CN109148916A - 一种热驱燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热管技术领域，公开了一种热驱燃料电池系统，包括热驱结构单元与燃料电池单元，热驱结构单元利用外部热量推动燃料输运至燃料电池单元，燃料电池单元接收并利用燃料发电，热驱结构单元的燃料输出口与燃料电池的燃料输入口通过第一管道相连。上述热驱燃料电池系统通过热驱结构单元利用外界环境的热量驱动燃料电池的燃料供给，不需要设置额外的泵阀结构或消耗额外的能量用于燃料供给，有效解决被动式燃料电池燃料供给效率低、性能极易受到外界环境影响，以及主动式燃料电池整体能量效率较低、微小型化难度大的问题。

Description

一种热驱燃料电池系统

技术领域

本发明属于热管理技术领域，特别涉及一种热驱燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有能量密度、能量转化效率高,操作方便,对环境污染小等优点，与太阳能，风能等共同被视为未来清洁能源的重要组成部分，是现今新能源领域的研究热点。

从燃料组成进行划分，燃料电池包括醇类燃料电池、氢氧燃料电池等不同类型；从燃料供给方式进行划分，燃料电池包括主动式燃料电池和被动式(自呼吸式)燃料电池。不同种类的燃料电池各有特点，适用于不同的应用场合。具体而言，主动式燃料电池具有更高的燃料供给效率，因而具有更高的输出性能，并且燃料供给受到外界影响较小。然而主动式燃料电池所附带的泵、阀等结构需要消耗额外的电能和体积空间，这使得主动式燃料电池的整体能量效率较低，并且难以被微小型化。被动式燃料电池不需要泵、阀等辅助结构，仅仅依靠重力和扩散作用实现燃料供给，结构简单，是微小型燃料电池的首选方案。然而被动式燃料电池的燃料供给效率低，并且极易受到外界环境影响，这使得被动式燃料电池的输出性能往往较差。

因此，有必要对主动式燃料电池的燃料供给系统进行研究改进，颠覆现有普遍采用有源泵、阀控制甲醇燃料输运的低反应活性燃料电池工作机理，摆脱泵、阀等组件难以集成等对微型燃料电池性能提升的限制。另一方面，随着电子器件和能源系统不断向轻量化、小型化、高集成化的方向快速发展，系统内的热流密度和温度急剧增加。一般而言，高温会引起电阻阻值增加，变压器、扼流圈材料的绝缘性能下降，焊点合金结构的变化，晶体管元件失效等问题，严重影响了系统及核心器件的可靠性和使用寿命，因此器件的散热冷却和系统的热管理问题已经成为制约电子器件和能源系统发展的瓶颈问题之一。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种热驱燃料电池系统，通过热驱结构单元利用外界环境的热量驱动燃料电池的燃料供给，不需要设置额外的泵阀结构或消耗额外的能量用于燃料供给，有效解决被动式燃料电池燃料供给效率低、性能极易受到外界环境影响，以及主动式燃料电池整体能量效率较低、微小型化难度大的问题。

为了实现上述技术目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种热驱燃料电池系统，该系统包括热驱结构单元与燃料电池单元，热驱结构单元利用外部热量推动燃料输运至燃料电池单元，燃料电池单元接收并利用燃料发电，热驱结构单元的燃料输出口与燃料电池的燃料输入口通过第一管道相连。

进一步的，热驱结构单元吸收外部热量并将外部热量转化为燃料相变潜热以推动燃料输送。

进一步的，热驱结构单元的燃料输入口封闭，燃料电池的燃料输出口开放。

进一步的，热驱结构单元包括一种或多种蒸发器结构，蒸发器结构包含环路热管回路或毛细泵回路。

进一步的，当蒸发器结构包含环路热管回路时，环路热管回路包括：上端开口的中空壳体，中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，蒸发器包括位于中空壳体内部底端的受热面，设置于受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于加热齿与蒸汽室上方的毛细芯层，储液腔包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁与位于中空壳体上方的盖板形成的空腔。

