专利名称：一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管的制作方法
技术领域：
本实用新型属于清洁能源领域，特别涉及一种降低直接甲醇燃料电池中电堆温度的方法 及装置。
技术背景直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell),简称DMFC，直接以甲醇为阳极燃料，无 需将甲醇重整为富氢气体的甲醇重整器装置，具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料补 充方便等特点，是最适合用于小型电源、车用电源等的燃料电池。它直接用甲醇溶液作为"燃 料"发电，反应后的产物只有水，是一种绿色的环保电池。所以直接甲醇燃料电池的研究具 有十分重要的意义。限制直接甲醇燃料电池商业化的一个重要原因是没有完全解决电池中的 甲醇渗透问题。甲醇渗透就是甲醇从电堆的阳极通过膜扩散到阴极直接与氧气发生反应，甲 醇渗透现象使直接甲醇燃料的燃料利用率一般只有20%左右。甲醇渗透与电堆温度有直接的联系， 一般温度越高甲醇渗透就会加重，造成燃料的浪费。 而渗透到电堆阴极的甲醇与氧气直接反映放热使电堆的温度升高，同时电堆温度过高也会使 电池寿命低縮短。所以电堆温度的控制对电堆的正常工作和提高甲醇利用率是很重要的。现有的控制电池堆温的方法一般是在电堆表面加散热片并使用高风量风机降温，这些方 法不仅散热效果不好，还利用了系统的电能，使系统的发电效率降低。热管是一种传热效率很高的新型高效传热元件，它不需要外界供给任何动力就可以在很 小的温差条件下就能迅速传输大量的热能，并且它具有结构简单、传热效率高、无运转部件、 工作可靠、使用寿命长等优点。使用热管不仅可以得到与使用高风量电机和散热片同样的效 果，而且也不会额外的消耗系统的电能。同时当系统发热过高要求热管的散热性能提高时，由于普通的热管内部气态工质的流动 只受两端压差的控制，不一定有很高的散热性能。 实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种作为小型电源甲醇燃料电池的电堆温度控制用的热管，以 解决由于电堆运新温度过高引起的燃料利用率下降的问题，相应的也提供了一种利用电堆余 热发电的小型电源。本实用新型的特征在于，该热管含有管壳(16)、置于该热管管壳(10)内的磁
性风叶(4)，以及沿热管管壳(10)外侧作周向均匀分布的三相线圈，其中热管管壳(10) 与所述电堆以接触方式传热，该热管抽成负压后充入液态工质，再把管壳(10)密封，管壳 (10)的内壁有用金属细丝烧结形成的管芯；磁性风叶(4)、轴承(2)与固定杆(1)同轴 旋转连接，而所述固定杆(1)与热管管壳(10)的内壁之间连接着支架(3);线圈(5)与 所述磁性风叶(4)位于热管的同一个径向截面，在电堆正常工作时向负载供电。本实用新型的有益效果是本实用新型针对甲醇燃料电池的特性设计了一种可以自发电的 热管散热系统，这种散热系统可以在一定程度上控制电池中电堆的温度，并且可以在没有锅 炉和发电机等设备的条件下自身就可以利用电池的热量进行发电，起到提高系统的发电效率 的作用。同时在散热要求较高的时候，该热管也可以利用外部的电能加速热管内部气态工质 的流动，提高散热效果。具有结构简单，便于制造和维护的优点。
图-1为所用可发电热管的原理图l.转轴，2.轴承，3.固定杆，4.带磁风叶，5.线 圈，6.气态工质流向，7.液态工质流向，8.蒸发端，9.电能输入/输出，IO.管壳，11.冷凝端。图-2为风叶的构造示意图a.风叶中磁性部分，b.整个风叶的构造，c.整个风叶在热 管中产生的磁场，d.线圈与风叶的相对位置，12.S极，13.N极，14为增加风叶磁性 而增加的弧形磁铁，15.为增加风叶转矩而增加的非磁性风叶，16.风叶产生的磁场方向。图-3为实施方案1热管结构的示意图16.热管冷凝端通风的风洞，17.电堆， 18.液态工质，19.泵，20.喷淋头，21.混合容器中的甲醇溶液，22.混合容器。图-4为实施方案2热管结构的示意图图-5电堆示意图具体实施方式
可发电的热管原理图如图1所示热管中有一个可以自由旋转的带磁性风叶4，当热管 从外部热源吸热时，蒸发段8中液态工质受热蒸发，局部空间的蒸汽压力升高使热管两端形 成压差，蒸汽在压差作用下被驱送到冷凝端ll，其热量通过热管表面传输给被热体，热管内 工质冷凝后又返回蒸发段8,形成一个闭式循环。当气态工质流过风叶4时驱动风叶旋转， 在热管的安放风叶位置的外部安放有沿热管周向等间距分布的线圈5 (安放位置如图-2的d 图所示)。带磁性风叶4的旋转会使通过线圈中磁通量发生变化，所以线圈会产生电势，将线 圈5与外部负载相连则可以实现给负载供电的目的。热管的管壳10由热传导较快铜的制成，将管内抽成适当负压后充入适量的工作液体，然
