专利名称：车用燃料电池保温装置的制作方法
技术领域：
车用燃料电池保温装置涉及到隔热保温技术领域，特别涉及车用燃料电池在寒冷环境中的隔热保温技术领域。
质子交换膜燃料电池的反应物是氢气和空气，在正常稳态工作时质子膜中含有一定量的液态水，在催化剂的作用下，氢原子分解为氢质子和电子，氢质子透过湿润的质子膜和另一侧空气中的氧结合生成水，电子则通过外加电路提供电能。质子交换膜燃料电池在80℃左右时工作效率最高，而温度低于20℃时电池堆无法正常工作；并且在一定范围内质子膜中液态水的含量越高，其导通质子的能力就越强，性能就越好。
燃料电池在汽车上广泛应用需要克服的主要技术障碍之一是使燃料电池适用于寒冷低温环境。燃料电池汽车可能行驶在各种各样的气候中，如果在冬季，寒冷的天气将给质子交换膜燃料电池带来很大的危害。温度过低使燃料电池工作效率下降，特别是当燃料电池不工作时，电池堆的温度将会降至零度以下，质子膜中的液态水将会结冰从而膨胀，膨胀产生的应力将破坏质子膜，使燃料电池无法继续正常工作。因此，在温度低于零度以下时，保证质子膜不结冻对于燃料电池汽车适用于寒冷气候地区是非常关键的。
由于目前燃料电池汽车正处在研发阶段，没有对质子膜的防冻问题提出具体的解决方案。测试中的燃料电池汽车通常是在不工作时，将反应物氢气、空气和电池堆中的水放掉，在下一次测试工作之前进行加湿和预热，来达到电池堆正常工作时所需的湿度和温度。当燃料电池汽车处在零下40℃的外界环境中时，这一过程长达7分钟左右，显然这种方式无法满足燃料电池汽车正常使用的要求。
发明目的本发明的目的是针对燃料电池汽车在寒冷气候中使用的特殊性，提供一种车用燃料电池的保温装置，它采用余热利用与隔热保温技术，通过在燃料电池堆外部布置一层绝热材料，增大电池堆与外界的传热热阻，从而降低电池堆自身的热量损失；同时在绝热层内部布置一层吸热储能材料，以吸收电池堆工作时排出的多余热量，在电堆温度低于特定温度时材料放热，实现车用燃料电池的保温效果。
本发明所提出的车用燃料电池保温装置，其特征在于，含有设置在电池堆外部的绝热层，和紧贴在所述绝热层内部的相变吸热层，在所述绝热层和相变吸热层上均开有供电池堆的进气管道、排气管道、以及冷却水循环管道通过的通孔，在所述相变吸热层与电池堆之间有间隙。
其特征还在于，所述绝热层的厚度为10mm～30mm。所述绝热层的的材料是真空绝热板。所述真空绝热板是真空微粒保温材料或真空气凝膠保温材料之一种。所述相变吸热层的厚度为10mm～30mm。所述相变吸热层是相变温度为30℃～60℃的相变吸热层。所述相变吸热层的材料是Climsel C58或Rubitherm RT50之一种。
其特征还在于，在所述进气管道、排气管道、冷却水循环管道与所述绝热层和相变吸热层上的通孔之间的间隙填充软质隔热材料。
通过在电池堆外部设置绝热保温层，可以有效地降低电池堆与外界的传热系数，通过在绝热层内部布置相变吸热层，能够有效地利用多余热量，使燃料电池堆在寒冷的气候中能够长时间保温，从而有利于燃料电池汽车在寒季的使用。
图2是本发明装置实施方式示意图。
如
图1，可见该保温装置的外层是绝热层1，内层是相变吸热层2，绝热层1与相变吸热层2是紧贴在一起形成了保温层。在绝热层1与相变吸热层2上开有各路管道通孔Ф，与各通孔相匹配的各路管道见图2。
如图2所示，图中3为燃料电池堆，绝热层1布置在电池堆3的外部，绝热层1的内部紧贴着相变吸热层2。根据隔热效果的要求和燃料电池车内布置空间大小的限制，绝热层1的厚度在10mm-30mm之间，材料可选用导热系数比空气小的真空绝热板，如真空微粒保温材料、真空气凝膠保温材料等，热传导系数为0.007W/mK左右；相变吸热层的厚度在10mm-30mm之间，材料可选用相变吸热材料Climsel C58、Rubitherm RT50等。绝热层和吸热层配合使用后的最佳厚度尺寸，可根据实际车内布置空间大小、材料性能、外界温度参数及具体的保温要求，通过解传热方程得到。由于燃料电池堆3表面有各种管道接口，可以使相变吸热层2和电池堆3之间留有一定间隙，形成保温腔12，防止材料热膨胀带来的危害，这些管道同时也对绝热层1和相变吸热层2起到支撑作用。管道10、11分别为氢气和空气的进气管道，管道4、5为反应剩余物的排气管道，8为燃料电池堆的冷却水循环管道，7为散热器，6和9为阀门。从图中可以看出，上述管道穿过绝热层和相变吸热层，可以根据具体燃料电池堆的结构要求，在制造绝热层和相变吸热层时，预先留有与管道相匹配的通孔，装配完成后，在管道与绝热层和相变吸热层之间的间隙填充软质隔热材料，如泡沫塑料、石棉纤维等，防止热量由这些间隙散失。
