CN108110276B - 一种燃料电池用散热双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池用散热双极板，属于热控领域。所述散热双极板包括氧板和氢板，所述氧板和氢板扣合形成中空结构，用于储存相变介质以通过相变散热，所述氧板和氢板均包括工作部和冷却部，所述氧板的工作部的外表面设有氧气分布流道，所述氢板的工作部外表面设有氢气分布流道，所述冷却部外表面设有绝缘涂层，可用于向外界散热，所述中空结构中设有相变介质流道。本发明通过相变介质自循环冷却，避免了循环水冷却造成的结构复杂、可靠性低等问题，提高了系统的可靠性。

Description

一种燃料电池用散热双极板
技术领域
本发明属于热控领域，具体用途涉及一种燃料电池用散热双极板。
背景技术
双极板是燃料电池电堆的重要组成部分，其主要作用是为燃料及氧化剂提供气体分配槽道、隔绝氧化剂及燃料、传递电化学反应过程中的热量，其中常规的双极板通常包括氧板、氢板和冷却水散热系统，所述氧板的外表面设有氧气分布流道，所述氢板的外表面设有氢气分布流道，所述冷却水散热系统包括设置在所述氧板和氢板之间的冷却水通道，通过冷却水循环将热量带走。
冷却水散热系统还需要设置进、出水口还要有驱动冷却水循环的泵，结构复杂，且散热系统中任意部件出现故障时，均会导致循环失效，可靠性低，无法满足空间用燃料电池对轻量化、安全可靠的要求。
发明内容
本发明技术要解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种燃料电池用散热双极板，通过自循环冷却，避免了循环水冷却造成的结构复杂、可靠性低等问题，提高了系统的可靠性。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池用散热双极板，包括氧板和氢板，所述氧板和氢板扣合形成中空结构，用于储存相变介质以通过相变散热，所述氧板和氢板均包括工作部和冷却部，所述氧板的工作部的外表面设有氧气分布流道，所述氢板的工作部外表面设有氢气分布流道，所述冷却部外表面设有绝缘涂层，用于向外界散热，所述中空结构中设有相变介质流道。
在一可选实施例中，所述氧板或氢板的内表面设有多条筋条，所述筋条的高度低于所述中空结构的厚度，以形成所述相变介质流道。
在一可选实施例中，所述筋条贯穿所述工作部和所述冷却部。
在一可选实施例中，所述筋条的表面设有多条沿所述筋条长度方向延伸的微细槽道，所述微细槽道宽度为所述筋条宽度的1/50-1/10，深度为所述筋条深度1/50-1/20。
在一可选实施例中，所述氧板或氢板的内表面设有多孔材料板，所述多孔材料板的厚度低于所述中空结构的厚度，以形成所述相变介质流道。
在一可选实施例中，所述多孔材料板孔隙率为15％～85％。
在一可选实施例中，所述多孔材料板上设有多条槽道，所述槽道贯穿所述工作部和所述冷却部。
在一可选实施例中，所述相变介质为水、丙酮或乙醇。
在一可选实施例中，所述氧板的冷却部和氢板的冷却部通过夹紧部件固定，所述夹紧部件包括两个弯曲梁及两个固定件，所述弯曲梁包括交替设置的横量和V型梁，两个所述弯曲梁分别用于压紧所述氧板的冷却部和所述氢板的冷却部，两个所述固定件从两端固定压紧所述两个弯曲梁。
在一可选实施例中，所述氧气分布流道的进、出口和氢气分布流道的进、出口均位于所述工作部与冷却部的非接触面上。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明实施例提供了一种燃料电池用散热双极板，通过将氧板和氢板设置成工作部和冷却部两部分，并在氧板和氢板扣合后形成的中空结构内设置相变介质流道，在中空结构内存储相变介质，当电池工作放热时，工作部温度升高，相变介质发生相变通过相变介质流道向冷却部流动，将工作部产生的热量传递至冷却部，冷却部将热量散发至外界，相变介质在冷却部冷却后再次发生相变，在相变介质流道的毛细力作用下流回工作部，实现自循环冷却，避免了循环水冷却造成的结构复杂、可靠性低等问题，提高了系统的可靠性；
当筋条高度低于中空结构的厚度时，在筋条形成的槽道上方具有连通空腔，相变介质为液体时位于筋条形成的槽道内，当受热气化后，气态相变介质上升进入槽道上部的连通空腔内，在压力差作用下，向冷却部移动，在冷却部冷却成液体后，受槽道毛细力作用，返回工作部，进一步确保实现相变介质的自循环；
