CN117878354A - 一种浸润式燃料电池冷却***及热管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸润式燃料电池冷却***及热管理方法，属于燃料电池的冷却技术领域。本发明所述的***中，燃料电池采用无冷却流道的双极板将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，将电堆的外表面作为散热面，通过燃料电池的壳体上开设冷却剂的进出口，然后连接散热组件实现冷却剂的循环。然后通过所使用的液态冷却剂具有与电堆运行温度一致的相变温度，利用其相变潜热获得比均相冷却剂更高的热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器的尺寸。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池冷却技术，具体涉及一种浸润式燃料电池冷却***及热管理方法。
背景技术
目前燃料电池电堆的温度控制多采用均相或液相相变冷却介质，将电堆所产生的废热通过气液热交换器传输到环境大气中。均相或相变冷却剂从阴极和阳极之间的冷却夹层流道进入电堆，通过与极板之间的热传导作用将废热带出电堆。这个热传导的过程实质上是将电堆双极板当作热交换器。但因为极板材料的传热效率不高，所产生热量的分布因反应物(特别是液体水)的分布不均也起伏不定，导致了电堆和极板内部的温度分布不均匀，即热点的出现。
另外，目前市场上的另一种燃料电池的散热方式是风冷，一般应用在小于10kW的电动***中。风冷散热是将空气吹过电堆表面，以带走电池产生的热量来进行降温。然而，同液冷技术一样，风冷技术也存在一些缺点，如降温速度较慢、降温时间较长等。相比之下，浸没式液冷技术能够更好地解决这些问题，并提高燃料电池的安全性能和寿命。
浸润式冷却技术是将非导电冷却剂与燃料电池极板直接接触，这与目前主流的冷却***形成对比，后者的冷却剂需流经极板之间的特殊冷却流道从极板内部进行冷却作用。本发明能够在燃料电池电堆和***发电过程中降低膜电极的最高温度，并让电堆整体温度分布更加均匀。此外，采用该技术将降低电堆和膜电极的老化速度。浸润式冷却技术与风冷技术虽都通过热传导，但两者有本质的不同，浸润式冷却技术中电堆直接“浸泡”在相变冷却剂中，液态相变冷却剂的导热率高于空气一个数量级；相变特性使得其热容较空气提高了3倍以上。
移动载具上的燃料电池***主要由阴极供气模块，阳极供氢模块，热管理模块(图1虚线框架)所组成。常规散热模块中的50％乙二醇水冷却液由冷却泵驱动进入电堆，将电堆中的废热带出，然后进入主散热器与环境空气进行热交换。电堆输出功率越大，所需散发的热量越高，电堆冷却液温度也越高，高功率下电堆的进口和出口温度差经常在10℃以上，对燃料电池电堆的寿命有负面影响。燃料电池***中温度调节主要根据***中多个温度感应器反馈信号到***控制器进行的。降温通过主散热器的风扇转速或水泵的流量来调节，***在低温或常温启动时可启动在线的加热器，以便将电堆温度提升到正常运行温度范围内。现有车载燃料电池***如图1所示，包括电堆和供氢模块、供氧模块、温控模块等辅助模块。
其中紧联电堆的以节温器、加热器和压缩泵为主的管路称为小循环回路。小循环回路含有较少量的冷却剂，用于冷启动时快速加热电堆。从节温器的另一支路延伸成大循环回路，由散热器、冷却液箱和冷却液排气装置组成。大循环回路是用于电堆在额定或峰值功率下运行时冷却之用。
以上控制策略实质上将热管理的负担集中在主散热器和其风扇的配置上。所以选择主散热器时，设计师会完全按照电堆峰值功率来配置。这样的方案实际上夸大了移动载具的实际散热需求，因为移动载具，特别是车载燃料电池，在峰值功率时的几率非常低，多在高效率的巡航功率点附近运行。过多的散热冗余增加了对移动载具空间的需求，也增加了***集成中的难度。
发明内容
发明目的：针对燃料电池的散热问题，本发明第一目的是提供一种浸润式燃料电池冷却***，第二目的是提供一种浸润式燃料电池热管理方法，使得电堆整体温度分布均匀，降低膜电极和电堆局部过热，延长膜电极和电堆的运行寿命，减少交通载具上因安装散热器所需的空间。
技术方案：一种基于浸润式燃料电池的冷却***，该燃料电池采用无冷却流道的双极板将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，将电堆的外表面作为散热面，通过燃料电池的壳体上开设冷却剂的进出口，然后连接散热组件实现冷却剂的循环。
进一步地，所述的双极板是通过一块石墨板或金属板加工而成，将石墨板或金属板的两侧面分别设置为阳极面和阴极面。
进一步地，所述的散热组件包括冷却水泵、散热器和散热风扇中的至少一种。
进一步地，所述的冷却***还包括压力传感器和/或温度传感器。
