CN103904336B - 一种燃料电池散热双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池散热双极板，包括阴极板和阳极板，其特征在于，所述的阴极板和阳极板之间设有散热段，所述散热段由若干层的散热板依次叠加组成，所述散热板上设有多条平行直槽，若干层的散热板依次叠加后，相邻两板之间的平行直槽构成流体通道，构成散热段中第一层和最后一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口一和端口二，所述端口一和端口二暴露于空气中，且端口一和端口二分别位于散热段两端，散热段中其余平行直槽两端封闭；与现有技术相比，本发明具有散热效果好、可靠性高、安装方便、散热片可以任意组合等优点。

Description

一种燃料电池散热双极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池散热双极板。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。

双极板不但需要提供反应物的流道，还需要排出反应后生成水与热量，避免因热量蓄积而造成燃料电池的不能工作和寿命的缩短。为此，一般的设计方案是在阴极板背面设置导流槽作为冷却介质流道，通过冷却介质流道中高速气流带走反应产生的热。但是这种冷却流道受导流板大小的限制。尤其是对风冷型燃料电池，如CN202308177U，该专利通过在阴极板和阳极板上设有多条冷却风流道，加快电堆散热速度。该类技术的缺点在于，因为冷却通道直接设在阴、阳极板板上，一旦板的尺寸确定，就不能根据电池的大小来调整散热面积，常常由于散热面积有限，散热效果差，造成燃料电池产生的热量不能全部散掉，从而影响燃料电池的性能，或者增加冷却风扇的风量来达到散热的目的，但是这样又增加了额外的功耗。另外，双极板材料昂贵，如果直接在双极板背面设冷却流道，增加了制作难度，同时导致双极板板体变厚，进一步增加材料成本。

另一种设计方式是将氧化剂直接充当冷却剂，因此双极板上的氧化剂流道同时充当冷却剂流道。如CN1996647A，该专利将阴极流场板的氧化剂分配管道设计为开放性沟槽。该类技术的缺点在于，冷却所需流量与氧化剂所需流量并不一致，且直接采用开放式流道供氧化剂，对空气要求极高，适用环境极少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种散热效果好、可靠性高的燃料电池散热双极板。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池散热双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板上设有燃料进出孔和氧化剂进出孔，其特征在于，所述的阴极板和阳极板之间设有散热段，所述散热段由若干层的散热板依次叠加组成，所述散热板上设有双排的上下位置相同的多条平行直槽或单排开口交错的多条平行直槽，若干层的散热板依次叠加后，相邻两板之间的平行直槽构成流体通道，散热段第一片散热板上表面的平行直槽与阳极板叠加后构成散热段第一层流体通道，散热段最后一片散热板下表面的平行直槽与阴极板叠加后构成散热段最后一层流体通道，构成散热段中第一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口一，构成散热段中最后一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口二，所述端口一和端口二暴露于空气中，且端口一和端口二分别位于散热段两端，散热段中其余平行直槽两端封闭。

所述的平行直槽的截面形状为矩形、梯形、半圆形、圆形、五角星形或多边形。

所述的平行直槽靠近两端处设有通孔。

所述的散热段根据需要的散热面积设置散热板2-20层，所述通孔设于平行直槽的靠近一端处，相邻的两块散热板上的通孔位置两端一端错开，垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两连通，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，依次流经各层流体通道后，从最后一层流体通道端口二流出。

所述的散热片根据需要的散热面积设有1-20层，所述通孔设于平行直槽的靠近两端处，每层散热板垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两连通，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，通过流体通道上的通孔，在每层流体通道进行分流，在最后一层流体通道端口二集中排出。

所述的散热段的材料为金属材料。

所述的散热段与阳极板和阴极板之间注塑成一整体。

所述的散热板与散热板之间，散热段与阳极板和阴极板之间粘合成一整体。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明散热板可以根据需要上下叠加多层，以满足不同的散热需求，因而不受双极板面积的限制，能有效控制燃料电池的温度，从而提高了燃料电池的性能和寿命。