后加以密封。为同时增强管芯的毛细力和热传导力，管芯用细金属丝网烧结在管壁上。热管 一段为蒸发端8，另外一段为冷凝端ll。风叶4的构造如图一2所示图一2 (a)所示的两片风叶为磁铁，为加强风叶的磁性， 在图一2 (a)所示的两片风叶的两端各加上一个弧形磁铁14。两个弧形磁铁14与两片风叶 互相连接使得图一2 (a)所示部分整体构成一整块磁铁。为了加大风叶3转动的扭矩和系统 的发电效率，在图一2 (a)中所示的黑色带磁性叶片上又增加了两片用非磁性材料做成的叶 片15 (见图一2 (b))。整个风叶在热管外表面形成的磁场15如图一2 (c)所示。管壁10外 面的三个线圈安放位置如阁一2 (d)所示。考虑到一般电堆合适的工作温度为60-70度之间，纯甲醇在一个标准大气压下的沸点为 64.7度，所以选用纯甲醇作为热管的工质，如果甲醇的沸点过高不能满足散热要求，因为共 沸物的沸点会低于各组分的沸点，可以添加合适溶剂(如丙酮)可以与甲醇形成共沸物，或 在制作热管在加入工质前将热管抽成负压，这样也可以降低工质在热管中的沸点。当电堆散热要求很高时，可以给热管外部线圈5通入三相交流电，这样在风叶4和管壁 10间会叠加成一个旋转的磁场，在旋转磁场的带动下风叶4加速旋转提高了热管的散热效果。 此时应把整流和充电电路从三个上线圈切除，而接入三相交流电。实施方案l (如图-3所示)由于电堆在工作时需要加入甲醇溶液21，反应后的甲醇溶液又打 入混合容器22中以供进一步使用，所以将混合容器22中的甲醇溶液21降温也是给电堆降温的一个好方法。将热管做成图3所示的热管下部为端为蒸发段8，将并将蒸发段8插入到混合容器的甲醇 溶液22中，为了增加蒸发段8与甲醇溶液22的接触面积将蒸发段8不规则形状。热管一端 为冷凝段ll，为了增加冷凝段11的冷却效果，中间开有凹槽，使其带有许多通风孔16，该 热管工作时应用微风量风散对冷凝端散热。热管中间较窄部分放置风叶4。考虑到热管工作时内部风速大时，液体回流较困难，所以在热管里增加了一个回流装置， 具体是利用微型泵19将聚集在热管冷凝段下部的液态工质18打到热管蒸发段8，与泵19相 连接的管口安装喷淋头20，使液态工质能够比较均匀的洒落在热管蒸发段8。这里给出一种 控制泵的方法 一般情况下，泵是关闭的以减小能量的损失，当冷凝段聚集了一定的液态工 质时才将泵丌启，将工质打到热管下部的蒸发段8。通过检测下部蒸发段底部的温度可以得 知蒸发段8是否还有液态工质，例如在热管正常工作时，蒸发段8底部温度在一段时间里温 度明显升高，说明底部已经没有太多的液态工质了，这时将泵19打开，使液态工质流回蒸发 段8。
实施方案2 (如图-4所示)这种方法直接给电堆降温，热管的上部是冷凝端，(结构与 方案一中的相同)，热管下部的蒸发段制成一个"门"形以便放在电堆17 (如图-5所示)上 时使其和电堆的接触面积加大，将该热管放置在电堆的表面时，恰好可以和图-5所示电堆的 A、 B、 C三个面相接触。
方案-2其它的工作原理与方案-l相似，不再重复。
权利要求1. 一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征在于，该热管含有管壳(16)、置于该热管管壳(10)内的磁性风叶(4)，以及沿热管管壳(10)外侧作周向均匀 分布的三相线圈，其中热管管壳(10)与所述电堆以接触方式传热，该热管抽成负压后充入液态工质，再把管壳(10)密封，管壳(10)的内壁有用金属细丝烧结形成的管芯；磁性风叶(4)、轴承(2)与固定杆(1)同轴旋转连接，而所述固定杆(1)与热管管壳(10)的内壁之间连接着支架(3);线圈(5)与所述磁性风叶(4)位于热管的同一个径向截面，在电堆正常工作时向负载 供电。
2. 根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，所述的磁性风叶(4)两端各连接一个弧形磁铁。
3. 根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，还有非磁性风叶(15)，该非磁性风叶(15)与所述的磁性风叶(4)之间的圆周长度 处处相等。
4. 根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，该热管的蒸发段(8)插入到置于一个混合容器中，该混合容器中存有经过所述电堆反 应后的甲醇溶液和适量溶剂。
5. 根据权利要求4所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，在所述热管的管壳(10)上有一个微型泵(19),用于把聚集在所述热管的冷凝段下部 的液态工质(18)打入到蒸发段(8)。
6. 根据权利要求4所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，在所述热管的管壳蒸发段(8)呈"门"字形，以便于与电堆表面的接触面积足够的大。
7. 根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，在电堆过热时，先切段线圈(5)的负载，再在线圈(5)中通入三相交流电，以使磁 性风叶(4)加速旋转，提高热管内气态工质(18)的流速。
8. 根据权利要求3所述的一种用于直接甲醇燃料电池电堆温度控制用的热管，其特征 在于，在电堆过热时，先切段线圈(5)的负载，再在线圈(5)中通入三相交流电，以使磁 性风叶(4)和非磁性风叶(15)加速旋转，提高热管内气态工质(18)的流速。
专利摘要本实用新型用于直接甲醇燃料电池电堆冷却技术，其特征在于，在与电堆表面充分接触的一个热管内，利用气态工质带动一个由磁性叶片以及非磁性叶片组成的风叶，通过一组三相线圈向负载供电，该三相线圈沿着热管外围正对着叶片在空间中分布；当电堆过热时，先切端线圈的负载，再向线圈加上三相交流电，使叶片加速旋转，以提高气态工质在热管中的流速，对电堆实施加速冷却。
文档编号H01M8/02GK201038240SQ200720104228
公开日2008年3月19日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者丁青青, 戎袁杰, 李春文, 王荣蓉, 谢晓峰 申请人:清华大学