CN101552347B - 一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，属于燃料电池技术领域。在本发明中，一个燃料电池具有两种性质的冷却剂流场，在这两种流场的流道槽内，冷却剂的流动方向相反，但在同一个流场的各流道槽内，冷却剂的流动方向相同；将两种流场相间地应用于各膜电极之间，就形成了板间逆流冷却剂流场。每种冷却剂流均有两对进出口，但均只有一对进出口和本流场内的冷却剂流道槽相连通，而另一对进出口和另一种流场内的与冷却剂流道槽相连通的一对进出口相耦合。根据本发明，任一个膜电极一侧的冷却剂流体温升所导致的膜温度的升高，恰为另一侧冷却剂流体温降所导致的膜温度的降低所抵消，从而使得膜电极的活性区的任何子区具有几乎相同的温度。

Description

一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，属于燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池堆的冷却有两种方式：外冷却和内冷却。外冷却适宜于小规模电池，如J.Power Sources 190(2009)83-85中报道；内冷却是燃料电池最常用的冷却方式，它适用于所有规模的电池。内冷却装置由电机、泵、电池外部的散热器、电池内部的冷却剂流场、连接管道等构成，其中，电池内部的冷却剂流场是内冷却技术的关键。

燃料电池电池的冷却剂流场是由许多沟槽组成的冷却剂流道槽，所以它与反应物流场相似。冷却剂流场可以集成在空气流场板的背面和/或燃料流场板的背面，如US Patent No.5230966(1993)、US Patent Pub.No.20050266296_A1(2005)、US Patent Pub.No.20080050628_A1(2008)以及CN Patent Pub.No.1650458A(2005)中报道，也可以刻在另外一个流场板上，如J.Power Sources 189(2009)1100-1105中报道，从而独立于空气流场板和燃料流场板。

上述关于内冷却的报道中所使用的冷却剂流场的具体流道槽花样各不相同，但从流体流动特点来讲，在本质上却是相同的，这表现在两个方面：一是各种报道中的冷却剂流场均只有一个冷却剂入口和一个冷却剂出口，从而在任何一个冷却剂流场中，流体均单向地从入口经并行的流道槽到达出口；二是在上述任一报道中，电池所有单体的冷却剂流场完全相同，所以流体在所有单体的冷却剂流场中按照完全相同的路径从入口到达出口。这两个相同的特点意味着以往的内冷却在结构上比较简单，加工安装比较容易；但这两个相同的特点也意味着电池的冷却效果不够理想，这是因为，流体在所有单体的冷却剂流场中按照完全相同的路径从入口到达出口，从而形成了冷却剂流体在各冷却剂流场板之间的并流，这必将导致冷却剂流体的温度沿流程的增加而逐渐升高，从而导致质子交换膜的温度也沿冷却剂流体的流程的增加而逐渐升高，这就导致所有燃料电池单体活性区各微区具有不相同的膜温度，从而最终导致电流密度分布的不均匀。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，以通过控制冷却剂流体在任一电池单元两侧的两个冷却剂流场中逆向流动，实现任一电池单元的膜温度在整个活性区基本保持相同，从而促进活性区中电流密度分布的均匀性。

本发明提出的基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，包括电池夹板、电池密封板、一个电池初始单元和多个电池重复单元，所述的一个电池初始单元和多个电池重复单元置于电池夹板之间，电池密封板置于夹板里侧，电池初始单元与一侧的电池密封板相接触；所述的电池初始单元由一个电池单元、一个奇型冷却剂流场板和一个偶型冷却剂流场板组成，奇型冷却剂流场板和偶型冷却剂流场板分别置于电池单元的两侧；所述的电池重复单元由两个电池单元、一个奇型冷却剂流场板和一个偶型冷却剂流场板组成，所述的一个电池单元、奇型冷却剂流场板、另一个电池单元和偶型冷却剂流场板依次排列；所述的电池单元由空气流场板、膜电极和燃料流场板组成，膜电极置于空气流场板和燃料流场板的中间。

