燃料电池微型高效热动自循环冷却系统技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过具有单向导通功能的入、出口微止回阀与微通道连通，所述冷凝管、微通道内有循环流动的冷却工质，根据冷却排热的需要，冷凝管上还可设置有散热金属翅片，并连接有冷却工质贮罐。本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统不需要泵、风机等外加动力源，散热效果更好、结构更简单、电池堆总体利用率更高的，适用于如ＰＥＭＦＣ、ＤＭＦＣ等中低温燃料电池堆使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池的散热冷却系统，具体是指燃料电池微型高效热动自循环冷却系统。
技术介绍
燃料电池运行时，其能量转换效率在40％～60％左右，另外有60％～40％的能量以废热的形式排出电池堆外，以维持电池工作温度的恒定。目前广泛用于燃料电池的排热方法主要有两种：一种是通过冷却水循环排热。这种方法一般需要有机械循环泵来促使冷却水在整个冷却回路中的循环，通过冷却水的循环来带走电池堆内部的废热；另一种是在低输出功率燃料电池中使用的空气冷却排热。这种方法一般需要有鼓风机或抽风机来强制空气通过电池堆双极板散热孔道，利用室温下的冷空气来带走电池堆中的废热。以上这些方法的主要缺点是：(1)这两种冷却装置需要循环泵、风机等额外的机械装置。这无疑增加了冷却系统的体积，从而降低了整个燃料电池堆体系的重量比功率和体积比功率。(2)由于整个电池体系的体积庞大，使得其应用场合受到了较大的限制，难以用在如手提电脑、摄相机、电动工具、电动自行车、电动滑板车、电动轮椅车、电动汽车、电动割草机等便携式电子电器设备以及可移动的车辆、机器上。(3)使用水冷却系统来对燃料电池进行冷却时，由于进水口和出水口之间的温差较小，不仅需要大量的水来参与循环冷却过程，而且也需要较大的换热面积和体积来满足排热的需要，从而使之用在移动器具上时难以布置安排。(4)使用风冷却系统来对燃料电池进行冷却时，由于换热效率较低，只能用来控制工作温度较低(30～50℃)的燃料电池堆体系。由于电池堆三合一膜电极中所使用的催化剂的催化活性极大地依赖温度——即温度每升高10℃，催化剂的催化活性就会增加一个数量级。因此，工作温度太低时，催化剂的催化活性就很低，整个电池体系的输出功率也就很低。-->(5)驱动循环泵、风机等机械装置需要额外的动力，从而也使燃料电池体系总体的效率下降。(6)另外，这些机械装置运行时还会产生较大的噪音，从而会进一步限制了燃料电池的使用场合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其不需要泵、风机等外加的动力装置和动力源，散热效果更好、结构更简单、电池堆总体利用率更高的，适用于如PEMFC、DMFC等中低温燃料电池堆使用。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过具有单向导通功能的入、出口微止回阀与微通道连通，所述冷凝管、微通道内有循环流动的冷却工质。所述内腔带有微通道蒸发器的双极板是指具有高导热系数的金属板制成或者以石墨粉为基材压制而成，所述金属包括不锈钢、铜、铝以及各种合金，双极板采用金属板制成时，两块金属板之间采用硅橡胶线密封。所述微通道的直径尺寸通常为毫米级或微米级，当采用金属双极板时，可以通过先在金属板表面加工出毫米级细槽，再和另一块金属平板组合起来，从而形成微通道。当采用石墨粉作双极板基材时，则先将金属管埋入已加粘结剂的石墨粉中，再在模具中压制成双极板，这里所用的金属管，可以使用不锈钢、铜、铝以及各种合金等制成。所述微通道的横截面形状可以是圆形、弧形、方形、三角形、梯形或其他多边形。所述微通道在双极板内的排列方式可以为平行并联式排布，也可以呈井字式、斜式、蛇行式、螺旋式、回字式或锯齿式等方式排列；所述微通道在双极板内的排列方式还可以采用多组微通道并联或串联的方式排列，多组微通道之间可以通过横截面面积是微通道横截面面积2～3倍的细槽并联或串联起来。所述冷凝管是由金属(包括不锈钢、铜、铝以及合金等)或塑料毛细管制成，根据冷却排热需要，冷凝管上可以连接有冷却工质贮罐。冷凝管可以直接暴露在空气中，其上装有散热金属翅片来排散热量。-->所述冷却工质(即工作液体)由常用溶剂如水、乙醇、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、丙酮、乙酸、甘油、硅油、液体石蜡等根据所调整电池堆最佳工作温度的需要、按一定比例组成的二组分或多组分的共沸物，其共沸物的沸点可调节控制在40～160℃之间。冷却工质的装填量和填充比(即充填进密闭系统中工质的体积占整个密闭系统总体积的百分比值)可根据实际使用电池堆单位时间的排热量，再依据所用冷却工质的比热容通过计算来决定具体的装填量和填充比。