CN102637884A - 双极板、冷却板及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双极板、冷却板及燃料电池堆，其中，双极板的一个侧面上具有冷却剂流场，冷却剂流场包括：冷却剂入口通道，具有位于冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；冷却剂出口通道，具有位于冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；多条间隔分布的流道沟和流道脊，流道沟和流道脊在冷却剂入口通道与冷却剂出口通道之间并行地延伸，其中，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的截面的面积和/或周长逐渐减小。本发明有效地解决了燃料单节电池中心与边缘位置的存在温差的问题。

Description

双极板、冷却板及燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种双极板、冷却板及燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种电化学反应装置，可以直接、高效地实现反应物的化学能与电能之间的转化。燃料电池具有能量转化效率高、无污染、可连续供电、可靠性高等优点，广泛应用于航空航天、军事、电动汽车、不间断电源等领域。

现有技术的燃料电池中，燃料连续不断的输入阳极(负极)，同时氧化剂连续不断的输入阴极(正极)，在两个电极上发生电化学反应，产生电流。燃料电池的基本物理结构由电解质层及其两边的电极层组成。其中电解质存在最佳的工作温度，如质子交换膜燃料电池的电解质的最佳工作温度为80℃左右。然而，由于热扩散效应不同，每片单节电池边缘与中心位置之间容易产生不均匀的温度分布，燃料单节电池中心与边缘位置的温差会导致反应不均匀，进而降低了整个电池堆的稳定性和使用寿命。

发明内容

本发明旨在提供一种有效减小燃料单节电池中心与边缘位置的温差的双极板、冷却板及燃料电池堆。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种双极板，双极板的一个侧面上具有冷却剂流场，冷却剂流场包括：冷却剂入口通道，具有位于冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；冷却剂出口通道，具有位于冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；多条间隔分布的流道沟和流道脊，流道沟和流道脊在冷却剂入口通道与冷却剂出口通道之间并行地延伸，其中，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的截面的面积和/或周长逐渐减小。

进一步地，流道沟的截面的面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

进一步地，各流道沟的深度均相等，位于中间的流道沟的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的宽度逐渐减小。

进一步地，各流道沟的宽度均相等，位于中间的流道沟的深度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的深度逐渐减小。

进一步地，每个流道脊截面面积相等。

进一步地，冷却剂入口和冷却剂出口均为一个，一个冷却剂入口和一个冷却剂出口分别靠近双极板的两个对角的位置；或者，冷却剂入口为两个，冷却剂出口为一个，两个冷却剂入口分别位于冷却剂入口通道的两个端部，冷却剂出口位于冷却剂出口通道的中部。

进一步地，流道沟的表面配置为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。

进一步地，冷却剂出口通道平行于冷却剂入口通道，流道沟和流道脊均垂直于冷却剂入口通道和冷却剂出口通道。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种冷却板，冷却板的至少一个侧面上具有冷却剂流场，冷却剂流场包括：冷却剂入口通道，具有位于冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；冷却剂出口通道，具有位于冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；多条间隔分布的流道沟和流道脊，流道沟和流道脊在冷却剂入口通道与冷却剂出口通道之间并行地延伸，其中，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的截面的面积和/或周长逐渐减小。

进一步地，流道沟的截面的面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

进一步地，各流道沟的深度均相等，位于中间的流道沟的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的宽度逐渐减小。

进一步地，各流道沟的宽度均相等，位于中间的流道沟的深度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的深度逐渐减小。

进一步地，每个流道脊截面面积相等。

进一步地，冷却剂入口和冷却剂出口均为一个，一个冷却剂入口和一个冷却剂出口分别靠近冷却板的两个对角的位置；或者，冷却剂入口为两个，冷却剂出口为一个，两个冷却剂入口分别位于冷却剂入口通道的两个端部，冷却剂出口位于冷却剂出口通道的中部。

