一种用于冷却电堆的高效热管理结构制造技术

本发明专利技术提供一种高温燃料电池电堆。本发明专利技术包括按照预设比例间隔排布的板状换热结构和单体电池，板状换热结构上开设匹配单体电池连接孔的板状换热结构连接孔，通过螺杆完成多个板状换热结构和单体电池的固定；板状换热结构包括真空密封的导热壳体及内部设置的3D多孔结构，3D多孔结构设有通孔，导热壳体内部密封有导热介质。本发明专利技术有效解决冷却介质循环线路的密封问题。一片板状换热结构传导出多片膜电极产生的热量，避免膜电极被冷却介质污染。导热壳体内的3D多孔结构及导热介质，通过蒸发冷却原理改善电堆热分布一致性，提高电堆性能。应用于燃料电池系统将使系统减重和缩小体积，从而提高系统比功率，热管理方式简单、高效。

【技术实现步骤摘要】
一种用于冷却电堆的高效热管理结构
本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种用于冷却电堆的高效热管理结构。
技术介绍
热管理是燃料电池电堆的核心技术，热管理设计主导着燃料电池电堆设计。热管理的主要目的是将膜电极产生的热量通过热传递的形式从电堆移除，使电堆达到热平衡状态。燃料电池电堆主要有内部冷却和外部冷却两种形式，高功率电堆内部冷却法以油冷法为主，导热油具有较高的比热容和导热系数，在冷却过程中仅产生较低的温度梯度和泵的寄生功耗。如图3所示的现有油冷却方法最大的技术挑战是导热油循环线路的密封问题，导热油泄漏所导致的膜电极污染将对电堆造成不可逆的损坏。外部冷却方式是将膜电极产生的热量通过热传导的形式传递到电堆外部，再与冷却介质进行热交换，冷却介质可以与电堆有较大的温度梯度。根据导热特性，在单池平面上中心温度高于四周温度，热量从中心向四周传导，高效的导热过程需要较高的热导率材料或者添加热管等高热导率部件，材料的高热导率将提高单池平面上温度的均匀性，这是外部冷却方式的显著优势。例如，高温甲醇燃料电池堆的运行温度，以水为内循环介质的热管适合应用于该类型电堆，热管传导到电堆外部的热量将通过自然对流或者强制对流的形式交换给冷却介质，然而应用冷却介质依然存在着上述密封问题。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种用于高温燃料电池电堆。本专利技术主要利用导热效率高的导热壳体内部设置有3D多孔结构并封装有导热介质代替现有技术的冷却介质热传导，从而无需考虑冷却介质密封这一难题。本专利技术采用的技术手段如下：一种高温燃料电池电堆，包括按照预设比例间隔排布的板状换热结构和单体电池，所述板状换热结构上开设匹配单体电池连接孔的板状换热结构连接孔，通过螺杆完成多个板状换热结构和单体电池的固定；所述板状换热结构包括真空密封的导热壳体及内部设置的3D多孔结构，所述3D多孔结构设有通孔，且所述导热壳体内部密封有导热介质。进一步地，所述3D多孔结构的体积与表面积之比为5-50cm3/cm2；所述3D多孔结构的材质为导热材料。进一步地，所述板状换热结构与单电池间隔排布的比例为每隔1-5节单电池设置有一板状换热结构。进一步地，所述板状导热壳体的长大于等于单体电池长，和/或其宽大于等于单体电池的宽。进一步地，所述导热壳体四周边缘的一侧或一侧以上连接有散热机构，所述导热壳体与散热机构的连接侧突出于单体电池，使得散热机构能够与导热壳体相连而不会接触到单体电池。进一步地，所述散热机构为散热翅片，导热金属壳体通过焊接或粘接与其相连。进一步地，所述散热翅片的排布形式为整体式或分体式。进一步地，所述板状换热结构厚度为0.1～10mm；所述导热壳体的材质为铜、铝或碳材料中的一种。进一步地，电堆的运行温度为150-210摄氏度，环境温度不高于40摄氏度；所述导热介质的沸点处于环境温度与电堆运行温度之间；所述介质为水、醇类、油中的一种。进一步地，所述散热翅片外侧还连接有风速可调的风扇，所述散热器翅片材质采用铝或其他轻质材料。本专利技术有效解决冷却介质循环线路的密封问题。本专利技术通过导热壳体内部设置有3D多孔结构并封装有导热介质代替现有技术的冷却介质热传导，一片导热壳体传导出多片膜电极产生的热量，避免膜电极被冷却介质污染。本专利技术可以提升改善电堆热分布一致性，提高电堆性能，使得应用本专利技术的间隔冷却电堆的比功率高于现有技术中的逐节冷却电堆，本专利技术应用于间隔冷却电堆的热管理不仅结构简单，系统减重和缩小体积，又具有高效的热传递效果，燃料电池系统结构也因此简化，取消系统内冷却介质循环及相关管路和辅助部件，提高燃料电池系统的比功率，热管理方式简单、高效。基于上述理由本专利技术可在燃料电池
