢气在还原腔，氧气在氧化腔，通过氢气和氧气的氧化还原反应，氢气在阳极极板112上放出电子，电子经外电路传导至阴极极板111与氧化腔中氧气结合生成离子，离子通过质子交换膜14流向阳极极板112，与氢气反应，以此构成回路，产生电力，伴随着电力产生的是40%-60%的废热产生。

热管组2作为一种相变换热元件，其蒸发端插入燃料电池双极板11内部的热管槽113内，冷凝端留在燃料电池1外，这将大大增大了燃料电池1散热能力，在燃料电池1发电时，热管组2通过管壳21将热量传至吸液芯22，内部工质23受热发生相变，蒸汽流向燃料电池1外部热管组2的冷凝端，在冷凝端将热量散去，工质23再次变为液体，在吸液芯22毛细力的作用下，冷凝端工质23流向蒸发端，如此循环往复，无需外部做功部件，燃料电池内部热量带走，增大了整个系统集成度，减小提价，不消耗额外能量降。值得注意的是，热管组2内部工质23及真空度均是可调的，可根据燃料电池所对应的最佳反应温度，选择升高或降低其沸点，温差越大则热管组2整体换热效率则越高。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的利用热管散热的燃料电池系统及散热方法，在燃料电池的单元组间活接含有相变材料的热管，使燃料电池系统内部温度更加均匀，依靠相变材料本身由液态到气态再到液态的相变引起的体积变化以及吸液芯的毛细力，提供热量转移的动力，而无需另外提供外部动力，增大了系统的集成度，同时可根据燃料电池最大反应速率对应的温度选择热管内部压力或工质，满足了不同燃料电池的个性化需要；另外，热管与燃料电池单元间活接，可随意拆装，提高了电池的灵活性，减少了电池维护成本。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括若干燃料电池单元、若干热管组和控制系统；其中，

每两个相邻的燃料电池单元的双极板间设置热管槽；

所述热管组整体分为蒸发段和冷凝段，其中蒸发段活动连接于热管槽中，冷凝段留在燃料电池单元外部；

所述燃料电池单元和热管组同时连接于控制系统；

所述控制系统用于根据燃料电池单元的热参数计算所需的热管工质，并设定热管组的内部压力。

2.根据权利要求1所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池单元包括阴极极板、阳极极板、还原腔、氧化腔和质子交换膜，所述质子交换膜位于燃料电池单元中部，质子交换膜的一侧向外依次是氧化腔和阴极极板，另一侧向外依次是还原腔和阳极极板；两个燃料电池单元的连接部位为双极板，双极板的阴极极板和阳极极板间设置有热管槽。

3.根据权利要求1所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述热管组的蒸发段活动连接于热管槽中，通过在热管槽中设置反向卡扣的方式，将热管组插入卡扣中。

4.根据权利要求1-3任一项所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，热管槽的形状与热管组的形状相同，使得直立的热管组与双极板的外壁尽可能接近。

5.根据权利要求4所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，热管槽的水力半径0.2-2cm，长度与燃料电池双极板相当。

6.根据权利要求1所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述热管组由若干热管组成；单根热管包括管壳、吸液芯和工质；其中，

所述管壳的材料硬度及韧性达到容纳预定相变材料气态时的压力要求；

所述吸液芯紧贴管壳，且仅设置于热管的蒸发段；

所述热管工质充液率为20%-50%，内部压力为0.001MPa-0.1MPa之间。

7.根据权利要求6所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述管壳的厚度为0.05-0.2cm，管径水力半径0.2-2cm，长度为10cm-50cm。

8.根据权利要求6所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述吸液芯包括，单层、多层网芯、烧结粉末吸液芯、轴向吸液芯；吸液芯材料包括铜、铝、不锈钢；吸液芯厚度为0.1-0.5cm。

9.根据权利要求6所述的利用热管散热的燃料电池系统，其特征在于，所述工质包括：水、丙酮、氨、氟利昂或酒精。

10.一种燃料电池系统的散热方法，其特征在于，包括如下步骤：

在燃料电池系统运行前，通过控制系统监测每个燃料电池单元的热参数，根据所监测的燃料电池单元的热参数，计算每两个相邻的燃料电池单的双极板间最适宜的相变工质，选用具有相应工质和形状的热管组，插入热管槽中；控制系统计算热管组中的最适宜压力并初始化所述热管组的参数；

燃料电池系统运行时，燃料电池的废热通过阴极极板和阳极极板传递给热管，热管蒸发段内部工质受热发生相变，由液态变为气态，热管内部压力增大，蒸汽从蒸发段流向冷凝段，将燃料电池热量传至电池外部；热管的冷凝段在电池外部将热量散去，蒸汽凝结为液态；当液态工质与吸液芯接触时，在吸液芯的毛细力作用下回至蒸发段，完成一次循环，达到对燃料电池单元的降温效果。