上述燃料电池中，奇型冷却剂流场板的上方自左至右开有第二冷却剂进口、出口汇集槽、出口槽和第一冷却剂出口，奇型冷却剂流场板的下方自左至右开有第一冷却剂进口、进口槽、进口分配槽和第二冷却剂出口，奇型冷却剂流场板的中部设有并行的冷却剂流道槽，冷却剂流道槽的上端通过出口汇集槽、出口槽与第一冷却剂出口相连通，冷却剂流道槽的下端通过进口分配槽、进口槽与第一冷却剂进口相连通。

上述燃料电池中，偶型冷却剂流场板的上方自左至右开有第二冷却剂进口、进口槽、进口分配槽和第一冷却剂出口，偶型冷却剂流场板的下方自左至右开有第一冷却剂进口、出口汇集槽、出口槽和第二冷却剂出口，偶型冷却剂流场板的中部设有并行的冷却剂流道槽，冷却剂流道槽的上端通过进口分配槽、进口槽与第二冷却剂进口相连通，冷却剂流道槽的下端通过出口汇集槽、出口槽与第二冷却剂进口相连通。

本发明提出的基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，其特点和优点是，在电池中任一个膜电极两侧的两个冷却剂流场，其中一个必定是奇型，而另一个必定为偶型；则在任一个膜电极两侧，冷却剂流体的流动方向恰好相反。这样，在一侧冷却剂流体流程的增加过程中，该侧冷却剂流体的温度逐渐升高，但在相同的流程方向上，另一侧冷却剂流体的温度将逐渐降低；这样，任一个膜电极一侧的冷却剂流体温升所导致的膜温度的升高，将恰为另一侧冷却剂流体温降所导致的膜温度的降低所抵消，从而任一个膜电极中膜的温度将几乎不随冷却剂流体的流程的变化而变化，这就形成了膜电极内膜温度分布的均匀性，并最终促进电流密度在膜电极内出现均匀的分布。

本发明的基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，可以应用于任何类型的燃料电池流场，同时也可应用于其他非燃料电池的流场。

附图说明

图1为本发明的电池冷却剂流场装配图。

图2为图1中奇型冷却剂流场板的左视图。

图3为图1中偶型冷却剂流场板左视图。

图1-图3中，1为电池夹板，2为电池密封板，3为基于板间逆流冷却剂流场的电池的重复单元，31为电池初始单元，4为电池单元，5奇型冷却剂流场板，6为空气流场板，7为膜电极，8为燃料流场板，9为偶型冷却剂流场板，10为第二冷却剂进口，11为奇型冷却剂流场板中的出口汇集槽，12为奇型冷却剂流场板中的出口槽，13为第一冷却剂出口，14为奇型冷却剂流场板中的流道槽，15为第二冷却剂出口，16为奇型冷却剂流场板中的进口分配槽，17为奇型冷却剂流场板中的进口槽，18为第一冷却剂进口，19为偶型冷却剂流场板中的进口槽，20为偶型冷却剂流场板中的进口分配槽，21为偶型冷却剂流场板中的流道槽，22为偶型冷却剂流场板中的出口槽，23偶型冷却剂流场板中的出口汇集槽。

具体实施方式

本发明提出的基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，其结构如图1所示，包括电池夹板1、电池密封板2、一个电池初始单元31和多个电池重复单元3，其中一个电池初始单元31和多个电池重复单元3置于电池夹板之间，电池密封板2置于夹板里侧，电池初始单元31与一侧的电池密封板2相接触；所述的电池初始单元31由一个电池单元4、一个奇型冷却剂流场板5和一个偶型冷却剂流场板9组成，奇型冷却剂流场板5和偶型冷却剂流场板9分别置于电池单元4的两侧；所述的电池重复单元3由两个电池单元4、一个奇型冷却剂流场板5和一个偶型冷却剂流场板9组成，所述的一个电池单元4、奇型冷却剂流场板5、另一个电池单元4和偶型冷却剂流场板9依次排列；所述的电池单元4由空气流场板6、膜电极7和燃料流场板8组成，膜电极7置于空气流场板6和燃料流场板8的中间。

