CN108155400B - 燃料电池双极板冷却流场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池双极板冷却流场结构，该冷却流场结构设置在双极板本体(1)上，包括冷却液进口(2)、冷却液出口(4)，以及连接冷却液进口(2)和冷却液出口(4)的流道，该流道由依次连接的入口过渡冷却流道(5)、冷却液主流道(3)和出口过渡冷却流道(6)组成，其中入口过渡冷却流道(5)和出口过渡冷却流道(6)为中高外低的弧形结构。与现有技术相比，本发明燃料电池双极板冷却流场结构使得冷却液均匀的分布，减小了冷却液进出口的压降，使电池的输出性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板冷却流场结构。
背景技术
为了保证质子交换膜燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极各点性能一致，因此需要保持膜电极各点的气体分布均匀、温度分布均匀。如果气体分布不一致、膜电极各点散热条件不一致，会导致膜电极各点实际性能有较大差异，严重时会导致膜电极中部分会出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜。此外，如果燃料电池运行中生成的多余的水不能及时排除，则会堵塞流道，造成气体流动受阻。
目前极板流场的类型主要有蛇形流场、交指流场和平行流场等，蛇形流场是较早提出的一种流道形式，它的突出优点是能迅速排除生成的液态水，但其缺点也很明显，对于面积比较大的流场，因其流道长度长、弯角多，而使得压降大、气体浓度分布差别大，弯角处易积水，从而导致系统效率低。交指流场将所有通过流场的气体趋向膜电极气体扩散层，增加气体与催化剂的接触，并有效避免液体水在气体扩散层内的集聚，但有压降过大从而造成零部件选择困难及能耗过高的缺点。针对蛇形流场的这些问题，有很多改进专利，例如专利号CN03806839，其将流场分为主、副流场，虽然解决了气体浓度差的问题，但压降依然很大。
平行流场具有的压降低的特点，但流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况。除此之外，当前的现有技术中双极板冷却通道狭窄，进出口压降大，并且对每个冷却流道分配不均一，并且双极板需要提供足够的厚度来满足冷却液流通，这样使得整体双极板组装成电堆后的整体长度以及重量无法降低。当电池输出工作时，冷却液通过冷却流道，由于各冷却流道距离入口远近的关系会造成冷却液分配的不均匀，从而会导致反应产生的热无法均匀地与冷却液进行热交换，局部生成的水凝结聚集而堵塞部分流道，从而导致电池失效。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种燃料电池双极板冷却流场结构，使得冷却液均匀的分布，减小了冷却液进出口的压降，使电池的输出性能更加稳定。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种燃料电池双极板冷却流场结构，该冷却流场结构设置在双极板本体上，包括冷却液进口、冷却液出口，以及连接冷却液进口和冷却液出口的流道，该流道由依次连接的入口过渡冷却流道、冷却液主流道和出口过渡冷却流道组成，其中入口过渡冷却流道和出口过渡冷却流道为中高外低的弧形结构。
进一步地，所述的中高外低的弧形结构是指入口过渡冷却流道和出口过渡冷却流道的横截面呈中间高，两端低的弧形状。
进一步地，所述的中高外低的弧形结构中最高点与最低点之间的高度差为1.1mm。
冷却液进口设置在双极板本体一端的中间位置，冷却液进口设有至少两条引流槽。所述的入口过渡冷却流道一端与冷却液进口连通，另一端与冷却液主流道连通。所述的冷却液主流道为多条平行的直流道组成的流场。所述的出口过渡冷却流道一端与冷却液出口连通，另一端与冷却液主流道连通。所述的冷却液出口的结构与冷却液进口相同，上下对称分布在双极板本体两端。所述的双极板本体由阳极板和阴极板组成，其中阳极板和阴极板相贴合的面均设有流道，组合成所述冷却流场结构。所述的阳极板和阴极板均为石墨板。
从冷却液进口进入的冷却液首先通过过渡冷却流道，使得冷却液均匀的分布在冷却液主流道中。当电池产生电化学反应时，冷却液的均匀分布，促进了阴阳极板反应区的均匀热交换，同时也使得冷却液由冷却液进口直至冷却液出口的整个流通通道顺畅，压力降小，在装大功率多片电堆时，整体冷却液需求的压力较小，对冷却液循环设备的需求降低，大大地降低了电堆的集成成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明中冷却液通过过渡冷却流道，均匀分布到直通型主流道的每一个流道内部，在反应时，反应热与主流道内部的冷却液进行均匀的热交换，不会产生局部温度分布不均的现象，使得电极板表面各处温度分布更加均匀，从而最大限度地提高电池输出性能的稳定性。此外，通过此发明使得双极板厚度大幅降低，整体装堆尺寸减小，重量降低，燃料电池单位体积、单位重量的能量密度大幅提高，在制造方面，双极板阴极流道、阳极流道，以及冷却流道可以一次成型，大幅降低成本。
