CN107123820B - 新型燃料电池堆冷却水流道板及其电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种新型燃料电池堆冷却水流道板及其电池组。包括水流道板，所述水流道板的左侧依次设有氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔，与所述氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔对应的水流道板的右侧分别设有氢气输出总通道孔和空气输出总通道孔；所述水流道板的上部设置有入口并联流道，下部设置有出口并联流道，所述入口并联流道和出口并联流道分别与设置在水流道板内的分水流道及水流道相连通，所述分水流道与所述水流道之间设置有第一分流圆柱。本发明所提出的燃料电池冷却水流道及设置方法可以更为有效地将电化学反应中的产生的多余热量带走，进而提升燃料电池的发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种新型燃料电池堆冷却水流道板及其电池组。
背景技术
燃料电池是一种可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的电化学装置。质子交换膜燃料电池是属于低温燃料电池,工作温度一般在40-80℃，其能量转化效率较高(40％-60％)，环境友好性强,具有噪声低,启动快,无腐蚀,制备容易和使用寿命长等优点。
燃料电池工作时,氢气或其他燃料输入到阳极,并在电极和电解质的界面上发生氢气或其他燃料氧化与氧气还原的电化学反应,产生电流,输出电能。电化学反应过程中会产生化学反应热，使燃料电池内部升温，而温度又会影响到燃料电池的发电效率；为了使燃料电池维持在高效发电的温度范围内，需要采用冷却工质降低膜电极组件的温度。如何设计水流道,使其冷却效果好且效率提高是目前的热点问题。目前,水流道一般设置为蛇形流道，换热效果随着水流方向逐渐减弱。“质子交换膜燃料电池的金属复合双极板”CN1416184A在氢、氧流场板上加工出沟槽式流道，冷却液流场则是在阳极单极板和阴极单极板组合后形成，没有设置单独的冷却液流场，且双极板组件相对较厚且较重，影响了燃料电池堆的重量和容积效率。“一种质子交换膜燃料电池金属双极板”CN101572318将阴极单极板分配区上每个凸台背面的凹坑与阳极单极板分配区上的凸台背面的凹坑呈交错排列,凹坑与凹坑相对搭接的部分构成连续串联的水流分配流道,此外，再加上两片单极板平行流道部分的背面沟槽，组成完整的水流流道；但是由于这种水流流道的构建方法需要特殊设计的气体分配区和气体流场类型,制约了其应用范围。“燃料电池堆水流道”CN106207223A提出了燃料电池堆水流道由多个流道并联相通,水流进入电堆经过进口进行分流后同时从多个流道流通,并从出口流出，其整个水路都是电池堆的冷却系统；但是水从同侧流入流出，存在异程水力失调的可能性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种新型燃料电池堆冷却水流道板及其电池组，解决通常状态下单进单出的水流道水冷达不到冷却要求的问题、并解决异程输水可能导致的水力失调问题。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种新型燃料电池堆冷却水流道板，其特征在于：包括水流道板，所述水流道板的四周分布有紧固螺栓以及相应的螺栓座，所述水流道板的左侧依次设有氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔，与所述氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔对应的水流道板的右侧分别设有氢气输出总通道孔和空气输出总通道孔；所述水流道板的上部设置有入口并联流道，下部设置有出口并联流道，所述入口并联流道和出口并联流道分别与设置在水流道板内的分水流道及水流道相连通，每一个入口并联流道和出口并联流道分别连接4～8道分水流道，所述分水流道与所述水流道之间设置有第一分流圆柱。
优选地，所述氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔的一侧分别设置有分流挡板和第二分流圆柱。
优选地，所述水流道深度为0.8mm～1.5mm。
一种新型燃料电池组，其特征在于：该电池组包括所述的冷却水流道板，与氢极板、质子交换膜及氧极板进行叠放组合成电池组，通过紧固螺栓进行连接，燃料电池组最外侧分别为氢极板封装板和氧极板封装板，用以封装整体燃料电池组。
优选地，所述电池组的叠放顺序为氢极板、质子交换膜、氧极板、冷却水流道板、氢极板、质子交换膜、氧极板，依次叠加，最外侧由氢极板封装板和氧极板封装板进行封装。
