CN106876746A - 一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构 - Google Patents

一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构 Download PDF

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李玉平
杨敏
许康
龚靖
徐黎明
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Abstract

本发明公开了一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板、以及位于所述双极板上的冷却水流场，在所述冷却水流场一端的两侧分别设有一冷却水入口，在所述冷却水流场一端的两侧设有一冷却水出口。本发明通过在双极板端部的两侧面分别设置一组冷却水入口和一组冷却水出口，在提升了氢燃料电池反应效率的同时，也克服了传统方案中存在冷却死角的问题，提升了燃料电池的寿命。

Description

一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地说，特别涉及到一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构。
背景技术
由于燃料电池在工作中会产生大量的热量，因此需要在氢燃料电池中设计冷却结构来导出热量。传统的氢燃料电池可分为以下两类：
参见图1，该方案中，将氢气入口、空气出口和冷却水入口设计在双极板的一端，氢气出口、空气入口和冷却水出口设计在双极板的另一端。冷却水通过冷却水入口流入，扩散至整个双极板夹层中的冷却水流场，带走热量并从冷却水出口流出。在上述过程中，冷却水的流经轨迹大致呈“中”字形。
这种方案的缺陷在于：
1)由于“中”字形中间部位的流道最短，左右两侧部位的流道较长，所以大部分的冷却水通过流经中间部位流出，少部分的冷却水通过两侧部位流出。这种现象会导致双极板中间部位的冷却效果较佳，其两侧部位的冷却效果较差，冷却效果不均匀。
2)由于将氢气入口、空气出口和冷却水入口设计在双极板的一端，氢气出口、空气入口和冷却水出口设计在双极板的另一端，由于冷却水入口和冷却水出口需要占用一部分双极板端部的面积，势必占用一部分氢气入口和空气入口的面积，导致氢气入口和空气入口的设计无法更大，输入量受限，从而影响增大氢燃料电池的反应效率。
参见图2，该方案中，将氢气入口和空气出口设计在双极板的一端，冷却水入口设计在双极板一端的一侧，氢气出口和空气入口设计在双极板的另一端，冷却水出口设计在双极板另一端的另一侧。冷却水从一侧的冷却水入口流入，扩散至整个冷却水流场，带走热量并从另一侧冷却水出口流出。在上述过程中，冷却水的流经轨迹大致呈“Z”字形。
这种方案的缺陷在于：
1)由于冷却水入口位于双极板一端的一侧，冷却水出口位于双极板另一端的另一侧。冷却水在冷却水流场内会倾向于走较短路径，流经A区和B区的冷却水较少，导致上述两区域冷却效果较差，长期使用局部易受损影响燃料电池寿命。
综上所述，方案一和二均不是合理、理想的冷却方案，需要提供更好的技术方案予以替代。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构，克服了现有两种方案中的缺陷，兼具了两种方案优点的技术方案。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板、以及位于所述双极板上的冷却水流场，在所述冷却水流场一端的两侧分别设有一冷却水入口，在所述冷却水流场一端的两侧设有一冷却水出口。
进一步的，在所述双极板一端设有氢气出口和空气入口，在双极板另一端设有氢气入口和空气出口，所述冷却水入口位于所述双极板的氢气出口和空气入口的所在端的两侧，所述冷却水出口位于所述双极板氢气入口和空气出口的所在端的两侧。
进一步的，两处冷却水入口对称设置在双极板氢气出口和空气入口所在端的两侧。
进一步的，两处冷却水出口对称设置在双极板氢气入口和空气出口所在端的两侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)通过在双极板端部的两侧分别设置一组冷却水入口和一组冷却水出口，在提升了氢燃料电池反应效率的同时，也克服了传统方案中存在冷却死角的问题，提升了燃料电池的寿命。
2)通过采用了双冷却水入口的结构，相比较传统的单冷却水入口结构，每个冷却水流经的路径更短，其冷却水的进水效率更高，冷却效果好。
3)通过采用了双冷却水入口的结构，每个双冷却水入口面积、占用的尺寸减小，减少横向流道的数量，减少占用纵向流道尺寸，延长纵向流道的长度，从而减小了对双极板气体和冷却水的流阻影响，提升了反应效率。
附图说明
图1为现有氢燃料电池双极板的冷却结构示意图之一。
图2为现有氢燃料电池双极板的冷却结构示意图之二。
图3为本发明所述的氢燃料电池双极板的冷却结构示意图。
图4为本发明所述的若干双极板及反应膜叠合冷却水流场C-C处的截面结构示意图。
图5为本发明所述的双极板冷却水流场D-D处的截面结构示意图。