进一步的，加热齿平行且均匀分布于受热面上，相邻加热齿之间形成蒸汽槽道。

进一步的，蒸汽槽道的一端固定于中空腔体的侧壁，蒸汽室设置于蒸汽槽道的另一端。

进一步的，蒸汽室设置有第一通孔，第一通孔用于输出气态工质。

进一步的，燃料电池单元包括储液腔、位于储液腔下方的膜电极，膜电极通过导线与控制系统相连。

进一步的，热驱结构单元的燃料入口与燃料电池的燃料出口之间设置有第二管路，第二管路上设置有气液分离器，气液分离器的气体出口开放。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种热驱燃料电池系统，包括热驱结构单元与燃料电池单元，热驱结构单元利用外部热量推动燃料输运至燃料电池单元，燃料电池单元接收并利用燃料发电，热驱结构单元的燃料输出口与燃料电池的燃料输入口通过第一管道相连。上述热驱燃料电池系统通过热驱结构单元利用外界环境的热量驱动燃料电池的燃料供给，不需要设置额外的泵阀结构或消耗额外的能量用于燃料供给，有效解决被动式燃料电池燃料供给效率低、性能极易受到外界环境影响，以及主动式燃料电池整体能量效率较低、微小型化难度大的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种热驱燃料电池系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提出的一种热驱燃料电池系统中热驱结构单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提出的一种热驱燃料电池系统中燃料电池单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提出的又一种热驱燃料电池系统的结构示意图；

其中：1、热驱结构单元；11、热驱结构单元的燃料输出口；12、热驱结构单元的燃料输入口；13、环路热管；131、中空壳体；132、蒸发器；133、受热面；134、加热齿；135、蒸发室；136、毛细芯层；137、蒸汽槽道；138、第一通孔；139、储液腔；140、盖板；2、燃料电池单元；21、燃料电池单元的燃料输出口；22、燃料电池单元的燃料输入口；23、储液腔；24、膜电极；25、导线；26、控制系统；3、第一管道；4、第二管道；5、气液分离器；51、气体出口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提出了一种热驱燃料电池系统，该系统包括热驱结构单元1与燃料电池单元2，热驱结构单元1利用外部热量推动燃料输运，所述燃料电池单元2接收并利用所述燃料发电，并所述热驱结构单元的燃料输出口11与所述燃料电池的燃料输入口22通过第一管道3相连。

其中，热驱结构单元1热驱结构单元吸收外部热量并将外部热量转化为燃料相变潜热以推动燃料输送。热驱结构单元1和燃料电池2的典型连接方式为：热驱结构单元1的燃料输出口11与燃料电池2的燃料输入口22通过第一管道3相连，热驱结构单元的燃料输入口12处于封闭状态，燃料电池的燃料输出口21处于开放状态。

优选的，热驱结构单元1包括一种或多种蒸发器结构，蒸发器结构包含环路热管回路或毛细泵回路，其吸收外部热量并转化为燃料相变潜热，进而推动燃料输运。

具体工作原理为：以燃料电池为直接甲醇燃料电池为例，热驱结构单元1吸收外部热量，并转化为其内部液态甲醇的相变潜热，液态甲醇受热相变为甲醇蒸汽后，体积迅速膨胀，并由热驱结构单元燃料出,11经过第一管道3进入燃料电池单元2。在燃料电池单元2中，甲醇蒸汽与空气中的氧气发生氧化还原反应生成二氧化碳和水，生成的水进一步溶解更多的甲醇蒸汽形成甲醇溶液，避免甲醇经过燃料电池的燃料出口直接排出造成浪费，生成的二氧化碳经过燃料电池燃料出口21直接排出至外界环境。

上述热驱燃料电池系统利用外部热量直接驱动燃料电池的燃料进行输运，有效解决被动式燃料电池燃料供给效率低、性能极易受到外界环境影响的问题，以及主动式燃料电池泵阀结构导致系统整体效率较低、难以被小型化的问题。

优选的，如图2所示，当蒸发器结构包含环路热管回路13时，环路热管回路13包括：上端开口的中空壳体131，中空壳体131内部从下到上依次设置有蒸发器132与储液腔139，蒸发器132包括位于中空壳体内部底端的受热面133，设置于受热面133上方的加热齿134与蒸汽室135，设置于加热齿134与蒸汽室135上方的毛细芯层136，储液腔139包括由毛细芯层136的顶面、中空壳体131的侧壁与位于中空壳体上方的盖板140形成的空腔。

