一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于高电流密度燃料电池传热均温的液冷式独立单元模块系统。

背景技术

燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点，它不经历热机卡诺循环过程而直接把燃料的化学能转变成电能，再通过电机来驱动车辆，当用内燃机带动发电机时，其效率仅为30％～40％；而燃料电池的效率可达50％～60％，其突出优点是减少污染排放，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水，可实现零污染。所以燃料电池动力装置在环保与节能两方面的优势均极其突出。pemfc在低温快速启动、比功率能量转换效率等方面的优越性能使其成为运载工具的首选电源，由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力电源。而pemfc燃料电池的散热是影响燃料电池性能、寿命和运行安全的主要因素，也是下一代燃料电池技术的研发重点之一。

伴随着pemfc化学反应生成电能的同时，还有部分化学能转化成热量，再加上电堆向外部输出电能时，由于自身内部也会产生极化热、欧姆热等热量，其中40％～50％的能量耗散将会产生热能，这些热能在pemfc电堆内部积累导致电堆温度不断升高。温度对pemfc性能的影响十分显著，pemfc在运行中不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温，温度升高，有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，获得更大的电流，电池性能变好，但温度过高将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差，当温度接近100℃时，由于pemfc采用的是聚合物电解质，质子膜的强度将下降，此时，如不及时降温，膜会出现微孔，使得氢气进入空气系统，危及运行安全，而且如果电池组件中的温度达到水的沸点，电池膜组件中的水呈气态，不利于膜电极内维持必要的润湿水分。当电池内部温度过低时，输出电压将下降，电池组整体性能恶化。因此，维持pemfc内部正常电化学反应的温度应保持在60～80℃，电堆内部要求各部分温度基本一致，以保证其工作性能。

电流密度在0.7a/cm²以下的燃料电池采用风冷方式，可以基本满足冷却散热要求；冷却以上0.7a/cm²以上的高电流密度燃料电池，需要采用液冷方式进行冷却，才能满足高电流密度的散热要求。常规的燃料电池冷却方式有冷却液循环排热、空气冷却和液体蒸发冷却、空冷加蒸发冷却。这类系统由于需要风机、泵、换热器、加热器、管线以及其它附件而使结构过于庞大、复杂，同时它也使系统的投资增加。所以现有传统散热设备及冷却方法用于燃料电池的冷却，肯定不是最佳选择。

目前大多数高电流密度电堆基本是用传统的冷却液(如冷却水)通过冷却板直接进入电堆中进行散热，这种散热方式冷却水流通阻力大，不利于散热，且循环液体泵的功率较高，大大消耗了燃料电池的净输出功率。

中国实用新型专利cn203812974u公开了阵列热管式质子交换膜燃料电池热管理结构，中国发明专利申请cn103715441a公开了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，但是该类现有技术存在有如下的问题：

1、基于燃料电池功率和尺寸的考虑，因此每个燃料电池单元做的非常薄，每个双极板厚度约为1～3mm。但是上述现有专利技术中在每个电池单元中插入安装一个铜制工作板，并将普通圆形热管安装在工作板内达到散热目的，这样会大大增加电堆的总体尺寸。

2、上述现有专利技术中热管采用普通圆管，普通圆形热管与工作板之间接触面积较小，换热效率不高，不能将大量的热量及时从燃料电池内部排出，严重影响电堆的正常工作。

3、上述现有专利技术中热管是独立散热的，不能保持每根热管具有相同的温度，且热管之间有一定的距离，这样会使双极板面上的温度分布不均温，温度梯度较大，影响电堆的工作状况，严重时会损害电堆的使用寿命。

4、上述现有专利技术中热管蒸发端与冷凝端成90°～120°角度，这样会增加热管内相工质的流动阻力，严重影响热管换热效率，可行性不高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种体积小，换热效率高、保证燃料电池均衡运行的用于电流密度在0.7a/cm²以上的大功率燃料电池传热均温的液冷式模块。

