CN103746132B - 冷却板、燃料电池和燃料电池系统 - Google Patents

冷却板、燃料电池和燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种冷却板、燃料电池和燃料电池系统。冷却板包括冷却流道，冷却流道为多路，多路冷却流道中的至少两路冷却流道的冷却剂进口设置在局部反应高温区。由于设置有多路冷却流道，因而可以根据燃料电池的反应情况，在局部反应高温区内对应设置多路冷却流道的冷却剂进口，从而对燃料电池的局部反应高温区进行有针对性的多点降温，进而保证了质子交换膜的含水量，保证了燃料电池的电流密度稳定性和整体电能效率，保证了燃料电池的使用寿命。同时，本发明中的冷却板具有结构简单，制造成本低的特点。

Description

冷却板、燃料电池和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种冷却板、燃料电池和燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种采用非燃烧的方式将化学能转化为电能的发电装置，具有环境友好、安全可靠和易于操作等优点。由于燃料电池不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可达45%，热电联供效率可达90%以上，广泛应用于备用电源、分布式电站和汽车动力等多个领域。燃料电池种类较多，其中，质子交换膜燃料电池具有电流密度大、发电效率高和室温快速启动等优点。
在质子交换膜燃料电池中，作为电解质的固态聚合物质子交换膜具有传递质子的功能。由于水分子是质子在质子交换膜中传递的重要载体，因而质子交换膜的含水量是影响燃料电池性能和效率的重要因素。在质子交换膜燃料电池运行时需要不断对质子交换膜进行加湿，从而保证质子交换膜燃料电池具有运行性能好、使用寿命长的特点。
现有技术中对质子交换膜燃料电池进行加湿时常采用两种方式，一种是内部加湿方式，另一种是外部加湿方式。外部加湿方式是在质子交换膜燃料电池的外部、在反应气体进入质子交换膜燃料电池之前采用加湿系统对反应气体进行加湿。内部加湿方式不需要独立设置外部加湿装置，反应气体进入质子交换膜燃料电池内部后再进行加湿。
对于备用电源等应用，基于系统复杂性和成本的考虑，一般采用内部加湿方式。
现有技术中的燃料电池在燃料气体和氧还原气体的进口区域具有较高的环境温度，导致反应气体的相对湿度较低，使得该位置处的质子交换膜的含水量较低，从而导致燃料电池的局部电流密度较低，进而影响了燃料电池的整体效率。同时，由于质子交换膜局部含水量较低，容易发生局部破坏，从而影响影响燃料电池的使用寿命。另外，燃料电池反应过程中会生成水，使得气体出口处的相对湿度较高，在大电流情况下，容易发生燃料电池水淹的问题，从而影响燃料电池的性能与寿命。
发明内容
本发明旨在提供一种冷却板、燃料电池和燃料电池系统，以解决现有技术中由于燃料电池内部局部环境温度过高而导致局部电流密度低、电能效率低的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种冷却板，包括冷却流道，冷却流道为多路，多路冷却流道中的至少两路冷却流道的冷却剂进口设置在局部反应高温区。
进一步地，局部反应高温区包括第一反应高温区和第二反应高温区，冷却板包括：第一气体进口，第一气体进口位于第一反应高温区内，多路冷却流道中的至少一路冷却流道的冷却剂进口位于第一反应高温区内；第二气体进口，第二气体进口位于第二反应高温区内，多路冷却流道中的至少另外一路冷却流道的冷却剂进口位于第二反应高温区内。
进一步地，多路冷却流道中的至少两路冷却流道的冷却剂出口设置在局部反应低温区。
进一步地，局部反应低温区包括第一反应低温区和第二反应低温区，冷却板包括：第一气体出口，第一气体出口位于第一反应低温区内，多路冷却流道中的至少一路冷却流道的冷却剂出口位于第一反应低温区内；第二气体出口，第二气体出口位于第二反应低温区内，多路冷却流道中的至少另外一路冷却流道的冷却剂出口位于第二反应低温区内。
进一步地，冷却流道为两路，两路冷却流道包括第一冷却流道和第二冷却流道，第一冷却流道和第二冷却流道分别位于冷却板相对设置的两侧壁上。
进一步地，冷却板具有贯通冷却板厚度方向设置的如下结构：第一进液口，与第一冷却流道的冷却剂进口连通；第一出液口，与第一冷却流道的冷却剂出口连通；第二进液口，与第二冷却流道的冷却剂进口连通；第二出液口，与第二冷却流道的冷却剂出口连通。
