CN107919485B - 一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统 - Google Patents

一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统。该燃料电池冷却组件结构较为稳固，密封性较好，且制备工艺简单，能够避免由于冲压、焊接工艺所带来的材料物性变化，防腐性能下降等问题，可提高燃料电池的性能和寿命，有利于燃料电池的批量化生产。本发明实施例提供一种燃料电池冷却组件，包括：层叠设置的至少两个基板，相邻的两个基板之间设置有用于形成冷却介质流场的第一结构层，所述第一结构层由第一导电浆料固化形成，各个所述基板由所述第一结构层连接为一体结构。本发明实施例用于燃料电池的制备与生产。

Description

一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池的发电单元简称为电堆，其主要组成部分有双极板、膜电极、集流板、端板和冷却组件。其中，冷却组件对燃料电池的水热管理和其性能具有非常重要的影响。当反应气体为氢气和空气时，燃料电池工作时产生水和大量的热，电堆的温度过高会造成质子交换膜脱水，从而会降低质子交换膜的质子传导率，甚至造成膜电极的损坏；而温度过低催化剂达不到最佳活性，而若温度分布不均则会对电堆的寿命产生影响。因此，通过设置冷却组件，通过通入冷却液可以将燃料电池工作产生的热带走，还可以在启动时对燃料电池进行加热，使得燃料电池在一个相对稳定的温度范围内工作，对提高燃料电池的工作性能与电堆的使用寿命具有非常重要的意义。
目前，质子交换膜燃料电池主要分为石墨堆和金属堆。石墨堆中冷却组件通常由两片刻有流道的石墨板通过密封圈施加压力后形成的冷却介质流路构成。由于石墨堆中的冷却组件通过端板的装配力组装而成，在实际应用中，装配力的变化直接影响冷却介质流路的密封性。金属堆中的冷却组件则是采用金属薄板冲压、激光焊接的方式形成流道，并且还需要在所形成的流道结构上镀防腐膜，这样形成的冷却组件至少存在以下缺陷：在对金属薄板冲压和焊接过程中容易对金属薄板本身的结构产生破坏，如起皱、局部变薄、破裂、应力回弹等，对金属材料和制造工艺的要求较高，且该金属堆通过端板的压力进行组装，会使金属薄板发生形变，加之冲压、焊接产生的回弹应力，可使金属冲压处或焊接处的膜裂开而发生腐蚀，不利于提高燃料电池的性能和寿命。
发明内容
本发明的实施例提供一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统，该燃料电池冷却组件结构较为稳固，密封性较好，且制备工艺简单，能够避免由于冲压、焊接工艺所带来的材料物性变化，防腐性能下降等问题，可提高燃料电池的性能和寿命，有利于燃料电池的批量化生产。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种燃料电池冷却组件，包括：
层叠设置的至少两个基板，相邻的两个基板之间设置有用于形成冷却介质流场的第一结构层，所述第一结构层由第一导电浆料固化形成，各个所述基板由所述第一结构层连接为一体结构。
可选的，最外层基板中的至少一个基板背向所述第一结构层的一侧还设置有用于形成反应气体流场的第二结构层。
可选的，所述第二结构层由第二导电浆料固化形成。
可选的，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料均为方阻小于等于20的碳浆、银浆或者碳浆和银浆的混合浆料。
可选的，所述第一结构层包括用于形成冷却介质流道的镂空结构以及设置在所述镂空结构周围的实体结构，所述镂空结构和所述实体结构均由所述第一导电浆料固化形成。
可选的，所述第一结构层和所述第二结构层均通过印刷、喷涂、打印或者模具灌浆的方法形成。
可选的，所述镂空结构为纺锤形、蛇形、辐射状、直通形、十字交叉形和网格形中的一种或两种以上的组合结构。