本发明将超薄均温板的功能和普通燃料电池双极板的功能集成在一起，设计成具有复合表面功能的超薄均温板，是一种特殊双极板；该均温板中间为蒸发端，作为电堆的双极板，既能够起到分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流；而且又具有均温板的功能，将聚集在双极板表面的热流迅速扩散到大面积的冷凝表面上，从而促进热量的散发，降低双极板表面的热流密度，起到均温散热的效果。本发明利用均温板优良的导热性及热流方向的可逆性将燃料电池工作时产生的热量或低温时需要加热保温的热量通过均温板来进行传递，达到电堆均温散热的效果，使电堆始终保持良好的工作条件下运行。本发明既能够有效解决燃料电池低温启动的问题，也能够将大功率电堆产生的大量热量及时排出，极大提高燃料电池的工作性能及使用寿命。

本发明相比于常规热管来说，超薄均温板是二维平板散热，具有更大的蒸发面积和散热面积，适用于轻薄紧凑和散热面积较大的使用环境，有利于将点热源均温到大面积的蒸发基板上；由于超薄均温板厚度和体积都大幅度下降，将其与燃料电池的双极板集成，将大大缩小燃料电池的尺寸，同时使燃料电池系统结构更加简单。

冷却水管道也是针对均温板的布置方式进行了个性化的设计，在管道中由多层隔板，每隔层分别对应安装超薄均温板，这样可以对每个电池单元进行单独的热控制，若其中一块单电池在在工作过程中温度过高(或过低)，可以通过控制其所在冷却管道的隔层内冷却水的流量来调节电池单元的温度，使其达到最佳的工作状况。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块，主要由燃料电池电堆、冷却液流道、超薄均温板、蓄液箱、循环液体泵和加热装置组成；加热装置安装在冷却液流道的进液端；蓄液箱、循环液体泵、加热装置通过冷却液流道依次串联，形成传热均温循环回路；冷却液流道穿过多个间隔设置的燃料电池电堆的超薄均温板的冷凝端；

所述燃料电池电堆包括端盖、膜电极、超薄均温板，膜电极的两侧分别设有超薄均温板，多个膜电极和超薄均温板交替设置，最外层的超薄均温板与端盖连接；所述超薄均温板包括壳体、空腔体、吸液芯和工质；空腔体设置在壳体中，至少从壳体的一端伸出壳体，空腔中设有吸液芯和工质；壳体的上表面或者下表面分别设有空气流道或氢气流道；空气流道或氢气流道分别与膜电极的上表面或者下表面连接；壳体及与壳体连接的空腔体部分构成超薄均温板蒸发端，空腔体伸出壳体部分构成超薄均温板冷凝端；超薄均温板的总体厚度不超过2mm。

优选地，所述的空腔体从壳体的两端伸出。

优选地，设置在燃料电池电堆中的冷却液流道制成矩形结构，矩形结构内设有多个隔板层，每个超薄均温板冷凝端设置在冷却液流道的一个矩形结构中，冷却液流道在超薄均温板冷凝端外的部分为圆形管道。

优选地，所述的工质选择丙酮、乙醇和去离子水中的一种或多种。

优选地，所述的吸液芯由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或超轻多孔泡沫金属制成。烧结的金属颗粒优选为颗粒直径在200目以下的纯铜粉体。

优选地，所述的壳体由紫铜或铜合金制成。

优选地，所述的循环液体泵选用crs25-10型循环液体泵。

优选地，所述的加热装置选用ptc加热或电热膜加热装置。

优选地，所述的冷却液流道的材质选用pe；所述的膜电极选用mea膜电极。

区别去普通热管，本发明设计了具有二维传热均温的新型复合表面功能的超薄均温板，该新型均温板同时具有均温板散热均温的作用和双极板分隔反应气体、导流、传导电流的作用。该均温板中间为蒸发端，同时作为电堆的双极板，将双极板表面上产生的“热点”迅速传递并扩散到大面积的冷凝表面上，降低双极板表面的热流密度，利用冷却水将热量带走，实现降温的同时保持均温的效果。

本发明冷却水管道针对均温板的布置方式进行了个性化的设计，在管道中由多层隔板，每隔层分别对应安装均温板，可以对每个电池单元进行单独的热控制，若其中一块单电池在在工作过程中温度过高(或过低)，可以通过控制其所在冷却管道的隔层内冷却水的流量来调节电池单元的温度，使其达到最佳的工作状况，进一步实现均温的效果。