当微细槽道宽度为所述筋条宽度的1/50-1/10，深度为筋条深度的1/50-1/20时，筋条表面形成亲水毛细结构，增强结构毛细力，保证冷却部形成的液态相变介质回流；
当多孔材料板的厚度低于中空结构的厚度时，在多孔材料板上方形成连通空腔，相变介质为液体时位于多孔材料板内，当受热气化后，气态相变介质上升进入多孔材料板上部的连通空腔内，在压力作用下，向冷却部移动，在冷却部冷却成液体后，受多孔材料板毛细力作用，返回工作部，进一步确保实现相变介质的自循环，与槽道结构相比，该结构更便于加工，降低了生产成本；
当多孔材料板孔隙率为15％～85％时，筋条表面形成亲水毛细结构，增强结构毛细力，保证冷却部形成的液态相变介质回流。
附图说明
图1为本发明实施例提供的氧板外表面示意图；
图2为本发明实施例提供的氧板内表面示意图；
图3为本发明实施例提供的氢板外表面示意图；
图4为本发明实施例提供的氢板内表面示意图；
图5为本发明实施例提供的燃料电池用散热双极板侧视图；
图6为本发明实施例提供的弯曲梁结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1-5，本发明实施例提供了一种燃料电池用散热双极板，包括氧板10和氢板20，氧板10和氢板20扣合形成中空结构，用于储存相变介质以通过相变散热，氧板10包括氧板的工作部11和氧板的冷却部12，氢板20包括氢板的工作部21和氢板的冷却部22，氧板的工作部11的外表面设有氧气分布流道，氢板的工作部21外表面设有氢气分布流道，氧板的冷却部12和氢板的冷却部22外表面设有绝缘涂层，用于向外界散热，所述中空结构中设有相变介质流道。
具体地，所述冷却部可以与空气、外部散热器等接触散热。氧板的工作部和氢板的工作部结构尺寸均与膜电极尺寸相同，两侧留有密封件安装部位，该部位宽度优选10-15mm，氧板的冷却部和氢板的冷却部尺寸相同，均位于工作部的下方或上方，宽度优选30-35mm；
气体分布流道(氧气分布流道和氢气分布流道)可以为蛇形、点状或者平行气体分配流道；可以直接在板表面加工，也可以将加工好的流道贴在板表面并在板四周设计密封沟槽，本发明不做限定。
所述相变介质可以根据电池工作温度进行匹配选择，优选水、丙酮或乙醇；相变介质流道对相变介质产生毛细力。
本发明实施例提供了一种燃料电池用散热双极板，通过将氧板和氢板设置成工作部和冷却部两部分，并在氧板和氢板扣合后形成的中空结构内设置相变介质流道，在中空结构内存储相变介质，当电池工作放热时，工作部温度升高，相变介质发生相变通过相变介质流道向冷却部流动，将工作部产生的热量传递至冷却部，冷却部将热量散发至外界，相变介质在冷却部冷却后再次发生相变，在相变介质流道的毛细力作用下流回工作部，实现自循环冷却，避免了循环水冷却造成的结构复杂、可靠性低等问题，提高了系统的可靠性。
如图5所示，在一可选实施例中，氢板20的内表面设有多条筋条23，筋条23的高度低于氢板20和氧板10扣合形成的中空结构的厚度，即筋条23不与氧板10内表面接触，以形成所述相变介质流道；在其他实施例中，根据双极板工作时的放置方式，也可以将筋条置在氧板10上，本发明不做限定；多条筋条优选等间距均匀分散在氧板或氢板内表面，筋条优选贯穿工作部和冷却部，以使相变介质相变后，可以沿筋条形成的通道流动顺利进入冷却部；在其他实施例中，也可以根据工作部受热情况，设置筋条分布状态，以保证受热均匀。
当筋条高度低于中空结构的厚度时，在筋条形成的槽道上方具有连通空腔，相变介质为液体时位于筋条形成的槽道内，当受热气化后，气态相变介质上升进入槽道上部的连通空腔内，在压力作用下，向冷却部移动，在冷却部冷却成液体后，受槽道毛细力作用，返回工作部，进一步确保实现相变介质的自循环。
进一步地，筋条23的表面设有多条沿所述筋条长度方向延伸的微细槽道，所述微细槽道宽度为所述筋条宽度的1/50-1/10，深度为筋条深度的1/50-1/20。
当微细槽道宽度为所述筋条宽度的1/50-1/10，深度为筋条深度的1/50-1/20时，筋条表面形成亲水毛细结构，增强结构毛细力，保证冷却部形成的液态相变介质回流。