进一步地，流道沟的表面配置为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。

进一步地，冷却剂出口通道平行于冷却剂入口通道，流道沟和流道脊均垂直于冷却剂入口通道和冷却剂出口通道。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种燃料电池堆，包括多个叠置的亚电池堆，每个亚电池堆均包括多个双极板和设置在相邻的两个双极板之间的膜电极组件，相邻的两个亚电池堆之间具有冷却板，冷却板为上述的冷却板。

应用本发明的技术方案，双极板的一个侧面上或冷却板的至少一个侧面上具有冷却剂流场，该冷却剂流场包括：冷却剂入口通道、冷却剂出口通道、多条间隔分布的流道沟和流道脊；其中，冷却剂入口通道具有位于冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；冷却剂出口通道具有位于冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；流道沟和流道脊在冷却剂入口通道与冷却剂出口通道之间并行地延伸，其中，在冷却剂入口通道的延伸方向上，多条流道沟中位于中间的流道沟的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟的截面的面积和/或周长逐渐减小。上述的冷却剂流场中，有效地增大了单节电池中心位置的冷却液流量或换热面积，使得冷却效果不如边缘的中心位置得到更快的冷却，进而使每个单节电池的温度分布更均匀。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的双极板的实施例一具有冷却剂流场的侧面结构示意图；

图2示出了根据本发明的双极板的实施例二具有冷却剂流场的侧面结构示意图；

图3示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例一的分解结构示意图；

图4示出了根据本发明的冷却板的实施例一具有冷却剂流场的侧面结构示意图；

图5示出了根据本发明的冷却板的实施例二具有冷却剂流场的侧面结构示意图；

图6示出了根据本发明的燃料电池堆的实施例二的分解结构示意图；

图7示出了图6的燃料电池堆的冷却管路的连接示意图；以及

图8示出了图6的燃料电池堆的冷却循环系统的连接示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，实施例一的双极板的一个侧面上具有冷却剂流场，该冷却剂流场包括：冷却剂入口通道121、冷却剂出口通道122、多条间隔分布的流道沟123和流道脊124。其中，冷却剂入口通道121具有位于冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；冷却剂出口通道122具有位于冷却剂流场的下游端的冷却剂出口，多条间隔分布的流道沟123和流道脊124在冷却剂入口通道121与冷却剂出口通道122之间并行地延伸；最为一种优选的实施方式，冷却剂出口通道122平行于冷却剂入口通道121，流道沟123和流道脊124均垂直于冷却剂入口通道121。

在冷却剂入口通道121的延伸方向上，多条流道沟123中位于中间的流道沟123的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟123的截面的面积和/或周长逐渐减小。实施例一的双极板的冷却剂流场中，有效地增大了单节电池中心位置的冷却液流量或换热面积，使得冷却效果不如边缘的中心位置得到更快的冷却，进而使燃料电池堆的每个单节电池的温度分布更均匀。

流道沟123的截面的面积逐渐减小为连续性或者非连续性(阶梯性)的逐渐减小。在一种优选的实施方式中，各流道沟123的深度均相等，位于中间的流道沟123的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟123的宽度逐渐减小。在另一种优选的实施方式中，各流道沟123的宽度均相等，位于中间的流道沟123的深度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟123的深度逐渐减小。如图1所示，每个流道脊124截面面积相等。

如图1所示，冷却剂入口通道121具有一个冷却剂入口，冷却剂出口通道122具有一个冷却剂出口，冷却剂入口和冷却剂出口分别靠近双极板12的两个对角的位置。

如图2所示，在实施例二中，为了加快中心位置的冷却剂的流速，冷却剂入口通道121具有两个冷却剂入口，冷却剂出口通道122具有一个冷却剂出口，两个冷却剂入口分别位于冷却剂入口通道121的两个端部，冷却剂出口位于冷却剂出口通道122的中部。

优选地，流道沟123的表面(即流道沟123的底面和/或相邻的流道脊124的相对的侧面)为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在冷却剂入口通道121的延伸方向上，多条流道沟123中位于中间的流道沟123的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟123的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。作为一种优选的实施方式，在燃料电池堆的单节电池的中心散热慢的位置采用粗糙的流道壁面，在燃料电池边缘热扩散快的位置采用光滑的流道壁面。在无相变发生的换热过程中，粗糙度大的流道壁面可以促进边界层流体的对流混合，提高换热速率。同时，粗糙度大的流道壁面有利于增大换热面积。在发生气液相变的换热过程中，粗糙度大的流道内表面可以促进新相的形核，加快相变的吸放热过程，提高换热速率。