本发明在冷却水管道中加入了加热装置，当电堆处于低温环境中时，加热装置可以对冷却水进行加热，冷却水将热量通过均温板传递到燃料电池单元中对电堆升温，促使电池在低温启动成功。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明采用的核心传热均温部件是复合表面功能的超薄均温板，区别于现有风冷、液体直接冷却等方式。每片均温板是一个独立的传热单元，一片均温板的损坏不影响其他均温板的正常使用，所以换热性能更加稳定可靠。均温板具有换热面积大、传热效率高且工作介质的循环是依靠回流液的重力作用，无机械运行部件，增加了设备的可靠性，减少了功耗，大大提高了燃料电池的输出性能。

2、本发明利用均温板的可逆性，在冬天寒冷的天气(如气温在-30℃甚至温度更低的北方)对燃料电池堆进行保温(燃料电池堆里面的湿润气体如果结冰，会损坏燃料电池堆的膜组件，导致燃料电池堆性能衰减、电堆失效，严重情况会出现爆炸等安全问题)。在燃料电池低温启动时，安装在冷却液管道内的加热装置加热冷却液，泵驱动冷却液循环加热均温板冷凝端，利用均温板的可逆性将热量快速传递到燃料电池单元中对电堆升温，促使电池在低温启动成功，从而提高燃料电池的低温环境适应性与工作寿命；在燃料电池温度过高时，热量从均温板蒸发段(双极板)外壁面传到内壁面和吸液芯，通过均温板内部工质把热量最终传到燃料电池电堆外面的均温板冷凝段，然后通过冷却水把热量带走，达到电堆均温散热的效果，始终保持电堆在最佳的温度下工作。

3、本发明开发的燃料电池系统中的超薄均温板代替传统的冷却通道板，同时将超薄均温板与燃料电池的双极板集成，制成具有复合表面功能的超薄均温板。均温板的蒸发端具有双极板的功能，起到导流的作用。同时整个均温板又起到均温散热的效果，把燃料电池在高温时需要散发的热量与低温时需要加热的热量通过均温板来进行传递，避免了要通过流体穿过燃料电池才能冷却或加热的传统方法，达到快速加热(冷却)燃料电池内部热量的效果，同时使燃料电池系统结构更加简单、紧凑。

4、相比常规热管来说，超薄均温板是二维平面散热，具有更大的蒸发和散热面积，适用于结构紧凑和散热面积较大的使用环境，有利于将点热源均温到大面积的蒸发基板上，降低双极板表面的热流密度。由于超薄均温板厚度和体积都大幅度下降，超薄均温板可以对配对散热设备的热沉作出更灵活的装配配合，散热装置结构形式更趋多样化。而超薄均温板能灵活地改变散热表面积，更有效地将局部过热高温(低温)点的温度均温化。

5、本发明冷却液管道也是针对均温板的布置方式进行设计，冷却液管道中设有多层隔板，每隔层分别对应安装一个超薄均温板，对每个电池单元进行单独的热控制，若其中一块单电池在在工作过程中温度过高(或过低)，可以通过控制其所在冷却管道的隔层内冷却水的流量来调节电池单元的温度，使其达到最佳的工作状况。

6、本发明将传热能力极强的均温板应用于燃料电池热管理系统，既有效解决了散热问题，又使电池结构紧凑降低成本。

附图说明

图1为用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块的结构示意图。

图2为图1中燃料电池电堆的结构示意图。

图3为图2的正视图。

图4为冷却液管道与均温板安装的局部放大图。

图5为超薄均温板的俯视图。

图6为燃料电池电堆的爆炸图。

图7为超薄均温板与膜电极组合安装示意图。

图8为超薄均温板结构示意图。

图9为超薄均温板剖面图。

图10为冷却液管道结构示意图。

图11为冷却液管道正视图。

图中示出：燃料电池电堆1、端盖1-1、膜电极1-2、冷却液流道2、流道隔板2-1、超薄均温板3、超薄均温板蒸发端3-1、超薄均温板冷凝端3-2、吸液芯3-3、空气流道3-4、氢气流道3-5、蓄液箱4、循环液体泵5、加热装置6。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图6所示，一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块，主要由燃料电池电堆1、冷却液流道2、超薄均温板3、蓄液箱4、循环液体泵5和加热装置6组成；加热装置6安装在冷却液流道2的进液端，蓄液箱4、循环液体泵5、加热装置6通过冷却液流道2依次串联，形成传热均温循环回路；冷却液流道2穿过多个间隔设置的燃料电池电堆1的超薄均温板3的冷凝端。