可选的，所述镂空结构由形成所述冷却介质流道的至少两条流道肋间隔排列构成。
可选的，所述流道肋的高度为0.1mm-5mm，所述流道肋的宽度大于等于0.005mm，所述流道肋的肋间距大于等于0.005mm。
另一方面，本发明实施例提供一种燃料电池系统，包括阳极板和阴极板，以及夹设于所述阳极板和阴极板之间的膜电极；
其中，所述阳极板和所述阴极板中的至少一个选自如上所述的燃料电池冷却组件。
本发明实施例提供一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统，通过设置至少两个基板，并在相邻的两个基板之间设置用于形成冷却介质流场的第一结构层，由于该第一结构层由第一导电浆料固化形成，且各个所述基板由所述第一结构层连接为一体结构，与现有技术中石墨堆在形成冷却介质流道时，需要在端板的压力下通过密封圈进行组装相比，结构较为稳固，密封性好，并且能够避免现有技术中采用冲压、焊接的方式形成冷却介质流道所带来的材料物性破坏，防腐性能下降等问题，制备工艺简单，可提高燃料电池的性能和寿命，有利于燃料电池的批量化生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池冷却组件的截面剖视图；
图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池冷却组件的截面剖视图；
图3为本发明实施例提供的再一种燃料电池冷却组件的截面剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种燃料电池冷却组件的立体图；
图5为本发明实施例提供的基于图4的燃料电池冷却组件的局部放大图；
图6为本发明实施例提供的基于图5的Q区域的放大图；
图7为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的再一种燃料电池系统的结构示意图；
其中，基板-1；第一结构层-2；第二结构层-3；冷却介质流道-21，形成冷却介质流道的镂空结构-22，镂空结构22周围的实体结构-23；反应气体流道-31；形成反应气体流道的镂空结构-32；镂空结构32周围的实体结构-33；冷却介质入口-4；冷却介质出口-5；反应气体入口-6；反应气体出口-7；流道肋-221；流道肋的高度-h；流道肋的宽度-w，流道肋的肋间距-d；阳极板-01；阴极板-02；膜电极-03；催化剂层-04，气体扩散层-05。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种燃料电池冷却组件及燃料电池系统进行详细描述。
一方面，本发明实施例提供一种燃料电池冷却组件，参见图1，包括：
层叠设置的至少两个基板1，相邻的两个基板1之间设置有用于形成冷却介质流场的第一结构层2，所述第一结构层2由第一导电浆料固化形成，各个所述基板1由所述第一结构层2连接为一体结构。
本发明实施例提供一种燃料电池冷却组件，通过设置至少两个基板1，并在相邻的两个基板1之间设置用于形成冷却介质流场2的第一结构层3，由于该第一结构层3由第一导电浆料固化形成，且各个所述基板1由所述第一结构层3连接为一体结构，与现有技术中石墨堆在形成冷却介质流道时，需要在端板的压力下通过密封圈进行组装相比，结构较为稳固，密封性好，并且能够避免现有技术中采用冲压、焊接的方式形成冷却介质流道所带来的材料物性破坏，防腐性能下降等问题，制备工艺简单，可提高燃料电池的性能和寿命，有利于燃料电池的批量化生产。
其中，所述基板1可以为石墨板、金属板或复合板。
本发明的一优选实施例中，所述基板1为金属板。制作成本较低，强度较高，易于加工成型。
为了提高所述金属板的防腐性能，进一步优选的，所述金属板为镀碳金属板、镀金金属板或复合金属板。
需要说明的是，在兼顾材料的导电性和燃料电池的比功率密度的前提下，所述金属板的厚度越小越好，而考虑到金属板的加工工艺以及强度，优选所述金属板的厚度为0.05-2mm。
进一步优选的，所述金属板的厚度为0.1mm。