粗糙度的变化趋势包含但不限于连续性的变化方式和非连续性(阶梯性)的变化方式。上述方法可能会导致流道沟内压力损失增大，降低流道沟内冷却液的流量，实际冷却效果与粗糙度相关。

改变流道粗糙度的方法包含但不限于采用精密铸造或机械加工的方法在流道沟123的底面上和/或相邻的流道脊124的相对的侧面上加工形成沟槽。并通过改变沟槽的疏密程度来改变流道沟123的底面上和/或相邻的流道脊124的相对的侧面上的粗糙度。总体上，在冷却剂入口通道121的延伸方向上，位于中间的流道沟123的沟槽间距最小，并且在朝向两侧的方向上流道沟的沟槽的间距逐渐增大。

如图3所示，实施例一的燃料电池堆包括多个叠置的亚电池堆18和设置在多个亚电池堆18两个端部的端板11，每个亚电池堆18可以由一个单节电池组成，包括两个双极板和设置在两个双极板之间的一个膜电极组件，或者，亚电池堆18也可以由多个单节电池组成，比如，在实施例一中，如图4所示，每个亚电池堆18均包括两个单节电池，具体地，包括三个双极板12和两个膜电极组件15，膜电极组件15设置在相邻的两个双极板12之间，正极和负极反应气体流道13设置在相邻的两个双极板12之间，相邻的两个亚电池堆18中的相互接触的两个双极板12中至少一个双极板为上述的双极板，即可以仅有一个双极板12上具有冷却剂流场，也可以是两个双极板12上均具有冷却剂流场17，该冷却剂流场17设置在双极板12的背向膜电极组件15的侧面上。在双极板12和双极板12之间以及双极板12和膜电极组件15之间还设有密封圈14。

如图4所示，实施例一的冷却板的至少一个侧面上具有冷却剂流场，该冷却剂流场包括：冷却剂入口通道161、冷却剂出口通道162、多条间隔分布的流道沟163和流道脊164。其中，冷却剂出口通道162平行于冷却剂入口通道161；多条间隔分布的流道沟163和流道脊164均垂直于冷却剂入口通道161设置，其中，在冷却剂入口通道161的延伸方向上，多条流道沟163中位于中间的流道沟163的截面的面积/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟163的截面的面积/或周长逐渐减小。本实施例与上述双极板的实施例的区别在于，冷却剂流场不再设置在双极板12上，而是设置在冷却板16上。本实施例的技术方案及效果与上述实施例相似，在此不再赘述。

流道沟163的截面的面积逐渐减小为连续性或者非连续性(阶梯性)的逐渐减小。在一种优选的实施方式中，各流道沟163的深度均相等，位于中间的流道沟163的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟163的宽度逐渐减小。在另一种优选的实施方式中，各流道沟163的宽度均相等，位于中间的流道沟163的深度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟163的深度逐渐减小。如图4所示，每个流道脊164截面面积相等。

如图4所示，实施例一的冷却板的冷却剂入口通道161具有一个冷却剂入口，冷却剂出口通道162具有一个冷却剂出口。冷却剂入口和冷却剂出口分别靠近冷却板16的两个对角的位置。

如图5所示，为了加快中心位置的冷却剂的流速，实施例二的冷却板的冷却剂入口通道161具有两个冷却剂入口，冷却剂出口通道162具有一个冷却剂出口。两个冷却剂入口分别位于冷却剂入口通道161的两个端部，冷却剂出口位于冷却剂出口通道162的中部。

优选地，流道沟163的表面为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在冷却剂入口通道161的延伸方向上，多条流道沟163中位于中间的流道沟163的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上流道沟163的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。