进一步地，冷却剂通过燃料电池壳体上的进口和出口与外接的冷却水泵连接，流动状态的冷却剂吸收电堆释放的热量，并保持壳体内部冷却剂温度的均匀性。
更近一步地，燃料电池的壳体上部还预留有空间，用来容纳相变过程中的气相冷却剂，气相冷却剂通过外接的散热器凝结成液体，然后返回水泵循环回路。
基于上述***可实现的一种浸润式燃料电池的热管理方法，该方法是将燃料电池热传导功能外置，通过无冷却流道的双极板将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，所冷却剂具有与电堆运行温度一致的相变温度，利用其相变潜热获得比均相冷却剂高的热传导效率，并且是将电堆的外表面作为散热面；
所述方法通过相变潜热与电堆废热之间的平衡、以及外接散热与电堆废热的平衡以实现热管理。
进一步地，所述的冷却剂的核沸腾点与电堆的运行温度适配以实现散热平衡，冷却剂的核沸点处于50℃-95℃。所述的冷却液核沸点温度越接近燃料电池的最佳运行温度越好。
更近一步地，该方法降低了单电池沿反应物流动方向的温差，温度的均匀性导致膜电极催化剂利用率的提升，使得沿流道方向上电压的均匀分布，由此提高膜电极的长寿命。
有益效果：与现有技术相比，本发明利用了相变材料的潜热，将电堆浸没在相变材料中，通过电堆的外表面作为散热面，简化了电堆极板设计，消除了因冷却泄漏的生产工艺失效模式，提高了电堆的体积功率密度；根据冷却剂的相变温度与压力的确定关系，使得电堆运行温度稳定在10-15℃的范围内，优选地运行在1-5℃的范围之内，大大提高了燃料电池膜电极的寿命；通过相变材料和合理的热管理方案，减少了主散热器的散热面积和尺寸，甚至在散热量可以完全由被动散热***承担的情况下，可以取消主散热器和风扇，或大大减少风扇运行频率；根据相变温度较窄的特性，消除了燃料电池温控模块中的去离子器、在线加热器、节温器、和温度感应器，使得燃料电池***的结构更加简洁，也简化了热管理控制策略，提高了***排布的灵活度。
附图说明
图1是传统的燃料电池冷却***结构示意图；
图2是本发明所述燃料电池冷却***的结构示意图；
图3是传统双极板生产流程；
图4是本发明的双极板制作流程图。
具体实施方式
为详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合附图做进一步的介绍。
本发明的核心是将燃料电池热传导功能外置，即设计一种无冷却流道的双极板，并将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，简化了电堆极板和燃料电池***的设计；所使用的液态冷却剂具有与电堆运行温度一致的相变温度，利用其相变潜热获得比均相冷却剂更高的热传导效率，从而减少了将废热传导到环境中所需要的散热器的尺寸。
首先是双极板的设计简化，结合图3和图4，传统双极板总成的工艺是分别加工阴极单极板和阳极单极板，阴极和阳极单级板再通过胶水贴合或激光焊接成为组件，在内部形成冷却水腔。本发明从设计上省去了传统双极板中处于阴极和阳极板之间的冷却流道，即一片石墨板或金属板的一面为阴极面，另一面为阳极面；从而将双极板从组件变成了零件。因此，本发明的极板设计减少了双极板的总厚度、减少了双极板组件的零件数量、省去了阴阳极单级板贴合而成冷却流道的生产工艺。最为重要的是消除了燃料电池行业中因贴合或焊接生产质量而导致的潜在冷却泄漏点。那么进一步指出的是，本发明的双极板不含内置冷却流道，节省生产流程，没有内部冷却泄漏点，双极板可靠性高，从生产方面本发明也具有更为突出的效果。
双极板结构得以简化的前提是燃料电池电堆的废热可以通过与电堆外表面与冷却剂的接触而被带走，即将电堆整体浸润到冷却剂中。对冷却剂的要求是高导热率低导电性，即冷却液是电绝缘的。
对导热绝缘冷却液的选择标准为，其核沸腾点与电堆的最佳运行温度匹配，且其变动范围较为狭窄。对PEM燃料电池的来说，也是低温燃料电池，其运行温度为50-95℃；考虑到电堆效率和寿命的要求，最佳运行温度为70-82℃，例如HT PFPE的HT80导热液(Heat Transfer Fluids)的沸点为80℃，3MTMNovecTM7200导热液沸点为76℃等。对中温和高温燃料电池来说，高温PEM燃料电池指100-250C(HTPEM,高温质子交换膜HT-PEM-知乎(zhihu.com))，高温SOFC在400-700C的范围。HTPEM燃料电池可以用适合于中温温度范围的相变冷却剂。需要寻找核沸腾点更高的相变冷却液，例如DURATHERM系列导热液。这些导热液的高导热率使得燃料电池的运行温度更加均匀，任何热点都会因相变温度-冷却液核沸腾点而受到限制，从而大大延长了燃料电池膜电极的寿命。
双极板设计的简化和浸润式热管理的方案，还导致了电堆性能的优化。具体来说，极板上本用于冷却进出口的面积可以被省去，经重新排布后用于提高膜电极的活性面积，有利于电堆功率密度的提升；进一步地，本发明的热管理方案降低了单电池沿反应物流动方向的温差，温度的均匀性导致膜电极催化剂利用率的提升，使得沿流道方向上电压的均匀分布，有利于膜电极的长寿命。