图6为本发明所述的双极板的截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图3，本发明所述的一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构，其具体方案为：将氢气出口2和空气入口1设置在双极板的一端，将氢气入口5和空气出口6设置在双极板另一端，并在双极板一端的左右两侧分别设置一冷却水入口3，在双极板另一端的两侧分别设有一冷却水出口4。
冷却水通过两个冷却水入口3流入后，流经整个冷却水流场8，带走热量并从冷却水出口4流出。在上述冷却过程中，冷却水的流经轨迹大致呈“工”字形。
实施例
在本实施例中，将氢气出口2和空气入口1设置在双极板的一端，将氢气入口5和空气出口6设置在双极板另一端，由于氧气的扩散性较差，因此空气入口端的氧气浓度较高，在此处反应生成的热量也高。为了达到更好的冷却效果，因此将冷却水入口设置在空气入口和氢气出口的所在端的左右两侧，将冷却水出口设置在空气出口和氢气入口所在端的两侧。
参见图5，双极板的每一块板呈纵向排列的大量凹凸长槽，相应两块凹凸长槽的极板贴合形成纵向排列的冷却水槽14和两外侧与模电极11形成的氢气流道12和氧气腔体13。
当采用现有技术方案二Z字形流道结构时，冷却水必须从图5的左右两侧流通，但是被该结构阻挡，改为图4结构，减小纵向排列凹凸长槽的深度，在原来双极板总高度不变的前提下，中间形成了一个横向流道16，使得冷却水从入口可以经横向流道16进入纵向流道12，由入口端流向出口端。
从以上的结构可知，横向流道16会减小极板纵向凹凸长槽的深度，会减小外表面形成氢气流道12和氧气腔体13的截面积，使得氧气(空气)和氢气的流道变窄，影响流速、流量和化学反应的效率，因此应尽量减少横向流道16的数量。
本发明，将现有技术一个冷却水流入口转换为左右两个，因此每个流入口面积变小，也经常在双极板总高度不变的基础上流入口的宽度变小，因此占用横向流道16的数量会减少，相对原先Z形流道的纵向流道长度会变长，相对提高反应效果和效率。
双极板10顶面的冷却水流场与位于其上方的双极板9底面的冷却水流场构成用于冷却水通过的冷却水腔体，双极板10底面的气体流场与位于其下方的双极板15顶面的气体流场构成用于气体通过的腔体，该腔体由膜电极11分隔为氢气流道12和氧气腔体13。
此时的冷却水腔体具有若干相互独立的纵向流道14(本实施例中的纵向指的是图3中的左右方向)，为了将冷却水输送至冷却水腔体内所有的纵向流道14，需要在冷却水流场8的两端设置若干由凹槽7构成的横向流道16(本实施例中的横向指的是图3中的上下方向)。参见图4，冷却水进入冷却水入口3后，沿着横向流道16流至冷却水腔体的一端，然后沿着纵向流道14到达冷却水腔体的另一端，最后冷却水腔体另一端的纵向流道16流出冷却水出口4。
若采用如图2所示的单冷却水入口和冷却水出口结构，不但需要在双极板上设计较多的纵向流道，由于冷却水腔体中的冷却水会倾向于走较短路径，导致存在死角，即图2中所示的A区和B区。另外，由于纵向流道16是设置在双极板一面上的凹槽7，其势必会增大双极板另一面的气体流阻，影响气体流道的氢气或氧气的流通，进而影响两者的反应。
而采用本发明图3所示的双冷却水入口和冷却水出口结构，由于一组两个冷却水入口的连线位于同一垂直于直线上，两处冷却水入口分别与纵向流道的两端连通，充分的利用了纵向流道，因此可以将纵向流道的数量和单个冷却水入口的截面积减小为图2中的一半，从而减小了对双极板另一面气体的流阻影响。另外，由于在原来的A区和B区处设置了冷却水入口和冷却水出口，从而消除了冷却死角，提升了冷却效率。
由于在双极板的两端设置了两组冷却水出口和冷却水出口，冷却水的进水效率更高，冷却水在流经冷却水流场的速度很快，冷却水流经的路径更短，冷却效果好。
经实验表明，将冷却水入口的总截面积不变的情况下，采用本发明所述的双冷却水入口的设计，其冷却性能要比单冷却水入口的冷却性能高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种用于氢燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板、以及位于所述双极板上的冷却水流场，其特征在于：在所述冷却水流场一端的两侧分别设有一冷却水入口，在所述冷却水流场一端的两侧设有一冷却水出口。
2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于：在所述双极板一端设有氢气出口和空气入口，在双极板另一端设有氢气入口和空气出口，所述冷却水入口位于所述双极板的氢气出口和空气入口的所在端的两侧，所述冷却水出口位于所述双极板氢气入口和空气出口的所在端的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的用于氢燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于：两处冷却水入口对称设置在双极板氢气出口和空气入口所在端的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的用于氢燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于：两处冷却水出口对称设置在双极板氢气入口和空气出口所在端的两侧。
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