作为一种优选的实施方式，在燃料电池堆的单节电池的中心散热慢的位置采用粗糙的流道壁面，在燃料电池边缘热扩散快的位置采用光滑的流道壁面。在无相变发生的换热过程中，粗糙度大的流道壁面可以促进边界层流体的对流混合，提高换热速率。同时，粗糙度大的流道壁面有利于增大换热面积。在发生气液相变的换热过程中，粗糙度大的流道内表面可以促进新相的形核，加快相变的吸放热过程，提高换热速率。

粗糙度的变化趋势包含但不限于连续性的变化方式和非连续性(阶梯性)的变化方式。上述方法可能会导致流道沟内压力损失增大，降低流道沟内冷却液的流量，实际冷却效果与粗糙度相关。

改变流道粗糙度的方法包含但不限于采用精密铸造或机械加工的方法在流道沟163的底面上和/或相邻的流道脊164的相对的侧面上加工形成沟槽。并通过改变沟槽的疏密程度来改变流道沟163的底面上和/或相邻的流道脊164的相对的侧面上的粗糙度。总体上，在冷却剂入口通道161的延伸方向上，位于中间的流道沟163的沟槽间距最小，并且在朝向两侧的方向上流道沟的沟槽的间距逐渐增大。

如图6所示，实施例二的燃料电池堆包括多个叠置的亚电池堆18，在本实施例中，每个亚电池堆18均包括两个单节电池，相邻的两个亚电池堆18之间设有冷却板16，该冷却板16为上述的冷却板，冷却板16的至少一个侧面上具有冷却剂流场19。

结合参见图7和图8，图7示出了冷却剂通过进液管进入冷却板16，再从出液管流出，其中，进液管包括进液主管50和多个与进液主管50连接的进液支管52，出液管包括出液主管51连接的出液支管53。在图8中，燃料电池堆1通过循环管路5分别连接至热交换器2、冷却介质输送泵3和调温装置4。其中，空冷风机6用于给热交换器2提供冷风。燃料电池堆1可以是可以产生功率的任何燃料电池堆，如质子膜燃料电池堆或直接甲醇燃料电池堆等。

热交换器2可以选用空气或水作为冷端介质，如在一些实施例中，冷端介质可以是干空气或湿空气。而在其他实施例中，冷端介质可以是水或水溶液。热交换器的冷却方式可以采用水-水冷却或水-气冷却，也可以采用水-水-水冷却或水-水-气冷却。调温装置4用于调节进入燃料电池的冷却介质的温度，主要包括温度传感器、控制元件和执行元件，其中温度传感器可以是但不限于热电偶，控制元件可以为具有集成平台和燃料电池冷却的电子系统或专门的控制系统，执行元件包括冷却元件和加热元件或其中之一。

用于燃料电池堆的冷却介质可以是任何类型的能够携带热量的流体，如在一些实施例中，流体冷却介质可以是纯水或水与添加剂的组合。而在其他实施例中，流体冷却介质可以是液态金属，例如，基于镓铟的低熔点合金。在一些实施例中，流体冷却介质在换热时经历气液相变，而在其他实施例中，流体冷却介质不发生相变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种双极板，其特征在于，所述双极板(12)的一个侧面上具有冷却剂流场，所述冷却剂流场包括：

冷却剂入口通道(121)，具有位于所述冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；

冷却剂出口通道(122)，具有位于所述冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；

多条间隔分布的流道沟(123)和流道脊(124)，所述流道沟(123)和流道脊(124)在所述冷却剂入口通道(121)与所述冷却剂出口通道(122)之间并行地延伸，