上述燃料电池中，奇型冷却剂流场板5的结构如图2所示，上方自左至右开有第二冷却剂进口10、出口汇集槽11、出口槽12和第一冷却剂出口13，奇型冷却剂流场板的下方自左至右开有第一冷却剂进口18、进口槽17、进口分配槽16和第二冷却剂出口15，奇型冷却剂流场板5的中部设有并行的冷却剂流道槽14，冷却剂流道槽14的上端通过出口汇集槽11、出口槽12与第一冷却剂出口13相连通，冷却剂流道槽14的下端通过进口分配槽16、进口槽17与第一冷却剂进口18相连通。

上述燃料电池中，偶型冷却剂流场板9的结构如图3所示，上方自左至右开有第二冷却剂进口10、进口槽19、进口分配槽20和第一冷却剂出口13，偶型冷却剂流场板9的下方自左至右开有第一冷却剂进口18、出口汇集槽23、出口槽22和第二冷却剂出口15，偶型冷却剂流场板9的中部设有并行的冷却剂流道槽21，冷却剂流道槽21的上端通过进口分配槽20、进口槽19与第二冷却剂进口10相连通，冷却剂流道槽21的下端通过出口汇集槽23、出口槽22与第二冷却剂进口15相连通。

本发明提出的基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，具有两种冷却剂流场，一种称为奇型冷却剂流场，另一种称为偶型冷却剂流场。按照一奇一偶的次序将两种冷却剂流场相间地应用于电池的各电池单元之间，以及第一个电池单元和最后一个电池单元的外侧。为了清晰地说明本发明的精神实质，在图1中冷却剂流场被视为独立于电池单元，这就是本发明中所述的单独的冷却剂流场板的。在实际上，根据本发明的精神，冷却剂流场可以不用刻在一个单独的流场板上，它可仅刻制在空气流场板背面，也可仅刻制在氢气流场板背面，还可同时刻制在空气流场板和燃料流场板的背面，在这几种情况下，冷却剂流场将集成在空气流场板和/或燃料流场板上，它就成为了电池单元的组成部分，因而不再需要一个单独的冷却剂流场板。

在奇型冷却剂流场板板上有两个进口和两个出口，但只一个进口和出口和流场板内的冷却剂流道槽相连通，从而形成奇型流场；同样，在偶型冷却剂流场板板上有两个进口和两个出口，但只一个进口和出口与流场板内的冷却剂流道槽相连通，从而形成偶型流场。奇型冷却剂流场板板上不与流道槽相连通的另一个进口和出口，即为偶型流场板上与流道槽相连通的进口和出口；偶型冷却剂流场板板上不与流道槽相连通的另一个进口和出口，即为奇型流场板上与流道槽相连通的进口和出口；这样，两种流场相互耦合在一起。在两种冷却剂流场里将冷却剂流体按相反的方向流动，这就形成了冷却剂流体的板间逆流；但在任一个流场内部，冷却剂流体在各流道槽之间的流动仍为并流，即板内并流。

在电池中，各奇型流场板上与流道槽相连通的进口和出口，与各偶型流场板上不与流道槽相连通的进口和出口，共同形成电池内部奇型冷却剂流场板的进口总管道和出口总管道；各偶型流场板上与流道槽相连通的进口和出口，与奇偶型流场板上不与流道槽相连通的进口和出口，共同形成电池内部偶型冷却剂流场板的进口总管道和出口总管道；这样，电池内部将有两个进口总管道和两个出口总管道，其中一个进口总管道和一个出口总管道被归为第一组，与电池各奇型冷却剂流场板板内的流道槽向连通，而另一个进口总管道和另一个出口总管道被归为第二组，与电池各偶型冷却剂流场板板内的流道槽向连通。在电池内部，两组总管道互不相通。

奇型冷却剂流场板板上，可增加与流场板内冷却剂流道槽相连通的进口或出口的数量，但同时也应在偶型冷却剂流场板板上增加相同数量的进口或出口，以实现两种流场板的耦合；偶型冷却剂流场板板上新增加的进口或出口不与偶型冷却剂流场板板内的冷却剂流道槽相连通。同样，在偶型冷却剂流场板板上，可增加与流场板内冷却剂流道槽相连通的进口或出口的数量，但同时也应在奇型冷却剂流场板板上增加相同数量的进口或出口，以实现两种流场板的耦合；奇型冷却剂流场板板上新增加的进口或出口不与奇型冷却剂流场板板内的冷却剂流道槽相连通。