如图6、图7、图8、图9所示，燃料电池电堆1包括端盖1-1、膜电极1-2、超薄均温板3，膜电极1-2优选mea膜电极；膜电极1-2的两侧分别设有超薄均温板3，多个膜电极1-2和超薄均温板3交替设置，最外层的超薄均温板3与端盖1-1连接；其中超薄均温板3包括壳体、空腔体、吸液芯3-3和工质；空腔体设置在壳体中，至少从壳体的一端伸出，优选空腔体从壳体的两端伸出；空腔中设有吸液芯3-3和工质；壳体的上表面或者下表面分别设有空气流道3-4或氢气流道3-5；空气流道3-4或氢气流道3-5分别与膜电极1-2的上表面或者下表面连接；壳体及与壳体连接的空腔体部分构成超薄均温板蒸发端3-1，空腔体伸出壳体部分构成超薄均温板冷凝端3-2。超薄均温板3的总体厚度不超过2mm。

工质选择丙酮、乙醇和去离子水中的一种或多种。本发明工质具有良好的综合物理性质；应用场合正常的工作范围一般为-20℃-120℃，工质的熔点、沸点和临界点在工作温度范围内可以良好的工作。

壳体优选由紫铜或铜合金制成；紫铜耐腐蚀，质地相对较软，便与加工、剪裁。

吸液芯3-3优选由玻璃纤维、烧结的金属颗粒、丝网或超轻多孔泡沫金属制成；其中超轻多孔泡沫金属可以显著强化均温板的传热性能，具有优异的均温性能，扩展了均温板承载高热流密度的能力，可达200w/cm²以上，并减小了均温板的热阻，热阻最小可达0.025℃/w。

本发明超薄均温板蒸发端3-1为双极板。超薄均温板蒸发端3两端面上开设平直性反应气体流道，具有双极板分隔反应气体、导流、收集电流的功能，起到双极板的作用。本发明超薄均温板是依靠工质的相变来传递热量的，工质适应均温板的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压；工质与壳体材料相容，且具有良好的热稳定性。

循环液体泵5选用crs25-10型循环液体泵，最大功率可达220w，流量最大可达80l/min，该型号循环液体泵噪音低、有三挡调速，可根据实际需要调节液体泵的流量，使电堆始终保持高效正常工作

加热装置6选用ptc加热或电热膜加热装置；ptc装置或电热膜加热装置的最高温度不高于80℃，具有发热效率高、发热迅速、电压使用范围宽、设计方便，可从小功率到大功率任意设计，外形也可按要求设计等优点，加热装置快速加热燃料电池电堆1，达到燃料电池低温启动的目的。

如图7、图8、图9所示，在超薄均温板蒸发端3-1的的两端面均匀开设平直性反应气体流道，超薄均温板蒸发端3-1具备了双极板的功能，安装于电堆的内部，便于简化系统结构、缩小燃料电池尺寸。

如图10和图11所示，冷却液流道2的材质选用pe，冷却液流道2在与燃料电池电堆1换热的部分制成矩形结构，矩形结构内设有多个隔板层2-1，每个隔板层2-1分别对应一个超薄均温板冷凝端3-2，每个超薄均温板冷凝端3-2设置在冷却液流道2的一个矩形结构中，这样可以对每个电池单元进行单独的热控制，冷却液流道2在超薄均温板冷凝端3-2外的部分优选为普通圆形管道。pe材质耐腐蚀性能强、使用寿命长、具有良好的连接性能及可塑性、且质量较轻。

上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明权利要求的保护范围之内。