一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆制造技术

本实用新型专利技术公开了一种安全节能的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，每个阳极板和阴极板之间贴合微热管阵列，贴合阳极板和阴极板的部分为微热管阵列蒸发段，向外伸出电池堆部分作为微热管阵列冷凝段，微热管阵列蒸发段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，然后通过自然对流散热或外置风机进行强制对流散热。本实用新型专利技术可以在实现燃料电池堆散热的同时，增加电堆内部的温度均匀性，提高可靠性。提高可靠性。提高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆


[0001]本技术涉及氢能技术燃料电池热管理
，尤其涉及一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]中国技术专利申请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：
[0008]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
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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。
[0009]中国技术专利申请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。
[0010]美国技术专利US 20050026015A1公开了Micro Heat Pipe embedded bipolar plate for fuel cell stacks中将微热管嵌入燃料电池的双极板中，也存在这中国技术专利申请CN103715441A种前两条缺点。

技术实现思路

[0011]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，本技术提供了一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆。
[0012]本技术的技术方案：
[0013]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。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。
[0014]还包括散热翅片和外置风机。冷凝段上贴合有散热翅片，外置风机面对所述冷凝段设置，外置风机开启后，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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本技术的有益技术效果：
[0018]本技术的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，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。
[0019]另外，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。
[0020]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，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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和微热管阵列；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，每组所述双极板由阳极板和阴极板组成，在两个端板之间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，所述微热管阵列贴合于所述阳极板和阴极板之间的部分为微热管阵列蒸发段，所述微热管阵列的向外伸出电池堆部分为微热管阵列冷凝段。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。3.根据权利要求2所述的一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆，其特征在于包括外置风机，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵耀华，王林成，徐红霞，全贞花，
申请(专利权)人：赵耀华，
类型：新型
国别省市：