2.散热板具有单独性，与双极板分开制作，降低了传统双极板背面冲压冷却流道面临的工艺难度高和加工时间长。

3.散热板形状设计灵活，孔的大小和形状可以任意调整，操作灵活。

4.采用铝合金等散热好的金属材料，可以有效提高散热能力。

5.双极板可以通过注塑或者粘接做成整体，即一体化设置，大大提高电堆安装的可靠性。

6.本发明为开放式风冷散热设计，采用两进两出四孔的双极板结构，大大提高了电堆的密封性能，同时省略了冷却流体所需的管路结构和控制系统。

附图说明

图1为第一种散热片的结构示意图；

图2为第二种双极板的结构示意图；

图3为第三种散热片的结构示意图；

图4为双极板的结构示意图；

图5为实施例一双极板的剖面图；

图6为实施例一双极板的冷却流体流动示意图，其中带箭头直线为冷却流体流动方向；

图7为实施例二双极板的剖面图；

图8为实施例二双极板的冷却流体流动示意图，其中带箭头直线为冷却流体流动方向；

图9为燃料电池单电池组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

如图4所示，一种燃料电池用风冷一体化双极板，包括阳极板5和阴极板6，阴极板和阳极板上仅仅设置燃料进出流体孔和氧化剂进出流体孔，不设冷却流体进出孔，所述的阳极板5和阴极板6之间设有一散热段，该散热段由三层散热板1-1、1-2、1-3构成。散热板1由铝合金板冲压而成，上设平行直槽2，即在铝合金板两侧冲压上下位置相同的截面为梯形的平行凹槽，如图1所示。阴极板6上设有燃料流体通道，阳极板5上设有氧化剂流体通道。

阴极板6、散热段与阳极板5之间通过注塑成一整体，构成一双极板，该双极板两端设有燃料进出总流道和氧化剂进出总流道，上下相邻双极板的阴极板和阳极板之间夹设膜电极构成单电池，多组单电池上下叠加形成燃料电池堆，如图9所示。

如图5所示，散热段由两层散热板叠加构成，相邻两板之间的平行直槽2构成流体通道3，散热段第一片散热板上表面的平行直槽与阳极板叠加后构成散热段第一层流体通道，散热段最后一片散热板下表面的平行直槽与阴极板叠加后构成散热段最后一层流体通道，构成散热段中第一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口一，构成散热段中最后一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口二，端口一和端口二暴露于空气中，呈开路设计，且端口一和端口二分别位于散热段两端，散热段中其余平行直槽两端封闭。

平行直槽靠近一端处设有通孔4，相邻的两块散热板上的通孔位置两端错开，垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两一端连通。如图7所示，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，依次流经各层流体通道后，从最后一层流体通道端口二流出。空气中的风带从流体通道中流过就可以实现对双极板的散热，不需要另设冷却流体系统，简化了电堆结构，而且阴极板和阳极板上不需要设置冷却流体进出孔。减少冷却流体进出孔可以降低双极板制作难度，加快工序，同时减少了冷却流体进出孔所需的密封装置，提高了电堆的密封性能。

实施例2

如图2所示，一种燃料电池用风冷一体化双极板，包括阳极板5和阴极板6，所述的阳极板5和阴极板6之间设有散热段，散热段由若干层散热板叠加而成。散热板上设有单排开口交错的平行直槽2，散热板1由铝合金板冲压而成，即在铝合金板两侧上下交错冲压截面为梯形的平行凹槽。阴极板6上设有燃料流体通道，阳极板5上设有氧化剂流体通道。

阴极板6、散热段与阳极板5之间通过注塑成一整体，构成一双极板，该双极板两端设有燃料进出总流道和氧化剂进出总流道，上下相邻双极板的阴极板和阳极板之间夹设膜电极构成单电池，如图9所示，多组单电池上下叠加形成燃料电池堆。

燃料和氧气分别从电堆两端的燃料进出总流道和氧化剂进出总流道进入各双极板对应的燃料流体通道和氧化剂流体通道，从而在膜电极上进行反应，反应产生的热量由空气中的风进入双极板中间的散热段散热。

