CN218101331U - 一种燃料电池热管理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池热管理装置，属于燃料电池热管理技术领域；包括燃料电池发电系统和散热系统，本装置采用固固相变材料吸收储能燃料电池的过余热量，通过导热管件与外界交换热量，既保证了燃料电池在最佳温度区间运行，又保证了散热的稳定性，从而提高了燃料电池运行稳定性；使用的固固相变材料因固固相变可以降低集电器板和集流板之间的接触热阻且防泄漏，并能使燃料电池散热均匀性提高，从而避免燃料电池温度不均，使发电效率存在局部差异而造成燃料电池效率和耐久性劣化；采用翅片使热量的传递速率提高，从而让固固相变材料的稳定散热提供保障，导热管件的均匀设置有利于散热均匀，提高散热效率。

Description

一种燃料电池热管理装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池热管理技术领域，特别涉及一种燃料电池热管理装置。

背景技术

随着燃料电池的发展，已有碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池等诸多种类。其中，质子交换膜燃料电池因其具有温度最低、启动最快、比功率高、能量密度大、无噪音和无污染等优点而必将拥有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池对温度要求较高，最佳温度区间在75至95℃之间。如果燃料电池产生的热量不及时排出会使燃料电池温度持续上升而导致质子交换膜脱水、电导率下降、电池性能破坏，进而影响电池的使用寿命，并且一旦热管理发生温度失控，甚至会引起安全事故。

传统燃料电池的散热方式为空气对流散热或水冷散热，空气对流散热无法保证将质子交换膜燃料电池控制在最佳温度区间，且散热不稳定；水冷散热系统装置结构复杂，且水流经燃料电池电堆时，冷却水的温度很难精确把控，导致燃料电池电堆散热不充分，会使燃料电池温度不均，发电效率存在局部差异，因此使燃料电池的效率和耐久性劣化。

现有技术中申请号公布号为CN103928728 A的发明专利具有温度自适应功能的热管与单相液体回路耦合换热的电池热管理系统公开了采用冷板、热管和热管蒸发段进行热管理，动力电池箱的中央内嵌有冷板，多个单体动力电池分列在冷板左右两侧，且单体动力电池与冷板侧面接触，如此，热量可以直接传到冷板上；单体动力电池除与冷板相邻的侧面之外的其余侧面上均贴附有热管蒸发段，单体动力电池除与冷板相邻的侧面之外的其余侧面上均铺设有热管，如此，以保证电池的温度均匀，热管的下端插在热管蒸发段内，热管的上端穿出电池箱顶盖，热管内设有相变工质；在动力电池箱剩余空间内填充相变材料；该装置设置冷板、热管来对单体动力电池进行散热，但是均是通过与单体动力电池的外部接触，散热效果不够稳定，不能够直接作用于电池内部，散热不均匀，与传统的散热方式并无明显差别，只是额外增加了一些散热结构；

现有技术中申请公布号为CN 109560306 A的发明专利公开了一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统；所述燃料电池发电系统包括电极阴极板，电极阳极板和膜电极-气体扩散层；所述环路热管传热系统包括环路热管和绝热绝缘层；所述泡沫金属相变储能系统包括泡沫金属骨架，固体相变材料和保温绝热壳体；所述电极阴极板和电极阳极板通过膜电极-气体扩散层隔开；所述环路热管传热系统的绝热绝缘层密封连接燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统；该装置采用在原有的燃料电池上设置封闭壳体，内置固体相变材料和泡沫金属骨架，通过环路热管将电池产生的热量传输至泡沫金属相变储能系统进行余热回收，首先该环路热管采用环形设置，内部水在蒸发-冷凝过程中不断流经不同的部位，不能保持稳定的路径，影响换热效果，其次该装置的储能系统无法存储燃料电池长时间产生的热量，其容量体积必然是有限的；当热量过高时，将会通过环路热管再次传输至燃料电池的部位，影响燃料电池的工作环境。