本发明的有益效果是:燃料电池冷却水流道由多个流道并联相通,水流通过分水器进入各进口并联流道，通过进口并联流道分流后进入水流道板，进而进行进一步分流，再同时从多个出口并联流道流出，最终汇集至异侧集水器。本方案单独设置了冷却水流场，燃料电池的安全运行得到了进一步的提升；本方案提出的水流道形式可以与不同形式的金属双极板进行组合，应用范围较广；本方案设置多通道并联水流道，解决了通常状态下单进单出的水流道水冷达不到冷却要求的情况；本方案设置同程水流道，解决了水流道内异程水力失调的问题，使每条水流道内充满水。总而言之，本发明所提出的燃料电池冷却水流道及设置方法可以更为有效地将电化学反应中的产生的多余热量带走，进而提升燃料电池的发电效率。
附图说明
图1为燃料电池冷却水水流道板平面图；
图2为燃料电池组轴示示意图；
图3为燃料电池冷却水流道流程图；
图4为燃料电池冷却水流道轴示示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明所提出的燃料电池冷却水流道，水流通道包括体积为0.064m3～0.125m3、敷设保温材料的分水器，水力直径为20mm～30mm的入口并联流道，水利直径为0.8mm～1.5mm的水流道板内水流道，水力直径为20mm～30mm的出口并联流道，及体积为0.064m3～0.125m3、敷设保温材料的集水器。
燃料电池冷却水流道板，如图1所示，采用石墨材料开模制成，板厚度为3mm～5mm，形成的板内水流道深度为0.8mm～1.5mm，流道总数为120～150。水流道板框架2尺寸：宽：155mm～175mm；长：355mm～375mm。水流道板包括14个紧固螺栓1及相应的螺栓座6，螺栓距离为50mm～80mm。水流道板上分布设置氢气输入总通道孔5，氢气输出总通道孔13，空气输入总通道孔7，空气输出总通道孔12；其中，为了使气体均匀地进行输配，输入总通道孔处设置分流挡板3及分流圆柱4。水流道板上部设置入口并联流道8，与水流道板内分水流道及水流道14相连接；每一个入口并联流道8连接4～8道分水流道。为了使水均匀地进入水流道板，且更均匀地与燃料电池双极板进行换热，设置水道分流圆柱9；冷却水绕过水道分流圆柱9后形成15～20道水流道14；水在流道内向下流动，绕过水道分流圆柱9后，进入出口并联流道10。
如图2所示，本发明提出的燃料电池冷却水流道板15可作为燃料电池组的一部分，与氢极板16、质子交换膜17及氧极板空气极板18进行叠放组合，通过紧固螺栓图1:1进行连接。燃料电池组最外侧分别为氢极板封装板19和氧极板空气极板封装板20，用以封装整体燃料电池组。燃料电池组内部可由多组氢极板16、质子交换膜17、氧极板空气极板18及冷却水流道板15组成，一般组合顺序为氢极板16、质子交换膜17、氧极板空气极板18、冷却水流道板15、氢极板16、质子交换膜17、氧极板空气极板18、冷却水流道板15、氢极板16、质子交换膜17、氧极板空气极板18……，即冷却水流道板15两侧为氢极板16和氧极板空气极板18，其内的冷却水可以与双极板进行充分的换热，提高燃料电池组发电效率。
如图3所示，燃料电池组循环冷却水或开式冷却水在水泵的作用下，通过分水器图4:23进行各个入口并联流道8，每经过一块燃料电池冷却水流道板，就有一部分冷却水经水道分流圆柱图1：9进入水流道14，充分换热后流入出口并联流道10，最终流入集水器图4:24。由于循环冷却水或开式冷却水通过的每一条水道分水器——某支入口并联流道——对应某几道水流道——对应某支出口并联流道——集水器的路径长度是相同的，解决了异程水力失调问题，使每条水道内均充满水，且流速基本相同，进而使冷却水与双极板各处的换热更加均匀，使冷却水与双极板的换热更加充分，提升换热能力，最终达到提高燃料电池组发电效率的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种新型燃料电池堆冷却水流道板，其特征在于：包括水流道板，所述水流道板的四周分布有紧固螺栓以及相应的螺栓座，所述水流道板的左侧依次设有氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔，与所述氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔对应的水流道板的右侧分别设有氢气输出总通道孔和空气输出总通道孔；所述水流道板的上部设置有入口并联流道，下部设置有出口并联流道，所述入口并联流道和出口并联流道分别与设置在水流道板内的分水流道及水流道相连通，每一个入口并联流道和出口并联流道分别连接4～8道分水流道，所述分水流道与所述水流道之间设置有第一分流圆柱；所述氢气输入总通道孔和空气输入总通道孔的一侧分别设置有分流挡板和第二分流圆柱；所述水流道深度为0.8mm～1.5mm；设置同程水流道，解决了水流道内异程水力失调的问题，使每条水流道内充满水。
2.一种新型燃料电池组，其特征在于：该电池组包括权利1内所述的冷却水流道板，与氢极板、质子交换膜及氧极板进行叠放组合成电池组，通过紧固螺栓进行连接，燃料电池组最外侧分别为氢极板封装板和氧极板封装板，用以封装整体燃料电池组；所述电池组的叠放顺为氢极板、质子交换膜、氧极板、冷却水流道板、氢极板、质子交换膜、氧极板，依次叠加，最外侧由氢极板封装板和氧极板封装板进行封装。
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