优选的，加热齿134平行且均匀分布于受热面133上，相邻加热齿134之间形成蒸汽槽道137。

优选的，蒸汽槽道137的一端固定于中空腔体的侧壁，蒸发室135设置于蒸汽槽道的另一端。

优选的，蒸发室135设置有第一通孔138，第一通孔138用于输出气态工质。

具体的热驱过程为：外部热源加热环路热管13结构的受热面133，热量经由受热面133传导至加热齿134，进而到达加热齿134与毛细芯层136的接触面。同时，储液腔139中的燃料在毛细作用下渗透至毛细芯层136内部，并到达加热齿134与毛细芯层136的接触面。在加热齿134与毛细芯层136的接触面，燃料吸收热量并转化为相变潜热，气化后的燃料扩散至加热齿134之间的蒸汽槽道137，并经由第一通孔流出。毛细芯层136表面的液态燃料表面张力确保了燃料发生相变后单方向扩散至蒸汽槽道137，而不会反向扩散至毛细结构内部。随着气液相变过程的不断进行，燃料工质被不断驱动出蒸汽通孔，完成燃料输运。

优选的，如图3所示，燃料电池单元2具有利用燃料进行发电的功能，其包括储液腔23、位于储液腔下方的膜电极24，膜电极通过导线25与控制系统26相连。

优选的，如图4所示，热驱结构单元1的燃料入口12与燃料电池2的燃料出口21之间设置有第二管路4，第二管路4上设置有气液分离器5，气液分离器5的气体出口51开放。当燃料电池中反应生成的水过多，或热驱结构单元输出的甲醇蒸汽过多时，反应富余的液态甲醇或液态水与反应生成的二氧化碳一同由燃料电池燃料出口输出，并进入气液分离器5中。

在气液分离装置5中，分离出的二氧化碳气体通过气体出口直接排出至外界环境，剩余的液态甲醇或液态水经过第二管道4进入热驱结构单元1完成一次循环，进入热驱结构单元1的液态甲醇或液态水在外部热量作用下能够继续发生相变并进入燃料电池，反复循环。

综上，本发明提出了一种热驱燃料电池系统，包括热驱结构单元与燃料电池单元，热驱结构单元利用外部热量推动燃料输运至燃料电池单元，燃料电池单元接收并利用燃料发电，热驱结构单元的燃料输出口与燃料电池的燃料输入口通过第一管道相连。上述热驱燃料电池系统通过热驱结构单元利用外界环境的热量驱动燃料电池的燃料供给，不需要设置额外的泵阀结构或消耗额外的能量用于燃料供给，有效解决被动式燃料电池燃料供给效率低、性能极易受到外界环境影响，以及主动式燃料电池整体能量效率较低、微小型化难度大的问题。此外，将外部热量转化为燃料输运能力，进而带动燃料电池进行发电，是一种全新的热管理系统设计思路和废热发电思路。对于采用高能燃料物质的燃料电池而言，燃料电池输出功率大于推动燃料输运所需的外部热流功率，因此将能够实现输出功率大于输入功率的“功率放大”效果。这对于废热发电而言具有广阔的应用前景。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种热驱燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括热驱结构单元与燃料电池单元，所述热驱结构单元利用外部热量推动燃料输运至所述燃料电池单元，所述燃料电池单元接收并利用所述燃料发电，所述热驱结构单元的燃料输出口与所述燃料电池的燃料输入口通过第一管道相连。

2.如权利要求1所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述热驱结构单元吸收外部热量并将所述外部热量转化为燃料相变潜热以推动所述燃料输送。

3.如权利要求1所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述热驱结构单元的燃料输入口封闭，所述燃料电池的燃料输出口开放。

4.如权利要求1所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述热驱结构单元包括一种或多种蒸发器结构，所述蒸发器结构包含环路热管回路或毛细泵回路。

5.如权利要求4所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，当所述蒸发器结构包含环路热管回路时，所述环路热管回路包括：上端开口的中空壳体，所述中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，所述蒸发器包括位于所述中空壳体内部底端的受热面，设置于所述受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于所述加热齿与所述蒸汽室上方的毛细芯层，所述储液腔包括由所述毛细芯层的顶面、所述中空壳体的侧壁与位于所述中空壳体上方的盖板形成的空腔。

6.如权利要求5所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述加热齿平行且均匀分布于所述受热面上，相邻所述加热齿之间形成蒸汽槽道。

7.如权利要求5所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述蒸汽槽道的一端固定于所述中空腔体的侧壁，所述蒸汽室设置于所述蒸汽槽道的另一端。

8.如权利要求5所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述蒸汽室设置有第一通孔，所述第一通孔用于输出气态工质。

9.如权利要求1所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池单元包括储液腔、位于所述储液腔下方的膜电极，所述膜电极通过导线与控制系统相连。

10.如权利要求3所述的热驱燃料电池系统，其特征在于，所述热驱结构单元的燃料入口与所述燃料电池的燃料出口之间设置有第二管路，所述第二管路上设置有气液分离器，所述气液分离器的气体出口开放。