專利名稱：一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源領(lǐng)域，特別涉及一種降低直接甲醇燃料電池中電堆溫度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)，簡稱DMFC，直接以甲醇為陽極燃料，無需將甲醇重整為富氫氣體的甲醇重整器裝置，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積能量密度高、燃料補(bǔ)充方便等特點(diǎn)，是最適合用于小型電源、車用電源等的燃料電池。它直接用甲醇溶液作為“燃料”發(fā)電，反應(yīng)后的產(chǎn)物只有水，是一種綠色的環(huán)保電池。所以直接甲醇燃料電池的研究具有十分重要的意義。限制直接甲醇燃料電池商業(yè)化的一個(gè)重要原因是沒有完全解決電池中的甲醇滲透問題。甲醇滲透就是甲醇從電堆的陽極通過膜擴(kuò)散到陰極直接與氧氣發(fā)生反應(yīng)，甲醇滲透現(xiàn)象使直接甲醇燃料的燃料利用率一般只有20％左右。
甲醇滲透與電堆溫度有直接的聯(lián)系，一般溫度越高甲醇滲透就會(huì)加重，造成燃料的浪費(fèi)。而滲透到電堆陰極的甲醇與氧氣直接反映放熱使電堆的溫度升高，同時(shí)電堆溫度過高也會(huì)使電池壽命低縮短。所以電堆溫度的控制對電堆的正常工作和提高甲醇利用率是很重要的。
現(xiàn)有的控制電池堆溫的方法一般是在電堆表面加散熱片并使用高風(fēng)量風(fēng)機(jī)降溫，這些方法不僅散熱效果不好，還利用了系統(tǒng)的電能，使系統(tǒng)的發(fā)電效率降低。
熱管是一種傳熱效率很高的新型高效傳熱元件，它不需要外界供給任何動(dòng)力就可以在很小的溫差條件下就能迅速傳輸大量的熱能，并且它具有結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高、無運(yùn)轉(zhuǎn)部件、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。使用熱管不僅可以得到與使用高風(fēng)量電機(jī)和散熱片同樣的效果，而且也不會(huì)額外的消耗系統(tǒng)的電能。
同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)熱過高要求熱管的散熱性能提高時(shí)，由于普通的熱管內(nèi)部氣態(tài)工質(zhì)的流動(dòng)只受兩端壓差的控制，不一定有很高的散熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種作為小型電源甲醇燃料電池的電堆溫度控制用的熱管，以解決由于電堆運(yùn)新溫度過高引起的燃料利用率下降的問題，相應(yīng)的也提供了一種利用電堆余熱發(fā)電的小型電源。
本發(fā)明的特征在于，該熱管含有管殼(16)、置于該熱管管殼(10)內(nèi)的磁性風(fēng)葉(4)，以及沿?zé)峁芄軞?10)外側(cè)作周向均勻分布的三相線圈，其中熱管管殼(10)與所述電堆以接觸方式傳熱，該熱管抽成負(fù)壓后充入液態(tài)工質(zhì)，再把管殼(10)密封，管殼(10)的內(nèi)壁有用金屬細(xì)絲燒結(jié)形成的管芯；磁性風(fēng)葉(4)、軸承(2)與固定桿(1)同軸旋轉(zhuǎn)連接，而所述固定桿(1)與熱管管殼(10)的內(nèi)壁之間連接著支架(3)；線圈(5)與所述磁性風(fēng)葉(4)位于熱管的同一個(gè)徑向截面，在電堆正常工作時(shí)向負(fù)載供電。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明針對甲醇燃料電池的特性設(shè)計(jì)了一種可以自發(fā)電的熱管散熱系統(tǒng)，這種散熱系統(tǒng)可以在一定程度上控制電池中電堆的溫度，并且可以在沒有鍋爐和發(fā)電機(jī)等設(shè)備的條件下自身就可以利用電池的熱量進(jìn)行發(fā)電，起到提高系統(tǒng)的發(fā)電效率的作用。同時(shí)在散熱要求較高的時(shí)候，該熱管也可以利用外部的電能加速熱管內(nèi)部氣態(tài)工質(zhì)的流動(dòng)，提高散熱效果。具有結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。


圖-1為所用可發(fā)電熱管的原理圖1.轉(zhuǎn)軸，2.軸承，3.固定桿，4.帶磁風(fēng)葉，5.線圈，6.氣態(tài)工質(zhì)流向，7.液態(tài)工質(zhì)流向，8.蒸發(fā)端，9.電能輸入/輸出，10.管殼，11.冷凝端。
圖-2為風(fēng)葉的構(gòu)造示意圖a.風(fēng)葉中磁性部分，b.整個(gè)風(fēng)葉的構(gòu)造，c.整個(gè)風(fēng)葉在熱管中產(chǎn)生的磁場，d.線圈與風(fēng)葉的相對位置，12.S極，13.N極，14為增加風(fēng)葉磁性而增加的弧形磁鐵，15.為增加風(fēng)葉轉(zhuǎn)矩而增加的非磁性風(fēng)葉，16.風(fēng)葉產(chǎn)生的磁場方向。
