[發(fā)明專利]一種基于高功率密度燃料電池的液相冷卻模塊

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• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN109004246A
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發(fā)明（設計）人: 簡棄非;劉家威
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權代理有限公司 44245
• 代理人: 向玉芳;唐善新

本發(fā)明公開了一種基于高功率密度燃料電池的液相冷卻模塊，主要由燃料電池電堆、進出液裝置、冷卻液管道、蓄液箱、循環(huán)液體泵和加熱裝置組成；多個膜電極和雙極板交替設置，陽極模塊和陰極模塊在與膜電極連接的一側間隔設有多個空氣流道或氫氣流道，陽極模塊和陰極模塊與膜電極相對的一側都設有蛇形流道凹槽；陽極模塊和陰極模塊的蛇形流道凹槽疊合形成完整的蛇形流道；陽極模塊和陰極模塊在空氣流道或氫氣流道與蛇形流道凹槽之間設有空腔，空腔中設有吸液芯和工質；本發(fā)明熱量從蒸發(fā)端外壁面?zhèn)鞯絻?nèi)壁面和吸液芯，通過熱管內(nèi)部工質把熱量傳到冷凝端，冷卻液將熱量帶走，達到電堆均溫散熱的效果，始終保持電堆在最佳的溫度下工作。

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池技術領域，特別是涉及一種基于高功率密度燃料電池的液相冷卻模塊。

背景技術

燃料電池被稱之為繼水電、火電和核電之后能持續(xù)產(chǎn)生電力的第四種連續(xù)發(fā)電方式，有著傳統(tǒng)的火力發(fā)電難以比擬的諸多技術上的優(yōu)點，它不經(jīng)歷熱機卡諾循環(huán)過程而直接把燃料的化學能轉變成電能，再通過電機來驅動車輛，當用內(nèi)燃機帶動發(fā)電機時，其效率僅為30％～40％；而燃料電池的效率可達50％～60％，其突出優(yōu)點是減少污染排放，對于氫燃料電池，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實現(xiàn)零污染。所以燃料電池動力裝置在環(huán)保與節(jié)能兩方面的優(yōu)勢均極其突出。PEMFC在低溫快速啟動、比功率能量轉換效率等方面的優(yōu)越性能使其成為運載工具的首選電源，由于電解質采用高分子膜，具有構造簡單、啟動快、常溫工作的優(yōu)勢，最適宜為汽車等交通工具提供無污染的動力電源。而PEMFC燃料電池堆的散熱是影響燃料電池性能、壽命和運行安全的主要因素，也是下一代燃料電池技術的研發(fā)重點之一。

伴隨著PEMFC化學反應生成電能的同時，還有部分化學能轉化成熱量，再加上電堆向外部輸出電能時，由于自身內(nèi)部也會產(chǎn)生極化熱、歐姆熱等熱量，其中40％～50％的能量耗散將會產(chǎn)生熱能，這些熱能在PEMFC電堆內(nèi)部積累導致電堆溫度不斷升高。溫度對PEMFC性能的影響十分顯著，PEMFC在運行中不斷產(chǎn)生熱量，如不及時排出多余的熱量，其內(nèi)部將逐漸升溫，溫度升高，有利于提高電化學反應速度和質子在電解質膜內(nèi)的傳遞速度，獲得更大的電流，電池性能變好，但溫度高將使質子交換膜脫水，不滿足膜的濕潤條件，其電導率下降，電池性能變差，當溫度接近100℃時，由于PEMFC采用的是聚合物電解質，質子膜的強度將下降，此時，如不及時降溫，膜會出現(xiàn)微孔，使得氫氣進入空氣系統(tǒng)，危及運行安全，而且溫度過高，水易呈氣態(tài)，不利于膜電極內(nèi)維持必要的水分。當電池內(nèi)部溫度過低時，輸出電壓將下降，電池組整體性能惡化。因此，維持PEMFC內(nèi)部正常電化學反應的溫度應保持在60～80℃，電堆內(nèi)部要求各部分溫度基本一致，以保證其工作性能。

電流密度在0.7A/cm²以下的燃料電池采用風冷方式，可以基本滿足冷卻散熱要求；冷卻以上0.7A/cm²以上的高電流密度燃料電池，需要采用液冷方式進行冷卻，才能滿足高電流密度的散熱要求。常見的燃料電池冷卻方式空氣冷卻、液體蒸發(fā)冷卻、空冷加蒸發(fā)冷卻，這幾種冷卻方式一般常用于小功率燃料電池.

目前基于高功率密度、大功率的燃料電池電堆卻沒有很好的解決方案，常見的是用傳統(tǒng)的冷卻液(如冷卻水)從電堆左端板流入，經(jīng)過冷卻板液體槽道直接進行電堆中進行散熱，然后從右端板流出。這種散熱方式冷卻液流通阻力很大，不利于散熱，且循環(huán)液體泵的功率較高，大大消耗了燃料電池的凈輸出功率。且電堆中加入了冷卻板，增加了電堆的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術中存在的缺點，本發(fā)明提供一種均溫效果良好，可以始終保持電堆在最佳的溫度下工作，保證燃料電池小尺寸，散熱迅速的基于高功率密度燃料電池的液相冷卻模塊。