在燃料电池工作时，电池堆3将产生大量的热量，此时必须由外加冷却水循环管道8对电池堆3进行冷却，以使电池堆温度控制在80℃左右。当保温腔12内温度高于相变温度时，相变材料发生相变吸热，将电池堆3发出多余热量储存起来。当汽车停止不用时，阀门6和9关闭，防止冷却水因温度差异流动影响保温；绝热层1使保温腔12与外界的热量交换达到最小，同时相变吸热层2不断向外释放热量，可以有效地保持保温腔内12的温度。
当绝热层1采用厚度为14mm的真空气凝膠绝热板，相变吸热层采用厚度为11mm的Climsel C58时，保温装置的总重量为16Kg，体积为21升；在外界温度为零下20℃时，保温装置可以保持燃料电池堆3的温度在零度以上达170个小时；而在同样的环境下，没有绝热层和相变吸热层的电池堆在几个小时内温度就会降到零度以下，使电池堆遭到破坏。
本发明无需对燃料电池汽车外形结构进行修改，通过在燃料电池堆外部加保温装置，可以有效地降低燃料电池堆与外界的热量传递，同时最大程度地利用多余热量，从而有利于燃料电池汽车在寒季的使用。
权利要求
1.车用燃料电池保温装置，其特征在于，含有设置在电池堆外部的绝热层，和紧贴在所述绝热层内部的相变吸热层，在所述绝热层和相变吸热层上均开有供电池堆的进气管道、排气管道、以及冷却水循环管道通过的通孔，在所述相变吸热层与电池堆之间有间隙。
2.如权利要求1所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述绝热层的厚度为10mm～30mm。
3.如权利要求1所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述绝热层的的材料是真空绝热板。
4.如权利要求3所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述真空绝热板是真空微粒保温材料或真空气凝膠保温材料之一种。
5.如权利要求1所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述相变吸热层的厚度为10mm～30mm。
6.如权利要求1所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述相变吸热层是相变温度为30℃～60℃的相变吸热层。
7.如权利要求6所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，所述相变吸热层的材料是Climsel C58或Rubitherm RT50之一种。
8.如权利要求1所述的车用燃料电池保温装置，其特征在于，在所述进气管道、排气管道、冷却水循环管道与所述绝热层和相变吸热层上的通孔之间的间隙填充软质隔热材料。
全文摘要
车用燃料电池保温装置涉及到隔热保温技术领域，特别涉及车用燃料电池在寒冷环境中的隔热保温技术领域。其特征在于，它含有设置在电池堆外部的绝热层，和紧贴在所述绝热层内部的相变吸热层，在所述绝热层和相变吸热层上均开有供电池堆的进气管道、排气管道、以及冷却水循环管道通过的通孔，在所述相变吸热层与电池堆之间有间隙。本发明无需对燃料电池汽车外形结构进行修改，通过在电池堆外部设置绝热层，可以有效地降低电池堆与外界的传热系数，通过相变吸热层能够有效地利用多余热量。使燃料电池堆在寒冷的气候中能够长时间保温，从而有利于燃料电池汽车在寒季的使用。
文档编号H01M8/04GK1479397SQ03145958
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者张扬军, 张钊, 欧阳明高, 卢青春, 陈全世, 李希浩, 高 申请人:清华大学