在另一可选实施例中，氧板10或氢板20的内表面设有多孔材料板，所述多孔材料板的厚度低于氧板10或氢板20扣合形成的中空结构的厚度，以形成所述相变介质流道。
当多孔材料板的厚度低于中空结构的厚度时，在多孔材料板上方形成连通空腔，相变介质为液体时位于多孔材料板内，当受热气化后，气态相变介质上升进入多孔材料板上部的连通空腔内，在压力作用下，向冷却部移动，在冷却部冷却成液体后，受多孔材料板毛细力作用，返回工作部，进一步确保实现相变介质的自循环，与槽道结构相比，该结构更便于加工，降低了生产成本。
进一步地，所述多孔材料板孔隙率优选15％～85％。当多孔材料板孔隙率为15％～85％时，筋条表面形成亲水毛细结构，增强结构毛细力，保证冷却部形成的液态相变介质回流。
进一步地，所述多孔材料板上设有多条槽道，所述槽道贯穿所述工作部和所述冷却部。通过在多孔材料板上设置槽道，使多孔材料板上形成液体回流通道，降低了液体回流流阻，进一步提高了系统循环能力。
进一步地，氧板10和氢板20两侧通过螺钉、螺栓等固定安装，氧板的冷却部12和氢板的冷却部22通过夹紧部件固定，所述夹紧部件包括两个弯曲梁3(如图6所示)及两个固定件，弯曲梁3包括交替设置的横量和V型梁，两个所述弯曲梁分别用于压紧所述氧板的冷却部和所述氢板的冷却部，两个所述固定件从两端固定压紧所述两个弯曲梁。
通过在弯曲梁上设置V型梁端，能够将弯曲梁两侧压紧力传递至氧板和氢板内部，确保冷却部的密封，防止气体或液体泄漏，保证电堆的密封漏率小于1x10-6Pam3/s。。
参见图1-4，氧气分布流道进口13、氧气分布流道出口14、氢气分布流道进口24及氢气分布流道出口25均位于工作部与冷却部的非接触面上。
通过将氢气和氧气进、出口设置在工作部与冷却部的非接触面上，避免了进、出气口与冷却部散热部件发生干涉。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池用散热双极板，其特征在于，包括氧板和氢板，所述氧板和氢板扣合形成中空结构，用于储存相变介质以通过相变散热，所述氧板和氢板均包括工作部和冷却部，所述氧板的工作部的外表面设有氧气分布流道，所述氢板的工作部外表面设有氢气分布流道，所述冷却部外表面设有绝缘涂层，用于向外界散热，所述中空结构中设有相变介质流道；
所述氧板或氢板的内表面设有多孔材料板，所述多孔材料板的厚度低于所述中空结构的厚度，以形成所述相变介质流道，多孔材料板孔隙率为15％～85％；
所述多孔材料板上设有多条槽道，所述槽道贯穿所述工作部和所述冷却部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述氧板或氢板的内表面设有多条筋条，所述筋条的高度低于所述中空结构的厚度，以形成所述相变介质流道。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述筋条贯穿所述工作部和所述冷却部。
4.根据权利要求2所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述筋条的表面设有多条沿所述筋条长度方向延伸的微细槽道，所述微细槽道宽度为所述筋条宽度的1/50-1/10，深度为所述筋条深度1/50-1/20。
5.根据权利要求1所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述相变介质为水、丙酮或乙醇。
6.根据权利要求1所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述氧板的冷却部和氢板的冷却部通过夹紧部件固定，所述夹紧部件包括两个弯曲梁及两个固定件，所述弯曲梁包括交替设置的横梁和V型梁，两个所述弯曲梁分别用于压紧所述氧板的冷却部和所述氢板的冷却部，两个所述固定件从两端固定压紧所述两个弯曲梁。
7.根据权利要求1所述的燃料电池用散热双极板，其特征在于，所述氧气分布流道的进、出口和氢气分布流道的进、出口均位于所述工作部与冷却部的非接触面上。
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