进一步地，第一进液口和第二进液口位于局部反应高温区内；第一出液口和第二出液口位于局部反应低温区内。
进一步地，冷却流道为蛇形流道。
根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，包括冷却板和双极板，双极板和冷却板为多个，冷却板设置在相邻两个双极板之间，冷却板是上述的冷却板。
根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池和冷却控制系统，冷却控制系统与燃料电池连接，燃料电池是上述的燃料电池，冷却控制系统包括冷却控制单元，冷却控制单元为多个，多个冷却控制单元与燃料电池的冷却板的多路冷却流道一一对应设置。
本发明中的冷却板包括多路冷却流道，且多路冷却流道中的至少两路冷却流道的冷却剂进口设置在局部反应高温区。由于设置有多路冷却流道，因而可以根据燃料电池的反应情况，在局部反应高温区内对应设置多路冷却流道的冷却剂进口，从而对燃料电池的局部反应高温区进行有针对性的多点降温，进而保证了质子交换膜的含水量，保证了燃料电池的电流密度稳定性和整体电能效率，保证了燃料电池的使用寿命。同时，本发明中的冷却板具有结构简单，制造成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的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示意性示出了本发明中的冷却板的结构示意图；
图2示意性示出了图1的俯视图；
图3示意性示出了图1的仰视图；
图4示意性示出了本发明中的膜电极组件的结构示意图；
图5示意性示出了本发明中的燃料电池的结构示意图；
图6示意性示出了本发明中的一个优选实施例中燃料电池系统中各部件的连接关系示意图；
图7示意性示出了本发明中的另一个优选实施例中燃料电池系统中各部件的连接关系示意图；以及
图8示意性示出了本发明中的另一个优选实施例中燃料电池系统中各部件的连接关系示意图。
图中附图标记：10、冷却流道；11、冷却剂进口；12、冷却剂出口；13、流道沟；14、流道脊；20、局部反应高温区；21、第一反应高温区；22、第二反应高温区；30、第一气体进口；40、第二气体进口；50、局部反应低温区；51、第一反应低温区；52、第二反应低温区；60、第一气体出口；70、第二气体出口；80、第一进液口；81、第一出液口；82、第二进液口；83、第二出液口；90、双极板；91、膜电极组件；92、阳极板；93、阴极板；94、膜电极组件的冷却剂进口；95、膜电极组件的冷却剂出口；96、燃料气体进口；97、氧还原气体进口；98、燃料气体出口；99、氧还原气体出口；100、燃料电池；200、采集部；300、控制部；400、流量控制器；500、冷却液泵。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个方面，提供了一种冷却板。如图1至5所示，冷却板包括冷却流道10，冷却流道10为多路，多路冷却流道10中的至少两路冷却流道10的冷却剂进口11设置在局部反应高温区20。由于设置有多路冷却流道10，因而可以根据燃料电池100的反应情况，在局部反应高温区20内对应设置多路冷却流道10的冷却剂进口，从而对燃料电池100的局部反应高温区进行有针对性的多点降温，进而保证了质子交换膜的含水量，保证了燃料电池100的电流密度稳定性和整体电能效率，保证了燃料电池100的使用寿命。由于冷却流道10的冷却剂进口11处温度较低，因而降温效果显著，从而提高了燃料电池100的使用可靠性和运行稳定性。同时，本发明中的冷却板具有结构简单，制造成本低的特点。
如图1所示的实施例中，局部反应高温区20包括第一反应高温区21和第二反应高温区22，冷却板包括第一气体进口30和第二气体进口40，第一气体进口30位于第一反应高温区21内，多路冷却流道10中的至少一路冷却流道10的冷却剂进口11位于第一反应高温区21内；第二气体进口40位于第二反应高温区22内，多路冷却流道10中的至少另外一路冷却流道10的冷却剂进口11位于第二反应高温区22内。优选地，第一气体进口30通入燃料气体。进一步地，燃料气体为氢气。优选地，第二气体进口40通入氧还原气体。进一步地，氧还原气体为氧气或空气。由于燃料电池100在燃料气体和氧还原气体的进口区域具有较高的环境温度，因而第一气体进口30位于第一反应高温区21内、第二气体进口40位于第二反应高温区22内，在第一反应高温区21和第二反应高温区22内分别设置至少一路冷却流道10的冷却剂进口11，能够有效对上述局部反应高温区20进行有效降温，从而提高膜电极组件91中的质子交换膜的含水量，从而保证燃料电池100的电流密度稳定性和整体电能效率，避免质子交换膜破损。
