一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块制造技术

本发明专利技术公开了一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；多个膜电极和双极板交替设置，阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；本发明专利技术热量从蒸发端外壁面传到内壁面和吸液芯，通过热管内部工质把热量传到冷凝端，冷却液将热量带走，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块
本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块。
技术介绍
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点，它不经历热机卡诺循环过程而直接把燃料的化学能转变成电能，再通过电机来驱动车辆，当用内燃机带动发电机时，其效率仅为30％～40％；而燃料电池的效率可达50％～60％，其突出优点是减少污染排放，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水，可实现零污染。所以燃料电池动力装置在环保与节能两方面的优势均极其突出。PEMFC在低温快速启动、比功率能量转换效率等方面的优越性能使其成为运载工具的首选电源，由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力电源。而PEMFC燃料电池堆的散热是影响燃料电池性能、寿命和运行安全的主要因素，也是下一代燃料电池技术的研发重点之一。伴随着PEMFC化学反应生成电能的同时，还有部分化学能转化成热量，再加上电堆向外部输出电能时，由于自身内部也会产生极化热、欧姆热等热量，其中40％～50％的能量耗散将会产生热能，这些热能在PEMFC电堆内部积累导致电堆温度不断升高。温度对PEMFC性能的影响十分显著，PEMFC在运行中不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温，温度升高，有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，获得更大的电流，电池性能变好，但温度高将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差，当温度接近100℃时，由于PEMFC采用的是聚合物电解质，质子膜的强度将下降，此时，如不及时降温，膜会出现微孔，使得氢气进入空气系统，危及运行安全，而且温度过高，水易呈气态，不利于膜电极内维持必要的水分。当电池内部温度过低时，输出电压将下降，电池组整体性能恶化。因此，维持PEMFC内部正常电化学反应的温度应保持在60～80℃，电堆内部要求各部分温度基本一致，以保证其工作性能。电流密度在0.7A/cm2以下的燃料电池采用风冷方式，可以基本满足冷却散热要求；冷却以上0.7A/cm2以上的高电流密度燃料电池，需要采用液冷方式进行冷却，才能满足高电流密度的散热要求。常见的燃料电池冷却方式空气冷却、液体蒸发冷却、空冷加蒸发冷却，这几种冷却方式一般常用于小功率燃料电池.目前基于高功率密度、大功率的燃料电池电堆却没有很好的解决方案，常见的是用传统的冷却液(如冷却水)从电堆左端板流入，经过冷却板液体槽道直接进行电堆中进行散热，然后从右端板流出。这种散热方式冷却液流通阻力很大，不利于散热，且循环液体泵的功率较高，大大消耗了燃料电池的净输出功率。且电堆中加入了冷却板，增加了电堆的尺寸。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺点，本专利技术提供一种均温效果良好，可以始终保持电堆在最佳的温度下工作，保证燃料电池小尺寸，散热迅速的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块。本专利技术的特殊双极板由两块具有复合表面功能超薄均温板(阴极模块和阳极模块)拼接成带有中空蛇形流道的双极板，蛇形流道为均温板的冷凝端。在循环液体泵的驱动下，冷却液通过进液装置直接进入双极板的蛇形流道内将热量带走。同时，超薄均温板是二维平板散热，具有更大的蒸发面积和散热面积，适用于轻薄紧凑和散热面积较大的使用环境，有利于将点热源均温到大面积的蒸发基板上；由于超薄均温板厚度和体积都大幅度下降，将其与燃料电池的双极板集成，将大大缩小燃料电池的尺寸，同时使燃料电池系统结构更加简单达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作，能够有效解决高功率密度燃料电池散热不足、功率低下的问题，达到电堆散热均温，提高工作效率的目的。本专利技术目的通过如下技术方案实现：一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极和双极板；膜电极的两侧分别设有双极板，多个膜电极和双极板交替设置，最外层的双极板与端盖连接；双极板包括阳极模块和阴极模块；在膜电极的一侧设有阳极模块，在膜电极的另一侧设有阴极模块；阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5-5mm；所述的进出液装置包括进液装置和出液装置；进液装置和出液装置分别安装在蛇形流道的进液口和出液口；加热装置安装在冷却液管道的进液端，出液装置、蓄液箱、循环液体泵、加热装置、进液装置通过冷却液管道依次串联，并通过蛇形流道形成传热均温循环回路。