本发明的一实施例中，参见图2、图3与图4，最外层基板1中的至少一个基板1背向所述第一结构层2的一侧还设置有用于形成反应气体流场的第二结构层3。能够获得集冷却介质流场和反应气体流场于一体的冷却组件，可作为双极板直接用于燃料电池。
优选的，所述第二结构层3由第二导电浆料固化形成。通过固化形成第二结构层3，与所述第一结构层2类似，能够防止采用充压、焊接方式形成流道所带来的材料物性破坏，防腐性能下降等问题。
本发明的又一实施例中，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料均为方阻小于等于20Ω的碳浆、银浆或者碳浆和银浆的混合浆料。浆料的方阻过大造成燃料电池工作时功率损耗增大，方阻越小效率越高。
其中，对所述第一结构层2的具体结构不做限定，只要能够形成冷却介质流场即可。
本发明的一实施例中，参见图5和图6，所述第一结构层2包括用于形成冷却介质流道21的镂空结构22以及设置在所述镂空结构22周围的实体结构23，所述镂空结构22和所述实体结构23均由所述第一导电浆料固化形成。
在本发明实施例中，通过设置镂空结构22，相邻的两个基板1与所述镂空结构22连接可形成冷却介质流道21，而在所述镂空结构22的周围设置由第一导电浆料固化形成的实体结构23，能够降低相邻的两个基板1之间的电阻，并且能够提高第一结构层2连接的结构强度。
其中，所述第二结构层3与所述第一结构层2类似，也可以包括用于形成反应气体流道31的镂空结构32以及设置在所述镂空结构32周围的实体结构33，所述用于形成反应气体流道31的镂空结构32和所述实体结构33可以均由第二导电浆料固化形成。这样一来，在将所述燃料电池冷却组件用于燃料电池时，同样能够降低基板1之间的电阻，提高第二结构层3连接的结构强度。
本发明的又一实施例中，参见图4和图5，所述冷却介质流道21还包括与外界连通的冷却介质入口4和冷却介质出口5。可以通过在所述第一结构层2两侧的任意一个基板1上开设通孔将所述冷却介质入口4和所述冷却介质出口5分别与外界连通。
同样地，所述反应气体流道31还包括与外界连通的反应气体入口6和反应气体出口7，也可以通过在所述第二结构层3上层的基板和第一结构层2上开设通孔将所述反应气体入口6和所述反应气体出口7分别与外界连通。
其中，所述反应气体流场可以为燃料气流场，也可以为空气或氧气流道，当最外层基板中的两个基板1背向所述冷却介质流场的一侧均设置有用于形成反应气体流场的第二结构层3时，这两个基板外侧的反应气体流场可以一个为燃料气流场，另一个为空气或氧气流场。
本发明的又一实施例中，所述第一结构层2和所述第二结构层3均通过印刷、喷涂、打印或者模具灌浆的方法形成。
示例性的，当所述第一结构层2包括形成冷却介质流道21的镂空结构22以及设置在所述镂空结构22周围的实体结构23时，可以分别在两个基板1的表面印刷镂空结构22和实体结构23，再将两个基板1上印刷有镂空结构22和实体结构323的一侧对置并在压力作用下粘结固化形成，也可以根据所述第一结构层2的结构来制作模具，再通过模具灌浆的方法在两个基板1之间形成所述第一结构层2。类似地，所述第二结构层3也可以通过上述方法制备获得，在此不再赘述。
其中，对所述镂空结构22的具体形状不做限定，只要能够形成所需要的冷却介质流道21即可。
示例性的，所述镂空结构22可以为纺锤形、蛇形、辐射状、直通形、十字交叉形和网格形中的一种或两种以上的组合结构。
优选的，所述镂空结构22为纺锤形，通过将镂空结构22设置为纺锤形，与镂空结构22为直线形相比，所形成的冷却介质流道21的进出口面积较小，可起到分流和汇流的作用，从而能够减小冷却介质流道21的压降，使得冷却介质分布较为均匀，并且纺锤形的结构强度较好。
其中，对所述镂空结构22的具体组成不做限定，参见图1、图2和图3，所述镂空结构22可以由形成所述冷却介质流道21的至少两条流道肋221间隔排列构成。
本发明的又一实施例中，参见图1、图2和图3，所述流道肋221的高度h为0.1mm-5mm，所述流道肋221的宽度w大于等于0.005mm，所述流道肋221的肋间距d大于等于0.005mm。