本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的工作原理和过程如下：当燃料电池工作时，电池堆会发热。当电堆的温度达到或高于要控制的温度时，热量由导热良好的双极板迅速传递给其内腔微通道中的冷却工质。此时，微通道中的冷却工质由于接受大量的热而处于欠热状态(其本体温度低于对应压力下的饱和温度)，即由产生气泡而至开始沸腾过程，称为欠热沸腾。由于液态的工质沸腾汽化，工质在其相变过程中吸收了大量的热，同时产生了大量的气泡。气泡的不断产生使得微通道内的压力大大增加，达到一定值后，使得出口微止回阀打开，汽化的工质冲出出口止回阀，进入冷凝管中。汽化工质在冷凝器中遇冷发生冷凝，重新变为液体状态而回到贮液罐中。另一方面，当双极板内腔微通道内的汽化工质排出后，微通道内的压力迅速下降，使得出口止回阀关闭，同时液体工质在重力的作用下，使入口微止回阀打开，贮液罐中的液态工质通过进口止回阀进入双极板内腔的微通道中，从而进入了下一个新的热动冷却循环过程。本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统适合于工作温度在40～160℃的中低温燃料电池，如氢/氧质子交换膜燃料电池、氢/空气质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池以及天然气等其他类型燃料的燃料电池。本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统与现有技术相比，具有以下的优点和有益效果：(1)采用燃料电池堆发热的热驱动原理，实现了无泵冷却工质的循环，使得整个燃料电池体系的紧凑、简单，体积小，重量轻，可靠性高，适于作为便携式设备和可移动器具车辆等的动力电源；(2)由于在微通道内发生了欠热沸腾现象，利用冷却工质的相变过程，增强了冷却效果，能使电池内部的废热迅速排出，可保持电池堆内部的工作温-->度稳定；(3)本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统属于被动装置，无需任何机械运动部件，避免了由于驱动机械装置所需的额外功率负荷，有利于提高电池的总体使用效率。整个装置全密封维护、运行可靠、无噪音、无磨损、寿命长；(4)整个热动冷却系统实现了全封闭式循环回路，杜绝了冷却工质的泄漏浪费，不但降低了成本，而且还有利于环境保护；(5)可以根据电池排热负荷的要求来调整冷却工质的种类、配比、沸点或共沸点、装填量和填充比等参数，从而实现电池堆工作温度的自如控制。附图说明图1为本专利技术燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的剖视结构示意图；图2为本专利技术燃料电池微型高效热动自循环冷却系统的外形结构示意图；图3-I～3-V为图1、2所示双极板内腔微通道截面形状的示意图；图4-I～4-VII为图1、2所示双极板内腔微通道的排布方式的示意图；图5-I为图1、2所示双极板内多组微通道通过细槽串联的示意图；图5-II为图1、2所示双极板内多组微通道通过细槽并联的示意图；具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1、2所示，本燃料电池微型高效热动自循环冷却系统由内腔带有微通道蒸发器的金属双极板1、冷凝管4组成，冷凝管4通过具有单本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过入、出口微止回阀与微通道连通。

【技术特征摘要】
1、燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，包括内腔带有微通道蒸发器的双极板、冷凝管，所述冷凝管通过入、出口微止回阀与微通道连通。2、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述双极板是具有高导热系数的金属板制成或者以石墨粉为基材压制而成。3、根据权利要求2所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述金属包括不锈钢、铜、铝以及各种合金，两块金属板之间采用硅橡胶线密封。4、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道其尺寸为毫米级或微米级。5、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动自循环冷却系统，其特征在于，所述微通道的截面形状包括圆形、弧形、方形、三角形、梯形。6、根据权利要求1所述燃料电池微型高效热动...

【专利技术属性】
技术研发人员：周震涛，张俊，于非，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]