本发明中的多路冷却流道10中的至少两路冷却流道10的冷却剂出口12设置在局部反应低温区50。由于冷却剂流经冷却流道10时，冷却剂在冷却流道10的冷却剂出口12温度高于冷却剂在冷却剂进口11的温度，因而将冷却剂出口12均设置在局部反应低温区50处，可以有效提高局部反应低温区50的温度，从而降低该位置处的相对湿度，进而使燃料电池100避免发生水淹的问题，保证了燃料电池100的性能与寿命。
如图1所示的实施例中，局部反应低温区50包括第一反应低温区51和第二反应低温区52，冷却板包括第一气体出口60和第二气体出口70，第一气体出口60位于第一反应低温区51内，多路冷却流道10中的至少一路冷却流道10的冷却剂出口12位于第一反应低温区51内；第二气体出口70位于第二反应低温区52内，多路冷却流道10中的至少另外一路冷却流道10的冷却剂出口12位于第二反应低温区52内。优选地，第一气体出口60与第一气体进口30连通。优选地，第二气体出口70与第二气体进口40连通。由于燃料电池100反应过程中会生成水，使得气体出口处的相对湿度较高，造成局部环境温度较低，因而在第一气体出口60所在的第一反应低温区51、第二气体出口70所在的第二反应低温区52内分别设置至少一路冷却流道10的冷却剂出口12，能够有效提高上述局部反应低温区50的温度，从而降低该位置处的相对湿度、减少液态水，进而使燃料电池100避免发生水淹的问题，保证了燃料电池100的性能与寿命。
如图1至图3所示的实施例中，冷却流道10为两路，两路冷却流道10包括第一冷却流道和第二冷却流道，第一冷却流道和第二冷却流道分别位于冷却板相对设置的两侧壁上。由于冷却板的两侧均设置有冷却流道10，因而保证了冷却板的工作可靠性，避免两路冷却流道10相互干扰，保证冷却板可对燃料电池100的两个进气主管道和两个排气主管道同时作用，从而提高了燃料电池100的使用可靠性。
如图1所示的实施例中，冷却板具有贯通冷却板厚度方向设置的第一进液口80、第一出液口81、第二进液口82和第二出液口83，第一冷却流道的冷却剂进口与第一进液口80连通，第一冷却流道的冷却剂出口与第一出液口81连通，第二冷却流道的冷却剂进口与第二进液口82连通，第二冷却流道的冷却剂出口与第二出液口83连通。由于第一进液口80、第一出液口81、第二进液口82和第二出液口83均沿冷却板厚度方向贯通设置，因而冷却板与双极板90叠放组合后，冷却剂沿冷却板厚度方向流动（主流路），当流经某一冷却板时，冷却剂依次流经冷却板的第一进液口80、第一冷却流道的冷却剂进口、第一冷却流道的冷却剂出口、冷却板的第一出液口81后，沿冷却板厚度方向向外流动；同时，冷却剂依次流经冷却板的第二进液口82、第二冷却流道的冷却剂进口、第二冷却流道的冷却剂出口、冷却板的第二出液口83后，沿冷却板厚度方向向外流动。
如图1所示的实施例中，第一进液口80和第二进液口82位于局部反应高温区20内；第一出液口81和第二出液口83位于局部反应低温区50内。由于第一进液口80和第二进液口82位于局部反应高温区20内；第一出液口81和第二出液口83位于局部反应低温区50内，因而冷却剂可以直接作用于局部反应高温区20和局部反应低温区50，从而提高了冷却板的使用可靠性，有效地保证了燃料电池100的电流密度，避免燃料电池100发生水淹的问题。
优选地，冷却流道10为蛇形流道。由于冷却流道10为蛇形流道，因而增加了冷却剂在冷却流道10内的滞留时间，从而提高了冷却效果、有效地增加了质子交换膜的局部湿度、减轻了燃料电池100发生水淹的问题。当然，冷却流道10还可以是曲折迂回的流道、平行流道或网络状流道等。
如图1所示的实施例中，冷却流道10内具有多条流道沟13和多条流道脊14，多条流道沟13和多条流道脊14依次交替设置。由于设置有多条流道沟13和多条流道脊14，因而对冷却剂的流动方向起到导向的作用，从而提高了冷却板的使用可靠性。
作为本发明的第二个方面，提供了一种燃料电池100。如图1至图5所示，燃料电池100包括冷却板和双极板90，双极板90和冷却板为多个，冷却板设置在相邻两个双极板90之间，冷却板是上述的冷却板。如图5所示的实施例中，双极板90包括阳极板92和阴极板93，燃料电池100还包括膜电极组件91，阳极板92和阴极板93的第一侧面上均设置有反应气流道，阳极板92和阴极板93的第一侧面均朝向膜电极组件91设置，且膜电极组件91位于阳极板92和阴极板93之间，冷却板位于阳极板92（阴极板93）的第二侧面与另一个阴极板93（阳极板92）之间。优选地，反应气流道可为平行流道、蛇形流道或网络状流道等。由于燃料电池100的冷却板具有多路冷却流道10，因而可以降低燃料电池100内部的局部反应高温区20的温度，从而保证膜电极组件91的质子交换膜的含水量，保证了燃料电池100的电流密度稳定性和整体电能效率，保证了燃料电池100的使用寿命。