更进一步地，结合图2，本发明的热管理方法简化了燃料电池***的设计。在该***或热管理方法中，电堆被整体浸润在充满液体的相变冷却剂的电堆壳体中；液体冷却剂通过进口和出口与外接的水泵连接，流动状态的冷却剂吸收电堆释放的热量，并保持壳体内部冷却剂温度的均匀性；水泵的转速可根据壳体中的压力和温度受***控制器的调节；壳体上部还留有空间，用来容纳相变过程中的气相冷却剂。气相冷却剂通过外接的散热器凝结成液体，然后返回水泵循环回路。若选择相变温度处于60-80℃之间的相变冷却剂，这可以保证80℃即为最高电堆温度。需要提出的是，本发明所述的方法还重点考虑到相变潜热与电堆废热之间的平衡，以及外接散热与电堆废热的平衡。
此外，相变冷却剂的核沸腾点与***压力有关，一般***压力越高，核沸腾点(即气液相变点)也越高。例如3MTMNovecTM7200气压和温度的关系为：
ln P＝22.289-3752.1[1/(t+273)]
通过标定压力和核沸腾点之间的关系，使用压力传感器即可预测冷却剂的温度。正因电堆在冷却剂之中已经不可能过热，传统***结构中的两个冷却回路温度传感器可以省略，从而简化了燃料电池***的构架和控制方式。
同时，因为冷却剂为导热绝缘材料，不与亲水介质混合。即使电堆有少许水溶液泄漏到壳体中，也不会影响壳体的电导率；并且保持电堆壳体中冷却剂与电堆气体压力的平衡，电堆泄漏的可能性会大大减少。与传统的乙二醇-水溶液冷却剂不同，本发明中的冷却剂不会腐蚀组成燃料电池***的材料，因此引入离子的可能性非常低。
最后，传统***结构中的去离子过滤器、节温器、在线加热器也可以省去。之所以可以去除节温器和在线加热器，是因冷却剂在一定压力下相变时的温度相对确定，并且与燃料电池最佳运行温度一致。当冷启动时，电堆自发的废热用于提高整个***的温度，这相当于传统***中的小循环模式；冷却泵的运行来自冷却剂的温度(或压力)，只有冷却剂温度超出最低运行温度之后，冷却泵才会运行，这相当于传统***中的大循环模式。
Claims (10)
1.一种基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，该燃料电池采用无冷却流道的双极板将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，将电堆的外表面作为散热面，通过燃料电池的壳体上开设冷却剂的进出口，然后连接散热组件实现冷却剂的循环。
2.根据权利要求1所述的基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，所述的双极板是通过石墨板或金属板加工而成，将单片石墨板或单片金属板的两侧面分别设置为阳极面和阴极面。
3.根据权利要求1所述的基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，所述的散热组件包括冷却水泵、散热器和散热风扇中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，所述的冷却***还包括压力传感器和温度传感器。
5.根据权利要求1所述的基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，冷却剂通过燃料电池壳体上的进口和出口与外接的冷却水泵连接，流动状态的冷却剂吸收电堆释放的热量，并保持壳体内部冷却剂温度的均匀性。
6.根据权利要求1所述的基于浸润式燃料电池的冷却***，其特征在于，燃料电池的壳体上部还预留有空间，用来容纳相变过程中的气相冷却剂，气相冷却剂通过外接的散热器凝结成液体，然后返回水泵循环回路。
7.一种浸润式燃料电池的热管理方法，其特征在于，该方法是将燃料电池热传导功能外置，通过无冷却流道的双极板将电堆直接浸润在非导电性的冷却剂中，所冷却剂具有与电堆运行温度一致的相变温度，利用其相变潜热获得比均相冷却剂高的热传导效率，并且是将电堆的外表面作为散热面；
所述方法通过相变潜热与电堆废热之间的平衡、以及外接散热与电堆废热的平衡以实现热管理。
8.根据权利要求7所述的浸润式燃料电池的热管理方法，其特征在于，所述的冷却剂的核沸腾点与低温燃料电池电堆的运行温度适配以实现散热平衡，冷却剂的核沸点处于50℃-95℃。
9.根据权利要求7所述的浸润式燃料电池管理方法，其特征在于，所述的冷却液核沸点温度越接近燃料电池的最佳运行温度越好。
10.根据权利要求7所述的浸润式燃料电池管理方法，其特征在于，该方法降低了单电池沿反应物流动方向的温差，温度的均匀性导致膜电极催化剂利用率的提升，使得沿流道方向上电压的均匀分布，由此提高膜电极的寿命。
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