圖-3為實(shí)施方案1熱管結(jié)構(gòu)的示意圖16.熱管冷凝端通風(fēng)的風(fēng)洞，17.電堆，18.液態(tài)工質(zhì)，19.泵，20.噴淋頭，21.混合容器中的甲醇溶液，22.混合容器。
圖-4為實(shí)施方案2熱管結(jié)構(gòu)的示意-5電堆示意圖
具體實(shí)施例方式可發(fā)電的熱管原理圖如圖1所示熱管中有一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的帶磁性風(fēng)葉4，當(dāng)熱管從外部熱源吸熱時(shí)，蒸發(fā)段8中液態(tài)工質(zhì)受熱蒸發(fā)，局部空間的蒸汽壓力升高使熱管兩端形成壓差，蒸汽在壓差作用下被驅(qū)送到冷凝端11，其熱量通過熱管表面?zhèn)鬏斀o被熱體，熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝后又返回蒸發(fā)段8，形成一個(gè)閉式循環(huán)。當(dāng)氣態(tài)工質(zhì)流過風(fēng)葉4時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，在熱管的安放風(fēng)葉位置的外部安放有沿?zé)峁苤芟虻乳g距分布的線圈5(安放位置如圖-2的d圖所示)。帶磁性風(fēng)葉4的旋轉(zhuǎn)會(huì)使通過線圈中磁通量發(fā)生變化，所以線圈會(huì)產(chǎn)生電勢，將線圈5與外部負(fù)載相連則可以實(shí)現(xiàn)給負(fù)載供電的目的。
熱管的管殼10由熱傳導(dǎo)較快銅的制成，將管內(nèi)抽成適當(dāng)負(fù)壓后充入適量的工作液體，然后加以密封。為同時(shí)增強(qiáng)管芯的毛細(xì)力和熱傳導(dǎo)力，管芯用細(xì)金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管壁上。熱管一段為蒸發(fā)端8，另外一段為冷凝端11。
風(fēng)葉4的構(gòu)造如圖-2所示圖-2(a)所示的兩片風(fēng)葉為磁鐵，為加強(qiáng)風(fēng)葉的磁性，在圖-2(a)所示的兩片風(fēng)葉的兩端各加上一個(gè)弧形磁鐵14。兩個(gè)弧形磁鐵14與兩片風(fēng)葉互相連接使得圖-2(a)所示部分整體構(gòu)成一整塊磁鐵。為了加大風(fēng)葉3轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩和系統(tǒng)的發(fā)電效率，在圖-2(a)中所示的黑色帶磁性葉片上又增加了兩片用非磁性材料做成的葉片15(見圖-2(b))。整個(gè)風(fēng)葉在熱管外表面形成的磁場15如圖-2(c)所示。管壁10外面的三個(gè)線圈安放位置如圖-2(d)所示。
考慮到一般電堆合適的工作溫度為60～70度之間，純甲醇在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為64.7度，所以選用純甲醇作為熱管的工質(zhì)，如果甲醇的沸點(diǎn)過高不能滿足散熱要求，因?yàn)楣卜形锏姆悬c(diǎn)會(huì)低于各組分的沸點(diǎn)，可以添加合適溶劑(如丙酮)可以與甲醇形成共沸物，或在制作熱管在加入工質(zhì)前將熱管抽成負(fù)壓，這樣也可以降低工質(zhì)在熱管中的沸點(diǎn)。
當(dāng)電堆散熱要求很高時(shí)，可以給熱管外部線圈5通入三相交流電，這樣在風(fēng)葉4和管壁10間會(huì)疊加成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，在旋轉(zhuǎn)磁場的帶動(dòng)下風(fēng)葉4加速旋轉(zhuǎn)提高了熱管的散熱效果。此時(shí)應(yīng)把整流和充電電路從三個(gè)上線圈切除，而接入三相交流電。
實(shí)施方案1(如圖-3所示)由于電堆在工作時(shí)需要加入甲醇溶液21，反應(yīng)后的甲醇溶液又打入混合容器22中以供進(jìn)一步使用，所以將混合容器22中的甲醇溶液21降溫也是給電堆降溫的一個(gè)好方法。
將熱管做成圖3所示的熱管下部為端為蒸發(fā)段8，將并將蒸發(fā)段8插入到混合容器的甲醇溶液22中，為了增加蒸發(fā)段8與甲醇溶液22的接觸面積將蒸發(fā)段8不規(guī)則形狀。熱管一端為冷凝段11，為了增加冷凝段11的冷卻效果，中間開有凹槽，使其帶有許多通風(fēng)孔16，該熱管工作時(shí)應(yīng)用微風(fēng)量風(fēng)散對冷凝端散熱。熱管中間較窄部分放置風(fēng)葉4。