其中，在所述冷却剂入口通道(121)的延伸方向上，所述多条流道沟(123)中位于中间的所述流道沟(123)的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的截面的面积和/或周长逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述流道沟(123)的截面的面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，各所述流道沟(123)的深度均相等，位于中间的所述流道沟(123)的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的宽度逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，各所述流道沟(123)的宽度均相等，位于中间的所述流道沟(123)的深度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的深度逐渐减小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的双极板，其特征在于，每个所述流道脊(124)截面面积相等。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口均为一个，所述一个冷却剂入口和一个冷却剂出口分别靠近所述双极板(12)的两个对角的位置；或者，所述冷却剂入口为两个，所述冷却剂出口为一个，所述两个冷却剂入口分别位于所述冷却剂入口通道(121)的两个端部，所述冷却剂出口位于所述冷却剂出口通道(122)的中部。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述流道沟(123)的表面配置为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在所述冷却剂入口通道(121)的延伸方向上，所述多条流道沟(123)中位于中间的所述流道沟(123)的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述冷却剂出口通道(122)平行于所述冷却剂入口通道(121)，所述流道沟(123)和流道脊(124)均垂直于所述冷却剂入口通道(121)和所述冷却剂出口通道(122)。

9.一种燃料电池堆，包括多个叠置的亚电池堆(18)，每个所述亚电池堆(18)均包括多个双极板(12)和设置在相邻的两个双极板(12)之间的膜电极组件(15)，其特征在于，相邻的两个所述亚电池堆(18)中的相互接触的两个双极板(12)中至少一个双极板(12)为权利要求1至8中任一项所述的双极板，所述冷却剂流场设置在所述双极板背向所述膜电极组件(15)的侧面上。

10.一种冷却板，其特征在于，所述冷却板(16)的至少一个侧面上具有冷却剂流场，所述冷却剂流场包括：

冷却剂入口通道(161)，具有位于所述冷却剂流场的上游端的冷却剂入口；

冷却剂出口通道(162)，具有位于所述冷却剂流场的下游端的冷却剂出口；

多条间隔分布的流道沟(163)和流道脊(164)，所述流道沟(163)和流道脊(164)在所述冷却剂入口通道(161)与所述冷却剂出口通道(162)之间并行地延伸，

其中，在所述冷却剂入口通道(161)的延伸方向上，所述多条流道沟(163)中位于中间的所述流道沟(163)的截面的面积和/或周长最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(163)的截面的面积和/或周长逐渐减小。

11.根据权利要求10所述的冷却板，其特征在于，所述流道沟(123)的截面的面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

12.根据权利要求10所述的冷却板，其特征在于，各所述流道沟(123)的深度均相等，位于中间的所述流道沟(123)的宽度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的宽度逐渐减小。

13.根据权利要求12所述的冷却板，其特征在于，各所述流道沟(123)的宽度均相等，位于中间的所述流道沟(123)的深度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的深度逐渐减小。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的冷却板，其特征在于，每个所述流道脊(124)截面面积相等。

15.根据权利要求10所述的冷却板，其特征在于，所述冷却剂入口和所述冷却剂出口均为一个，所述一个冷却剂入口和一个冷却剂出口分别靠近所述冷却板(16)的两个对角的位置；或者，所述冷却剂入口为两个，所述冷却剂出口为一个，所述两个冷却剂入口分别位于所述冷却剂入口通道(121)的两个端部，所述冷却剂出口位于所述冷却剂出口通道(122)的中部。

16.根据权利要求10所述的冷却板，其特征在于，所述流道沟(123)的表面配置为具有设定的粗糙度的粗糙表面，并且，在所述冷却剂入口通道(121)的延伸方向上，所述多条流道沟(123)中位于中间的所述流道沟(123)的粗糙表面的粗糙度最大，并且在朝向两侧的方向上所述流道沟(123)的粗糙表面的粗糙度逐渐减小。

17.根据权利要求10所述的冷却板，其特征在于，所述冷却剂出口通道(122)平行于所述冷却剂入口通道(121)，所述流道沟(123)和流道脊(124)均垂直于所述冷却剂入口通道(121)和所述冷却剂出口通道(122)。

18.一种燃料电池堆，包括多个叠置的亚电池堆(18)，每个所述亚电池堆(18)均包括多个双极板(12)和设置在相邻的两个双极板(12)之间的膜电极组件(15)，相邻的两个所述亚电池堆(18)之间具有冷却板(16)，其特征在于，所述冷却板(16)为权利要求10至17中任一项所述的冷却板。

Images