如图6所示，散热段由十一层散热板叠加构成，散热段第一片散热板上表面的平行直槽与阳极板叠加后构成散热段第一层流体通道，散热段最后一片散热板下表面的平行直槽与阴极板叠加后构成散热段最后一层流体通道，构成散热段中第一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口一，构成散热段中最后一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口二，端口一和端口二暴露于空气中，呈开路设计，且端口一和端口二分别位于散热段两端，散热段中其余平行直槽两端封闭。

平行直槽靠近两端处设有通孔，每层散热板垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两连通。如图8所示，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，通过流体通道上的通孔，在每层流体通道进行分流，在最后一层流体通道端口二集中排出。

空气中的风带从流体通道中流过就可以实现对双极板的散热，不需要另设冷却流体系统，简化了电堆结构，而且阴极板和阳极板上不需要设置冷却流体进出孔。减少冷却流体进出孔可以降低双极板制作难度，加快工序，同时减少了冷却流体进出孔所需的密封装置，提高了电堆的密封性能。

实施例3

如图1所示，散热板1上设有流体通道。流体通道由铝合金板冲压而成，即在铝合金板两侧冲压上下位置相同的截面为梯形的平行凹槽，阴极板和阳极板之间设置上散热板1层。其余同实施例2。

实施例4

如图3所示，阴极板和阳极板之间设置上下叠加的散热板10层，各层散热板上设置相同的星型的流体通道，其余同实施例1。

实施例6

参见图1-4，阴极板和阳极板之间设置上下叠加的散热板20层，各层散热板上设置不同形状的流体通道，即各层散热板上开设的平行凹槽的截面形状包括矩形、梯形、半圆形、三角形、五角星形和多边形，其余同实施例1。

实施例7

参见图1-4，阴极板和阳极板之间设置上下叠加的散热板15层，各层散热板上设置不同形状的流体通道，即各层散热板上开设的平行凹槽的截面形状包括矩形、梯形、半圆形、三角形、五角星形和多边形，其余同实施例2。

需要指出的是，本发明实施例一与实施例二的区别在于通过通孔位置设计，使冷却流体在散热段中单一流道蛇形排出，或在散热段中层层分流后汇总排出。因此散热段中的散热板数量可以在1-20层中根据散热量的需要任意选择。无论散热板数量多少，本发明的散热方式是冷却流体从散热段第一层设有的端口一流入，在最后一层设有的端口二排出。

Claims (8)

1.一种燃料电池散热双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板上设有燃料进出孔和氧化剂进出孔，其特征在于，所述的阴极板和阳极板之间设有散热段，所述散热段由若干层的散热板依次叠加组成，所述散热板上设有双排的上下位置相同的多条平行直槽，若干层的散热板依次叠加后，相邻两板之间的平行直槽构成流体通道，散热段第一片散热板上表面的平行直槽与阳极板叠加后构成散热段第一层流体通道，散热段最后一片散热板下表面的平行直槽与阴极板叠加后构成散热段最后一层流体通道，构成散热段中第一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口一，构成散热段中最后一层所述流体通道的平行直槽一端设有端口二，所述端口一和端口二暴露于空气中，且端口一和端口二分别位于散热段两端，散热段中其余平行直槽两端封闭；

所述的散热段与阳极板和阴极板之间组成一整体。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的平行直槽的截面形状为半圆形、圆形或多边形。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的平行直槽上设有通孔。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的散热段根据需要的散热面积设置散热板2-10层，所述通孔设于平行直槽的靠近一端处，相邻的两块散热板上的通孔位置两端错开，垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两一端连通，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，依次流经各层流体通道后，从最后一层流体通道端口二流出。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的散热段根据需要的散热面积设置散热板2-10层，所述通孔设于平行直槽的靠近两端处，每层散热板垂直位置相同的平行直槽通过所述通孔两两连通，冷却流体从第一层流体通道端口一进入，通过流体通道上的通孔，在每层流体通道进行分流，在最后一层流体通道端口二集中排出。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的散热段的材料为金属材料。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的散热段与阳极板和阴极板之间注塑成一整体。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池散热双极板，其特征在于，所述的散热板与散热板之间，散热段与阳极板和阴极板之间粘合成一整体。