附图说明
图1是本发明的3D结构示意图；
图2是本发明入口过渡冷却流道5部分的结构示意图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是本发明双极板结构示意图。
图中：1、双极板本体，2、冷却液进口，21、引流槽，3、冷却液主流道，4、冷却液出口，5、入口过渡冷却流道，6、出口过渡冷却流道，7、阳极板，8、阴极板。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1、图2和图3，一种燃料电池双极板冷却流场结构，该冷却流场结构设置在双极板本体1上，包括冷却液进口2、冷却液出口4，以及连接冷却液进口2 和冷却液出口4的流道，该流道由依次连接的入口过渡冷却流道5、冷却液主流道 3和出口过渡冷却流道6组成，其中入口过渡冷却流道5和出口过渡冷却流道6为中高外低的弧形结构。所述的中高外低的弧形结构是指入口过渡冷却流道5和出口过渡冷却流道6的横截面呈中间高，两端低的的形设计，如图2中所示的结构。所述的中高外低的弧形结构中最高点与最低点之间的高度差为1.1mm。
冷却液进口2设置在双极板本体1一端的中间位置，冷却液进口2设有至少两条引流槽21。所述的入口过渡冷却流道5一端与冷却液进口2连通，另一端与冷却液主流道3连通。所述的冷却液主流道3为多条平行的直流道组成的流场。所述的出口过渡冷却流道6一端与冷却液出口4连通，另一端与冷却液主流道3连通。所述的冷却液出口4的结构与冷却液进口2相同，上下对称分布在双极板本体1 两端。
如图4所示，所述的双极板本体1由阳极板7和阴极板8组成，其中阳极板7 和阴极板8相贴合的面均设有流道，组合成所述冷却流场结构，阳极板7一侧设有导氢气的流场，另一侧设有导冷却流体的流场a，阴极板8一侧设有导氧气的流场，另一侧设有导冷却流体的流场b，流场a和流场b的结构相对应，粘合后组成了本发明所述的冷却流体流场。所述的阳极板7和阴极板8均为石墨板。
从冷却液进口2进入的冷却液首先通过过渡冷却流道5，使得冷却液均匀的分布在冷却液主流道3中。当电池产生电化学反应时，冷却液的均匀分布，促进了阴阳极板反应区的均匀热交换，参见图3，同时也使得冷却液由冷却液进口2直至冷却液出口4的整个流通通道通畅，压降减小，在装大功率多片电堆时，整体冷却液需求的压力较小，对冷却液循环设备的需求降低，降低了电堆的集成成本。
Claims (8)
1.一种燃料电池双极板冷却流场结构，该冷却流场结构设置在双极板本体（1）上，包括冷却液进口（2）、冷却液出口（4），以及连接冷却液进口（2）和冷却液出口（4）的流道，其特征在于，该流道由依次连接的入口过渡冷却流道（5）、冷却液主流道（3）和出口过渡冷却流道（6）组成，其中入口过渡冷却流道（5）和出口过渡冷却流道（6）为中高外低的弧形结构；
所述的中高外低的弧形结构是指入口过渡冷却流道（5）和出口过渡冷却流道（6）的横截面呈中间高，两端低的弧形状；
所述的中高外低的弧形结构中最高点与最低点之间的高度差为1.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的冷却液进口（2）设置在双极板本体（1）一端的中间位置，冷却液进口（2）设有至少两条引流槽（21）。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的入口过渡冷却流道（5）一端与冷却液进口（2）连通，另一端与冷却液主流道（3）连通。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的冷却液主流道（3）为多条平行的直流道组成的流场。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的出口过渡冷却流道（6）一端与冷却液出口（4）连通，另一端与冷却液主流道（3）连通。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的冷却液出口（4）的结构与冷却液进口（2）相同，上下对称分布在双极板本体（1）两端。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的双极板本体（1）由阳极板（7）和阴极板（8）组成，其中阳极板（7）和阴极板（8）相贴合的面均设有流道，组合成所述冷却流场结构。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池双极板冷却流场结构，其特征在于，所述的阳极板（7）和阴极板（8）均为石墨板。
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