[发明专利]一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法

说明书

本发明公开了一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法，所述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，部分或全部所述双极板贴合微热管阵列，微热管阵列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，通过自然对流散热或外置风机进行强制对流散热。本发明可以在实现燃料电池散热的同时，增加电堆内部的温度均匀性，提高可靠性。

技术领域

本发明涉及氢能技术燃料电池热管理技术领域，尤其涉及一种安全节能的平板热管风冷式燃料电池堆及热管理方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

中国发明专利申请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：

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90-120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。