综上，现有技术中针对电池的散热方式，存在散热效果不好，散热不均匀；对散热进行了额外的储能限制，影响了散热效果的问题。

实用新型内容

本实用新型为克服现有技术中无法实现对电池进行良好散热的技术问题，提供一种燃料电池热管理装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：一种燃料电池热管理装置，包括燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括集电器板、阳极集流板、气体扩散层和质子交换膜及催化层、阴极集流板，所述气体扩散层和质子交换膜及催化层位于阳极集流板和阴极集流板之间，所述阳极集流板和阴极集流板外侧分别连接集电器板，还包括散热系统，所述散热系统包括固固相变材料和若干个导热管件，所述固固相变材料分别填充在阳极集流板和集电器板之间、阴极集流板和集电器板之间，所述导热管件下部插入固固相变材料、上部伸出固固相变材料与外界交换热量。

固固相变材料可以降低阳极集流板和集电器板之间、阴极集流板和集电器板之间的接触热阻且防泄漏，并能使燃料电池散热均匀性提高，从而避免燃料电池温度不均，使发电效率存在局部差异而造成燃料电池效率和耐久性劣化；

固固相变材料填充在阳极集流板和集电器板之间、阴极集流板和集电器板之间，用于吸收膜电极因电化学反应而产生的过余热量，固固相变材料的相变温度处于电池最佳工作温度范围内，能够在吸收热量发生相变时，均是固态相变，不会转变为液态从而防止泄露，增加装置的稳定性。

优选地，所述集电器板分别与阳极集流板、阴极集流板之间形成密闭的空腔，所述固固相变材料设置在空腔内，进行密封，防止泄露。

优选地，所述集电器板的两侧均设置有侧集电器板，所述侧集电器板分别与阳极集流板、阴极集流板连接，所述侧集电器板的上下两端与阳极集流板、阴极集流板之间均通过密封板连接，既保证集流板与集电器板之间的电子传递，又能够因固固相变材料填充减少接触热阻。

优选地，所述导热管件伸出固固相变材料的部分安装有翅片，加快散热；也可以增加新的吹风装置加快空气流动，或者增加冷源提高换热效率。

优选地，所述导热管件为热管，其导热能力较好。

优选地，所述密封板为金属板。

优选地，所述固固相变材料包括石蜡、高分子聚合物、SEBS和膨胀石墨。

优选地，所述集电器板外侧安装有封装端板。

优选地，若干个所述导热管件顶部通过固定板连接，所述导热管件底部与密封板连接。

优选地，所述端板的厚度为3-10mm，所述集电器板的厚度为0.1-1mm，所述固固相变材料的厚度为3-5mm，所述阳极集流板和阴极集流板的厚度相同且均为2-5mm，所述气体扩散层的厚度为200μm，所述质子交换膜及催化层的厚度为50μm，所述热管的直径为2-4mm，所述密封板的厚度为1-2mm。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型提供了一种燃料电池热管理装置，本装置采用固固相变材料吸收储能燃料电池的过余热量，通过导热管件与外界交换热量，既保证了燃料电池在最佳温度区间运行，又保证了散热的稳定性，从而提高了燃料电池运行稳定性；使用的固固相变材料因固固相变可以降低集电器板和集流板之间的接触热阻且防泄漏，并能使燃料电池散热均匀性提高，从而避免燃料电池温度不均，使发电效率存在局部差异而造成燃料电池效率和耐久性劣化；采用翅片使热量的传递速率提高，从而让固固相变材料的稳定散热提供保障，导热管件的均匀设置有利于散热均匀，提高散热效率。

附图说明

图1为本实用新型主视结构示意图；

图2为本实用新型侧视结构示意图；

图3为本实用新型仰视结构示意图；

图4为本实用新型立体结构示意图；

图5为本实用新型空腔结构示意图；

图6为本实用新型剖面结构示意图；

图7为本实用新型爆炸结构示意图；

其中：1、封装端板；2、集电器板；3、固固相变材料；4、阳极集流板；5、气体扩散层；6、质子交换膜及催化层；7、阴极集流板；8、导热管件；9、密封板；10、翅片；201、空腔；202、侧集电器板；801、固定板。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；也不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1:

参考图1-7所示，一种燃料电池热管理装置，包括燃料电池发电系统，燃料电池发电系统包括集电器板2、阳极集流板4、气体扩散层5和质子交换膜及催化层6、阴极集流板7，气体扩散层5和质子交换膜及催化层6位于阳极集流板4和阴极集流板7之间，阳极集流板4和阴极集流板7外侧分别连接集电器板2，还包括散热系统，散热系统包括固固相变材料3和若干个导热管件8，固固相变材料3分别填充在阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间，导热管件8下部插入固固相变材料3、上部伸出固固相变材料3与外界交换热量。

如图所示，燃料电池发电系统的布置方式，集电器板2、阳极集流板4、气体扩散层5、质子交换膜及催化层6、气体扩散层5、阴极集流板7、集电器板2依次布置连接，集电器板2作用是采集和传导电流；阳极集流板4作用是设置氢气流道并使得氢气扩散至阳极表面；气体扩散层5用于支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水；质子交换膜及催化层6用于传导质子；阴极集流板7作用是设置氧气流道并使得氧气扩散至阴极表面；

具体的，气体扩散层5与质子交换膜及催化层6组成膜电极，氢气在阳极中发生氧化反应，电子通过集电器板2传递至阴极，氢离子通过质子交换膜及催化层6迁移至阴极，使阴极发生还原反应，电子与氧分子结合并与氢离子发生反应生成水。

在具体实施过程中，燃料电池发电系统在工作过程中会产生热量，固固相变材料3填充在阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间，用于吸收膜电极因电化学反应而产生的过余热量，固固相变材料3的相变温度处于电池最佳工作温度范围内，能够在吸收热量发生相变时，均是固态相变，不会转变为液态从而防止泄露，增加装置的稳定性；吸收的热量由伸入固固相变材料3的导热管件8吸收热量传导至伸出固固相变材料3的导热管件8，与外界交换热量，完成热量传导出燃料电池发电系统，保证了散热的稳定性，从而提高了燃料电池运行稳定性；固固相变材料3可以降低阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间的接触热阻且防泄漏，并能使燃料电池散热均匀性提高，从而避免燃料电池温度不均，使发电效率存在局部差异而造成燃料电池效率和耐久性劣化。

实施例2:

在实施例1的基础上，集电器板2分别与阳极集流板4、阴极集流板7之间形成密闭的空腔201，固固相变材料3设置在空腔201内。

在阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间分别形成空腔201来放置固固相变材料3，使得固固相变材料3被密封在阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间，保证其与阳极集流板4、阴极集流板7有足够的接触面积，而且不影响集电器板2和阳极集流板4、集电器板2和阴极集流板7的连接。

更进一步地实施例中，集电器板2的两侧均设置有侧集电器板202，侧集电器板202分别与阳极集流板4、阴极集流板7连接，侧集电器板202的上下两端与阳极集流板4、阴极集流板7之间均通过密封板9连接。

采用集电器板2和侧集电器板202结合，形成一个U形与阳极集流板4、阴极集流板7连接，即侧集电器板202延伸出集电器板2一定距离与阳极集流板4、阴极集流板7连接，使得包围的部分形成空腔201，将固固相变材料3设置在空腔201内，并将空腔201的上下两端安装密封板9，使得密封板9与集电器板2、侧集电器板202和阳极集流板4连接，密封板9与集电器板2、侧集电器板202和阴极集流板7连接，将空腔201密封。

更进一步地实施例中，导热管件8伸出固固相变材料3的部分安装有翅片10；通过增加导热性较强的金属片，增大换热表面积，更好地与外界交换热量。

实施例3:

在实施例2的基础上，导热管件8为热管，热管伸入固固相变材料3的部分为蒸发段，热管伸出固固相变材料3的部分为冷凝段，在具体实施过程中，燃料电池发电系统在工作过程中会产生热量，固固相变材料3填充在阳极集流板4和集电器板2之间、阴极集流板7和集电器板2之间，用于吸收电池膜电极因电化学反应而产生的过余热量，当热管的蒸发段在固固相变材料3的温度高于管内蒸汽压力饱和温度时，热管的蒸发段内部工质将因吸收固固相变材料3的热量而发生相变，由液态变为气态上升至冷凝段，热量通过吹进的空气热管外部进行换热，或者在热管上部增加风机，加快空气流动或者吹出冷空气进行加速散热；冷凝段内工质释放热量而再次发生相变冷凝回流至蒸发段；重复以上过程，完成热量传导出燃料电池发电系统，保证了散热的稳定性。