为进一步实现本专利技术目的，优选地，在阳极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个氢气流道；在阴极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道。优选地，所述的进液装置有一个主进液口和5个小出液口，5个小出液口分别与5个双极板的蛇形冷却液流道的进口相连；出液装置有5个小进液口和一个主出液口，5个小进液口分别与双极板5个蛇形冷却液流道的出液口相连。优选地，所述的进出液装置采用聚乙烯材料制成。优选地，所述的所述冷却液管道选用PE管。优选地，所述的循环液体泵选用CRS25-10型循环水泵；最大功率可达220W，流量最大可达80L/min。优选地，所述的加热装置选用PTC加热或电热膜加热装置。该PTC或电热膜加热装置的最高温度不高于60℃。优选地，所述的空腔由铜、合金等金属导电材料制成。优选地，所述的吸液芯由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或多孔泡沫金属制成。优选地，所述的工质为丙酮、乙醇和去离子水。本专利技术将超薄均温板的功能和普通燃料电池双极板的功能集成在一起，设计成具有复合表面功能的超薄均温板(也可称为特殊双极板)。该特殊双极板由两块阴极模块和阳极模块的超薄均温板组成，在阴极模块超薄均温板的蒸发端开设氧气流道，在其冷凝端开设蛇形流道；在阳极模块超薄均温板的蒸发端开设氢气流道，在其冷凝端开设蛇形流道，通过导电胶将两块均温板拼接成一个整体，形成带有蛇形冷却液通道的特殊双极板。本专利技术将冷却液通道开设在双极板内部，大大减小了电堆的尺寸，使系统结构更加简单、紧凑。同时本专利技术设计的具有复合表面功能的超薄均温板既可作为电堆的双极板，安装于电堆内部，既能够起到分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流；且在双极板蒸发端与反应气体接触，产生的热量从蒸发端外壁面传到内壁面和吸液芯，通过均温板内部工质把热量最终传到冷凝端(蛇形流道处)，在循环液体泵的驱动下，冷却液通过进液装置直接进入双极板的蛇形流道内将热量带走，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。同时冷却液进出口装置也进行了个性化的设计，冷却液进(出)口装置带有1个入口和5个出口(5个入口和1个出口)，分别控制5个双极板的温度。这样的处理方式可以大大减小冷却液的流通阻力，利于散热。同时这样的设计方式可以对电堆的局部进行温度控制，若电堆的某个部分由于某种特殊原因温度出现异常，导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极和双极板；膜电极的两侧分别设有双极板，多个膜电极和双极板交替设置，最外层的双极板与端盖连接；双极板包括阳极模块和阴极模块；在膜电极的一侧设有阳极模块，在膜电极的另一侧设有阴极模块；阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5‑5mm；所述的进出液装置包括进液装置和出液装置；进液装置和出液装置分别安装在蛇形流道的进液口和出液口；加热装置安装在冷却液管道的进液端，出液装置、蓄液箱、循环液体泵、加热装置、进液装置通过冷却液管道依次串联，并通过蛇形流道形成传热均温循环回路。

【技术特征摘要】
1.一种基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，主要由燃料电池电堆、进出液装置、冷却液管道、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极和双极板；膜电极的两侧分别设有双极板，多个膜电极和双极板交替设置，最外层的双极板与端盖连接；双极板包括阳极模块和阴极模块；在膜电极的一侧设有阳极模块，在膜电极的另一侧设有阴极模块；阳极模块和阴极模块在与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道或氢气流道，阳极模块和阴极模块与膜电极相对的一侧都设有蛇形流道凹槽；阳极模块和阴极模块的蛇形流道凹槽叠合形成完整的蛇形流道；阳极模块和阴极模块在空气流道或氢气流道与蛇形流道凹槽之间设有空腔，空腔中设有吸液芯和工质；空腔的高度为0.5-5mm；所述的进出液装置包括进液装置和出液装置；进液装置和出液装置分别安装在蛇形流道的进液口和出液口；加热装置安装在冷却液管道的进液端，出液装置、蓄液箱、循环液体泵、加热装置、进液装置通过冷却液管道依次串联，并通过蛇形流道形成传热均温循环回路。2.根据权利要求1所述的基于高功率密度燃料电池的液相冷却模块，其特征在于，在阳极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个氢气流道；在阴极模块与膜电极连接的一侧间隔设有多个空气流道。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：简弃非，刘家威，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44