如图1所示，由一个电池单元、一个奇型冷却剂流场板、一个电池单元和一个偶型冷却剂流场板的排列顺序构成了电池的重复单元，但电池中除了重复单元外，在电池的一端，如图1中的左端，由一个电池单元、其左侧的一个奇型冷却剂流场板、以及其右侧的一个偶型冷却剂流场板构成了电池的起始部分。按照这样的安装方式就形成了板间可逆冷却剂流场电池。在应用板间可逆冷却剂流场的电池中，奇型冷却剂流场板和偶型冷却剂流场板相间地出现在电池的各个电池单元之间，因而除了电池起始端的一个奇型冷却剂流场板和终端的一个偶型冷却剂流场板外，电池中其他所有的冷却剂流场(无论是奇型或是偶型)都为其两侧的两个电池单元所共享。

在图1中，整个燃料电池的冷却剂流场数为偶数2n，即n个奇型冷却剂流场和n个偶型冷却剂流场，在此情况下，电池第一个冷却剂流场和最后一个冷却剂流场的性质相反；但也可以为奇数2n+1，即一种流场数为n，另一种流场数为n+1，不过在此情况下，电池第一个冷却剂流场和最后一个冷却剂流场的性质相同。在图1中，在电池最初端和最终端的两个冷却剂流场中，其中一个或两个可以省去。在图1中，电池重复单元也可以采用多个电池单元+一个奇型冷却剂流场板+多个电池单元+一个偶型冷却剂流场板的构成方式。在图1中，如果没有重复单元，仅保留初始单元，则就是一个基于板间逆流冷却剂流场的单片电池。

在本发明中，用奇型冷却剂流场和偶型冷却剂这两个术语来表达两种性质的流场。根据本发明的技术方案，图1中的两种流场可以互换，电池前后端也可以互换，两种流场中冷却流体的流动方向也可以互换。因此，图2、3中各部件的名称可以根据冷却剂流体的流动方向的变化做相应的变化。

Claims (1)

1.一种基于板间逆流冷却剂流场的燃料电池，其特征在于该燃料电池包括电池夹板、电池密封板、一个电池初始单元和多个电池重复单元，所述的一个电池初始单元和多个电池重复单元置于电池夹板之间，电池密封板置于夹板里侧，电池初始单元与一侧的电池密封板相接触；所述的电池初始单元由一个电池单元、一个奇型冷却剂流场板和一个偶型冷却剂流场板组成，奇型冷却剂流场板和偶型冷却剂流场板分别置于电池单元的两侧；所述的电池重复单元由两个电池单元、一个奇型冷却剂流场板和一个偶型冷却剂流场板组成，所述的一个电池单元、奇型冷却剂流场板、另一个电池单元和偶型冷却剂流场板依次排列；所述的电池单元由空气流场板、膜电极和燃料流场板组成，膜电极置于空气流场板和燃料流场板的中间；其中所述的奇型冷却剂流场板的上方自左至右开有第二冷却剂进口、出口汇集槽、出口槽和第一冷却剂出口，奇型冷却剂流场板的下方自左至右开有第一冷却剂进口、进口槽、进口分配槽和第二冷却剂出口，奇型冷却剂流场板的中部设有并行的冷却剂流道槽，冷却剂流道槽的上端通过出口汇集槽、出口槽与第一冷却剂出口相连通，冷却剂流道槽的下端通过进口分配槽、进口槽与第一冷却剂进口相连通；其中所述的偶型冷却剂流场板的上方自左至右开有第二冷却剂进口、进口槽、进口分配槽和第一冷却剂出口，偶型冷却剂流场板的下方自左至右开有第一冷却剂进口、出口汇集槽、出口槽和第二冷却剂出口，偶型冷却剂流场板的中部设有并行的冷却剂流道槽，冷却剂流道槽的上端通过进口分配槽、进口槽与第二冷却剂进口相连通，冷却剂流道槽的下端通过出口汇集槽、出口槽与第二冷却剂进口相连通。

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