热管的蒸发段嵌套于固固相变材料3内部等间距排列，使得热量吸收传导更加均匀。

更进一步地实施例中，密封板9为金属板，防止固固相变材料3漏出，增加结构的稳定性；考虑保温效果，可以替换为保温材料进行封闭。

更进一步地实施例中，固固相变材料3包括石蜡、高分子聚合物、SEBS和膨胀石墨，石蜡是主要的相变材料，采用石蜡、高分子聚合物、SEBS、膨胀石墨的混合工质使得固固相变材料3的相变温度位于电池最佳工作温度范围内，例如相变温度80摄氏度，吸收燃料电池因电化学反应产生的过于热量。

固固相变材料3可以采用现有技术的材料，其满足相变温度的要求即可。

更进一步地实施例中，集电器板2外侧安装有封装端板1，封装端板1用于控制接触压力，足够的强度可以保证在封装力作用下封装端板1不发生破坏，足够的刚度则可以使得封装端板1变形更加合理。

更进一步地实施例中，若干个导热管件8顶部通过固定板801连接，导热管件8底部与密封板9连接，使导热管件8位置固定。

实施例4:

在前述实施例的基础上，提供合适的参数，端板1的厚度为3-10mm，集电器板2的厚度为0.1-1mm，固固相变材料3的厚度为3-5mm，阳极集流板4和阴极集流板7的厚度相同且均为2-5mm，气体扩散层5的厚度为200μm，质子交换膜及催化层6的厚度为50μm，导热管件的直径为2-4mm，密封板9的厚度为1-2mm。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池热管理装置，包括燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括集电器板(2)、阳极集流板(4)、气体扩散层(5)和质子交换膜及催化层(6)、阴极集流板(7)，所述气体扩散层(5)和质子交换膜及催化层(6)位于阳极集流板(4)和阴极集流板(7)之间，所述阳极集流板(4)和阴极集流板(7)外侧分别连接集电器板(2)，其特征在于：还包括散热系统，所述散热系统包括固固相变材料(3)和若干个导热管件(8)，所述固固相变材料(3)分别填充在阳极集流板(4)和集电器板(2)之间、阴极集流板(7)和集电器板(2)之间，所述导热管件(8)下部插入固固相变材料(3)、上部伸出固固相变材料(3)与外界交换热量。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述集电器板(2)分别与阳极集流板(4)、阴极集流板(7)之间形成密闭的空腔(201)，所述固固相变材料(3)设置在空腔(201)内。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述集电器板(2)的两侧均设置有侧集电器板(202)，所述侧集电器板(202)分别与阳极集流板(4)、阴极集流板(7)连接，所述侧集电器板(202)的上下两端与阳极集流板(4)、阴极集流板(7)之间均通过密封板(9)连接。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述导热管件(8)伸出固固相变材料(3)的部分安装有翅片(10)。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述导热管件(8)为热管。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述密封板(9)为金属板。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述固固相变材料(3)包括石蜡、高分子聚合物、SEBS和膨胀石墨。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述集电器板(2)外侧安装有封装端板(1)。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：若干个所述导热管件(8)顶部通过固定板(801)连接，所述导热管件(8)底部与密封板(9)连接。

10.根据权利要求9所述的一种燃料电池热管理装置，其特征在于：所述端板(1)的厚度为3-10mm，所述集电器板(2)的厚度为0.1-1mm，所述固固相变材料(3)的厚度为3-5mm，所述阳极集流板(4)和阴极集流板(7)的厚度相同且均为2-5mm，所述气体扩散层(5)的厚度为200μm，所述质子交换膜及催化层(6)的厚度为50μm，所述导热管件(8)的直径为2-4mm，所述密封板(9)的厚度为1-2mm。

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