优选地，双极板90是石墨板或者高分子与石墨的导电复合材料板。优选地，双极板90具有与冷却板上的第一进液口80、第一出液口81、第二进液口82、第二出液口83、第一气体进口30、第二气体进口40、第一气体出口60和第二气体出口70一一对应设置的冷却剂进口、冷却剂出口、冷却剂进口、冷却剂出口、燃料气体进口、氧还原气体进口、燃料气体出口、氧还原气体出口。同样地，膜电极组件91上具有与冷却板上的第一进液口80、第一出液口81、第二进液口82、第二出液口83、第一气体进口30、第二气体进口40、第一气体出口60和第二气体出口70一一对应设置的膜电极组件的冷却剂进口94、膜电极组件的冷却剂出口95、膜电极组件的冷却剂进口94、膜电极组件的冷却剂出口95、燃料气体进口96、氧还原气体进口97、燃料气体出口98、氧还原气体出口99。
作为本发明的第三个方面，提供了一种燃料电池系统。如图6至图8所示，燃料电池系统包括燃料电池100和冷却控制系统，冷却控制系统与燃料电池100连接，燃料电池100是上述的燃料电池100，冷却控制系统包括冷却控制单元，冷却控制单元为多个，多个冷却控制单元与燃料电池100的冷却板的多路冷却流道10一一对应设置。由于多个冷却控制单元与燃料电池100的冷却板的多路冷却流道10一一对应设置，因而冷却控制系统可以单独对每路冷却流道10的工作状态进行控制，从而保证了燃料电池100的使用可靠性，保证了燃料电池系统的运行稳定性和控制可靠性。同时，本发明中的燃料电池系统具有结构简单、制造成本低的特点。
如图6所示的实施例中，冷却控制单元为冷却液泵500，冷却控制系统还包括采集部200和控制部300，采集部200与燃料电池100连接，用于采集燃料电池100的性能参数；控制部300与采集部200连接，且控制部300分别与多个冷却液泵500连接，用于根据采集部200采集的性能参数分别控制多个冷却液泵500的工作状态。由于控制部300分别与多个冷却液泵500连接，并可根据采集部200采集的性能参数分别控制多个冷却液泵500的工作状态，因而可以实现对燃料电池100的冷却板的多路冷却流道10的流量大小的独立调节，从而改善燃料电池100内部的反应情况和运行状态，进而保证燃料电池100的电流密度稳定性、提高了燃料电池系统的使用可靠性。
优选地，采集部200采集燃料电池100的反应气体进出堆温度、反应气体进出堆压力、冷却剂进出堆温度等性能参数。控制部300主要控制冷却液泵500的输出功率，从而控制冷却剂的流量和速度。
如图7所示的实施例中，冷却控制单元为流量控制器400，冷却控制系统还包括冷却液泵500、采集部200和控制部300，冷却液泵500分别与多个流量控制器400连接；，采集部200与燃料电池100连接，用于采集燃料电池100的性能参数；控制部300与采集部200连接，且控制部300分别与冷却液泵500、多个流量控制器400连接，用于根据采集部200采集的性能参数分别控制冷却液泵500和多个流量控制器400的工作状态。由于冷却液泵500分别与多个流量控制器400连接，因而冷却液泵500可以同时为多个流量控制器400供给冷却剂，从而保证了冷却控制系统的运行可靠性。由于控制部300与采集部200连接，且控制部300分别与冷却液泵500、多个流量控制器400连接，因而控制部300不仅可以根据采集部200采集的性能参数控制冷却液泵500的工作状态，还能根据采集部200采集的性能参数分别控制多个流量控制器400的工作状态，从而实现对燃料电池100的冷却板的多路冷却流道10的冷却剂流量大小的独立调节，以改善燃料电池100内部的反应情况和运行状态，进而保证燃料电池100的电流密度稳定性、提高了燃料电池系统的使用可靠性。
优选地，采集部200采集燃料电池100的反应气体进出堆温度、反应气体进出堆压力、冷却剂进出堆温度等性能参数。控制部300实时控制冷却液泵500和流量控制器400，以达到控制冷却剂的流量和速度。在一个优选的实施例中，还可以选择固定功率的冷却液泵500，仅通过控制多个流量控制器400来调节冷却剂的流量，从而达到降低成本的目的。