广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例中外部结构示意图。图2本专利技术实施例中导热壳体内部结构示意图。图3为传统油冷电堆结构示意图。图中：1、单体电池；2、导热壳体；3、散热翅片；4、油冷通道；5、待散热结构。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本实施例公开了一种高温燃料电池电堆，包括按照预设比例间隔排布的板状换热结构和单体电池1，所述板状换热结构上开设匹配单体电池连接孔的板状换热结构连接孔，通过螺杆完成多个板状换热结构和单体电池的固定；所述板状换热结构包括真空密封的导热壳体2及内部设置的3D多孔结构，所述3D多孔结构设有通孔，且所述导热壳体内部密封有导热介质。所述3D多孔结构单位体积的换热面积为5-50/cm，即3D多孔结构单位体积与其表面积之比为5-50cm3/cm2；所述3D多孔结构的材质为导热材料，本实施例选用如图2所示的泡沫金属。导热壳体外侧的散热面至少覆盖相邻单体电池，即所述板状导热壳体的长大于等于单体电池长，和/或其宽大于等于单体电池的宽。所述导热壳体四周边缘的一侧或一侧以上连接有散热机构，所述导热壳体与散热机构的连接侧突出于单体电池，使得散热机构能够与导热壳体相连而不会接触到单体电池。本实施例中，所述散热机构为散热翅片3，导热金属壳体通过焊接或粘接与其相连。具体地，所述散热翅片的排布形式为如图1所示的均匀分布的整体式或是根据实际情况需要而设计的包括蜂窝形状在内的分体式。所述板状换热结构厚度为0.1～10mm；所述导热壳体满足预设的导热率即可，本实施例中，其材质为铜、铝或碳材料中的一种。本实施例中，导热壳体长度250mm，宽度100mm，导热壳体厚度设置5mm，导热壳体向外延伸两个直径5mm的圆柱体，通过焊接形式与铝翅片相连接。电堆的运行温度为150-210摄氏度，环境温度不高于40摄氏度；所述导热介质的沸点处于环境温度与电堆运行温度之间；所述介质为水、醇类、油中的一种，油类包括汽油和柴油。为了加强翅片表面强对流换热，作为优选的实施方式，所述散热翅片外侧还连接有风速可调的风扇，所述散热器翅片材质采用铝或其他轻质材料。所述板状换热结构与单电池间隔排布的比例为每隔1-5节单电池设置有一板状换热结构。根据选取不同导热率的导热壳体，设置相邻膜电极的数量，本实施例中，通过一片铝材质的导热壳体传导三片膜电极产生的热量，导热壳体镀碳层与相邻极板接触良好，本实施例由于导热壳体具有高导热特性，极板平面方向上热分布均匀性较高，垂直于极板平面方向上交换相同热量只需要在更小的温度梯度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温燃料电池电堆，其特征在于，包括按照预设比例间隔排布的板状换热结构和单体电池，所述板状换热结构上开设匹配单体电池连接孔的板状换热结构连接孔，通过螺杆完成多个板状换热结构和单体电池的固定；所述板状换热结构包括真空密封的导热壳体及内部设置的3D多孔结构，所述3D多孔结构设有通孔，且所述导热壳体内部密封有导热介质。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温燃料电池电堆，其特征在于，包括按照预设比例间隔排布的板状换热结构和单体电池，所述板状换热结构上开设匹配单体电池连接孔的板状换热结构连接孔，通过螺杆完成多个板状换热结构和单体电池的固定；所述板状换热结构包括真空密封的导热壳体及内部设置的3D多孔结构，所述3D多孔结构设有通孔，且所述导热壳体内部密封有导热介质。


2.根据权利要求1所述的高温燃料电池电堆，其特征在于，所述3D多孔结构的体积与表面积之比为5-50cm3/cm2；所述3D多孔结构的材质为导热材料。


3.根据权利要求1所述的高温燃料电池电堆，其特征在于，所述板状换热结构与单电池间隔排布的比例为每隔1-5节单电池设置有一板状换热结构。


4.根据权利要求1所述的高温燃料电池电堆，其特征在于，所述板状导热壳体的长大于等于单体电池长，和/或其宽大于等于单体电池的宽。


5.根据权利要求1～4任一项所述的高温燃料电池电堆，其特征在于，所述导热壳体四周边缘的一侧或一侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海，张盟，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21