考慮到熱管工作時(shí)內(nèi)部風(fēng)速大時(shí)，液體回流較困難，所以在熱管里增加了一個(gè)回流裝置，具體是利用微型泵19將聚集在熱管冷凝段下部的液態(tài)工質(zhì)18打到熱管蒸發(fā)段8，與泵19相連接的管口安裝噴淋頭20，使液態(tài)工質(zhì)能夠比較均勻的灑落在熱管蒸發(fā)段8。這里給出一種控制泵的方法一般情況下，泵是關(guān)閉的以減小能量的損失，當(dāng)冷凝段聚集了一定的液態(tài)工質(zhì)時(shí)才將泵開啟，將工質(zhì)打到熱管下部的蒸發(fā)段8。通過檢測下部蒸發(fā)段底部的溫度可以得知蒸發(fā)段8是否還有液態(tài)工質(zhì)，例如在熱管正常工作時(shí)，蒸發(fā)段8底部溫度在一段時(shí)間里溫度明顯升高，說明底部已經(jīng)沒有太多的液態(tài)工質(zhì)了，這時(shí)將泵19打開，使液態(tài)工質(zhì)流回蒸發(fā)段8。
實(shí)施方案2(如圖-4所示)這種方法直接給電堆降溫，熱管的上部是冷凝端，(結(jié)構(gòu)與方案一中的相同)，熱管下部的蒸發(fā)段制成一個(gè)“門”形以便放在電堆17(如圖-5所示)上時(shí)使其和電堆的接觸面積加大，將該熱管放置在電堆的表面時(shí)，恰好可以和圖-5所示電堆的A、B、C三個(gè)面相接觸。
方案-2其它的工作原理與方案-1相似，不再重復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，該熱管含有管殼(16)、置于該熱管管殼(10)內(nèi)的磁性風(fēng)葉(4)，以及沿?zé)峁芄軞?10)外側(cè)作周向均勻分布的三相線圈，其中熱管管殼(10)與所述電堆以接觸方式傳熱，該熱管抽成負(fù)壓后充入液態(tài)工質(zhì)，再把管殼(10)密封，管殼(10)的內(nèi)壁有用金屬細(xì)絲燒結(jié)形成的管芯；磁性風(fēng)葉(4)、軸承(2)與固定桿(1)同軸旋轉(zhuǎn)連接，而所述固定桿(1)與熱管管殼(10)的內(nèi)壁之間連接著支架(3)；線圈(5)與所述磁性風(fēng)葉(4)位于熱管的同一個(gè)徑向截面，在電堆正常工作時(shí)向負(fù)載供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，所述的磁性風(fēng)葉(4)兩端各連接一個(gè)弧形磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，還有非磁性風(fēng)葉(15)，該非磁性風(fēng)葉(15)與所述的磁性風(fēng)葉(4)之間的圓周長度處處相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，該熱管的蒸發(fā)段(8)插入到置于一個(gè)混合容器中，該混合容器中存有經(jīng)過所述電堆反應(yīng)后的甲醇溶液和適量溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，在所述熱管的管殼(10)上有一個(gè)微型泵(19)，用于把聚集在所述熱管的冷凝段下部的液態(tài)工質(zhì)(18)打入到蒸發(fā)段(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，在所述熱管的管殼蒸發(fā)段(8)呈“門”字形，以便于與電堆表面的接觸面積足夠的大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，在電堆過熱時(shí)，先切段線圈(5)的負(fù)載，再在線圈(5)中通入三相交流電，以使磁性風(fēng)葉(4)加速旋轉(zhuǎn)，提高熱管內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)(18)的流速。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于直接甲醇燃料電池電堆溫度控制用的熱管，其特征在于，在電堆過熱時(shí)，先切段線圈(5)的負(fù)載，再在線圈(5)中通入三相交流電，以使磁性風(fēng)葉(4)和非磁性風(fēng)葉(15)加速旋轉(zhuǎn)，提高熱管內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)(18)的流速。
全文摘要
本發(fā)明用于直接甲醇燃料電池電堆冷卻技術(shù)，其特征在于，在與電堆表面充分接觸的一個(gè)熱管內(nèi)，利用氣態(tài)工質(zhì)帶動(dòng)一個(gè)由磁性葉片以及非磁性葉片組成的風(fēng)葉，通過一組三相線圈向負(fù)載供電，該三相線圈沿著熱管外圍正對著葉片在空間中分布；當(dāng)電堆過熱時(shí)，先切端線圈的負(fù)載，再向線圈加上三相交流電，使葉片加速旋轉(zhuǎn)，以提高氣態(tài)工質(zhì)在熱管中的流速，對電堆實(shí)施加速冷卻。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101030650SQ200710065398
公開日2007年9月5日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者王榮蓉, 李春文, 謝曉峰, 丁青青, 戎袁杰 申請人:清華大學(xué)