考虑到浆料固化后镂空结构22的硬度，以及流道肋221的高度h和宽度w之间的相互制约关系，优选的，所述流道肋221的高度h和宽度w满足高度h/宽度w小于等于3。
优选的，所述流道肋221的高度h/宽度w为1.5。
另一方面，本发明实施例提供一种燃料电池系统，参见图7与图8，包括阳极板01和阴极板02，以及夹设于所述阳极板01和阴极板02之间的膜电极03；
其中，所述阳极板01和所述阴极板02中的至少一个选自如上所述的燃料电池冷却组件。
其中，图7示出了阳极板01和阴极板02既设置有冷却介质流场又设置有反应气体流场的结构，图8示出了阳极板01仅设置有冷却介质流场，而阴极板02既设置有冷却介质流场又设置有反应气体流场的结构。
本发明实施例提供一种燃料电池系统，通过采用如上所述的燃料电池冷却组件04作为阳极板01或/和阴极板02，在燃料电池工作时，能够带走燃料电池工作时产生的热量，并能够在启动时对燃料电池进行加热，提高催化剂的催化活性。并且，该燃料电池冷却组件为由至少两个基板以及形成冷却介质流场的第一结构层形成的一体结构，与现有技术中石墨堆在形成冷却介质流道时，需要在端板的压力下通过密封圈进行组装相比，结构较为稳固，密封性好，并且能够避免现有技术中采用冲压、焊接的方式形成冷却介质流道所带来的材料物性破坏，防腐性能下降等问题，制备工艺简单，可提高燃料电池的性能和寿命，有利于燃料电池的批量化生产。
其中，参见图9和图10，所述膜电极03与所述阳极板01和阴极板02之间还夹设有催化剂层04和气体扩散层05，其中，所述催化剂层04和所述气体扩散层05沿远离所述膜电极03的方向依次排列。
其中，图9示出了阳极板01和阴极板02既设置有冷却介质流场又设置有反应气体流场的结构，图8示出了阳极板01仅设置有冷却介质流场，而阴极板02既设置有冷却介质流场又设置有反应气体流场的结构。
还需要说明的是，在实际应用中，在层叠设置的阴极板02和阳极板01的两侧，通常还组装有集流板和端板等，关于本发明实施例的燃料电池系统的其他构成等已为本领域的技术人员所熟知，在此不再详细说明。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种燃料电池冷却组件，其特征在于，包括：层叠设置的至少两个基板，相邻的两个基板之间仅设置有用于形成冷却介质流场的第一结构层，所述第一结构层包括用于形成冷却介质流道的镂空结构以及设置在所述镂空结构周围的实体结构，所述镂空结构和所述实体结构均由第一导电浆料固化形成，各个所述基板由所述第一结构层连接为一体结构；
最外层基板中的至少一个基板背向所述第一结构层的一侧还设置有用于形成反应气体流场的第二结构层；
所述镂空结构由形成所述冷却介质流道的至少两条流道肋间隔排列构成；
所述流道肋的高度为0.1mm-5mm，所述流道肋的宽度大于等于0.005mm，所述流道肋的肋间距大于等于0.005mm。
2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却组件，其特征在于，所述第二结构层由第二导电浆料固化形成。
3.根据权利要求2所述的燃料电池冷却组件，其特征在于，所述第一导电浆料和所述第二导电浆料均为方阻小于等于20的碳浆、银浆或者碳浆和银浆的混合浆料。
4.根据权利要求2所述的燃料电池冷却组件，其特征在于，所述第一结构层和所述第二结构层均通过印刷、喷涂、打印或者模具灌浆的方法形成。
5.根据权利要求1所述的燃料电池冷却组件，其特征在于，所述镂空结构为纺锤形、蛇形、辐射状、直通形、十字交叉形和网格形中的一种或两种以上的组合结构。
6.一种燃料电池系统，其特征在于，包括阳极板和阴极板，以及夹设于所述阳极板和阴极板之间的膜电极； 其中，所述阳极板和所述阴极板中的至少一个选自如权利要求1-5任一项所述的燃料电池冷却组件。
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