如图8所示的实施例中，多个冷却控制单元包括冷却液泵500和流量控制器400；冷却液泵500与冷却板的第一冷却流道连通，冷却液泵500通过流量控制器400与冷却板的第二冷却流道连通；冷却控制系统还包括采集部200和控制部300，采集部200与燃料电池100连接，用于采集燃料电池100的性能参数；控制部300与采集部200连接，且控制部300分别与冷却液泵500、流量控制器400连接，用于根据采集部200采集的性能参数分别控制冷却液泵500和多个流量控制器400的工作状态。在该实施例中，冷却液泵500同时用于给冷却板的第一冷却流道和流量控制器400供给冷却剂，由于流量控制器400与冷却板的第二冷却流道连通，因而调节流量控制器400，也就是调节供给冷却板的第二冷却流道的冷却剂流量。由于控制部300分别与冷却液泵500、流量控制器400连接，因而控制部300，不仅可以根据采集部200采集的性能参数控制冷却液泵500的工作状态，还能根据采集部200采集的性能参数调节流量控制器400的工作状态，并通过对冷却液泵500与流量控制器400的联调，实现对燃料电池100的冷却板的多路冷却流道10的冷却剂流量控制，从而改善燃料电池100内部的反应情况和运行状态，进而保证燃料电池100的电流密度稳定性、提高了燃料电池系统的使用可靠性。
优选地，流量控制器400为电磁流量控制阀。
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 (5)

1.一种冷却板，其特征在于，包括设置在所述冷却板的板面上的供冷却剂沿着所述板面流动的冷却流道(10)，所述冷却流道(10)为两路，两路所述冷却流道(10)的冷却剂进口(11)设置在局部反应高温区(20)；两路所述冷却流道(10)的冷却剂出口(12)设置在局部反应低温区(50)；两路所述冷却流道(10)包括第一冷却流道和第二冷却流道，所述第一冷却流道和所述第二冷却流道分别位于所述冷却板相对设置的两侧壁上；所述冷却板具有贯通所述冷却板厚度方向设置的如下结构：第一进液口(80)，与所述第一冷却流道的冷却剂进口连通；第一出液口(81)，与所述第一冷却流道的冷却剂出口连通；第二进液口(82)，与所述第二冷却流道的冷却剂进口连通；第二出液口(83)，与所述第二冷却流道的冷却剂出口连通；所述第一进液口(80)设置在所述冷却板的长度方向的第一端，所述第一出液口(81)设置在所述冷却板的长度方向的第二端，所述第二进液口(82)和所述第二出液口(83)分别位于所述冷却板的长度方向的两端；所述局部反应高温区(20)包括第一反应高温区(21)和第二反应高温区(22)，所述冷却板包括：第一气体进口(30)，所述第一气体进口(30)位于所述第一反应高温区(21)内，第一冷却流道的冷却剂进口(11)位于所述第一反应高温区(21)内；第二气体进口(40)，所述第二气体进口(40)位于所述第二反应高温区(22)内，第二冷却流道的冷却剂进口(11)位于所述第二反应高温区(22)内；所述局部反应低温区(50)包括第一反应低温区(51)和第二反应低温区(52)，所述冷却板包括：第一气体出口(60)，所述第一气体出口(60)位于所述第一反应低温区(51)内，第一冷却流道的冷却剂出口(12)位于所述第一反应低温区(51)内；第二气体出口(70)，所述第二气体出口(70)位于所述第二反应低温区(52)内，第二冷却流道的冷却剂出口(12)位于所述第二反应低温区(52)内。
2.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述第一进液口(80)和所述第二进液口(82)位于所述局部反应高温区(20)内；所述第一出液口(81)和所述第二出液口(83)位于所述局部反应低温区(50)内。
3.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述冷却流道(10)为蛇形流道。
4.一种燃料电池，包括冷却板和双极板(90)，所述双极板(90)和所述冷却板为多个，所述冷却板设置在相邻两个所述双极板(90)之间，其特征在于，所述冷却板是权利要求1至3中任一项所述的冷却板。
5.一种燃料电池系统，包括燃料电池(100)和冷却控制系统，所述冷却控制系统与所述燃料电池(100)连接，其特征在于，所述燃料电池(100)是权利要求4所述的燃料电池，所述冷却控制系统包括冷却控制单元，所述冷却控制单元为多个，多个所述冷却控制单元与所述燃料电池(100)的冷却板的多路冷却流道(10)一一对应设置。
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