CN108134110A - 燃料电池双极板及其燃料电池，及风冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池双极板，包括板体和设置于所述板体中且贯穿板体的冷却流道，板体两面还设有封闭的供流体流通的流体流道。本发明封闭的流体流道可避免现有技术中阴极流体流道敞开，造成阴极气体气压不足，影响燃料电池的性能的问题。在板体中直接贯穿设置冷却流道，简化了水冷系统中冷却流道的结构设计，为燃料电池单体的安装带来很大便利。本发明提供的燃料电池双极板，结构简单、安装方便、冷却效果好且能很好的保证燃料电池的性能，具有很强的实用性和经济性。本发明还提供一种燃料电池和一种燃料电池风冷系统。

Description

燃料电池双极板及其燃料电池，及风冷系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板和风冷系统。

背景技术

燃料电池是一种将氢气等燃料和氧气或者空气中的氧气等氧化剂的能量通过电化学反应直接转化为电能的清洁高效的发电装置，具有发电效率高、清洁无污染等优点，应用领域多，应用前景广。使用质子交换膜做介质的燃料电池一般工作温度在80℃以下，因而必须考虑散热的问题。

目前，燃料电池主要采用风冷和水冷两种不同结构的冷却方式。风冷型燃料电池系统通过敞开阴极的方式进行冷却，双极板的阴极侧留有多条孔道，由散热风扇强制气流通过孔道，散热的同时也为阴极提供参与反应的氧化剂。风冷型的燃料电池系统结构简单，但其阴极侧敞开，阴极气压较低，存在电堆性能较低的缺点。水冷型燃料电池冷却系统在各个单电池间增加水冷散热板，通过冷却水泵驱动冷却水循环散热。采用水冷型冷却系统的燃料电池，由于其参与反应的氢气、空气等气体分别通过各自封闭的流道进入电堆进行反应，反应气体具有相对较高压力，因而性能相对于风冷结构较高。但水冷结构的电堆结构复杂，电堆内需要增设水冷散热板，电堆外需要增设水冷系统，水冷系统一般包括冷却水泵、冷却器和冷却水箱，冷却器一般会包含散热片及冷却风扇，冷却水泵和冷却风扇都要消耗一定的能量，存在结构复杂、笨重且功耗大的缺点。

因此，亟需一种结构简单、耗能低、冷却效果好且能保证燃料电池电堆性能的冷却系统。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种结构简单、便于装配且冷却效果好的燃料电池双极板。

本发明的目的之二在于提供一种燃料电池。

本发明的目的之三在于提供一种结构简单、能耗低且能保证燃料电池电堆性能的燃料电池风冷系统。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池双极板，包括板体和设置于所述板体中且贯穿所述板体的冷却流道，所述板体两面还设有封闭的供流体流通的流体流道。

较佳地，所述流体流道呈多通道蛇形。蛇形流道便于燃料电池内部气体在双极板上的均匀分布，多通道可以提高燃料电池内气体的传质效率，两者配合，可避免流体流道内由于局部气体密度过大，反应过快，导致双极板局部温度过高的问题。

较佳地，所述板体包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板和所述阴极流场板粘合呈一整体。所述流体流道包含燃料流道和氧化剂流道。所述阳极流场板正面设有所述燃料流道，所述阳极流场板背面与所述阴极流场板的背面粘合，所述阴极流场板的正面设有所述氧化剂流道。

较佳地，所述阳极流场板设有与所述燃料流道连通的燃料进口与燃料出口，所述阴极流场板设有与所述氧化剂连通的氧化剂进口和氧化剂出口。

较佳地，所述阳极流场板正面还设有密封所述燃料流道的阳极密封件，所述阴极流场板正面还设有密封所述氧化剂流道的阴极密封件。阳极密封件和阴极密封件分别将燃料气体和氧化剂密封在燃料流道和氧化剂流道内，防止燃料气体和氧化剂的泄漏，更好地将燃料气体和氧化剂分隔在双极板的两侧，保证燃料电池的反应效率。

较佳地，所述阳极流场板和所述阴极流场板背面镀有金属层。双极板在燃料电池中起着连通各个燃料电池单体的连接作用，需具有很强的导电性能。在阳极流场板和阴极流场板的接触处，即阳极流场板和阴极流场板的背面镀金属层，可很大幅度的提高双极板的导电性能，增强双极板传递电流和收集电流的能力，从而提高燃料电池的整体性能。

较佳地，所述冷却流道设置于所述阳极流场板与所述阴极流场板的粘合处。在阳极流场板与阴极流场板的粘合处设置冷却流道，可实现对阳极流场板和阴极流场板的同时冷却。

较佳地，所述冷却流道设置于所述阳极流场板的背面。

较佳地，所述冷却流道设置于所述阴极流场板的背面。

较佳地，所述冷却流道为开放式流道，所述开放式流道由多个平行凹槽组成。将冷却流道设有开放式流道，一方面简化了冷却流道结构，另一方面，开放式流道可增大冷风通过冷却流道的流量，增强冷却效果。

本发明还提供一种燃料电池，包含端板、集流板、膜电极和上述双极板，所述双极板设置于所述膜电极两侧。

本发明还提供一种燃料电池风冷系统，用于对上述燃料电池进行冷却，包括：供给所述燃料电池燃料的燃料供给系统、供给所述燃料电池氧化剂的氧化剂供给系统、和用于冷却所述燃料电池的风冷装置，所述风冷装置藉由所述冷却流道对所述燃料电池进行冷却。

风冷装置产生的气体流量穿过位于双极板板体中间的冷却流道，对双极板进行冷却，燃料供给系统的燃料、氧化剂供给系统的氧化剂分别在燃料电池双极板板体两侧的封闭的流体流道内流通，相比普通的风冷系统，本发明提供的燃料电池风冷系统，氧化剂的流体流道是封闭的，可以保证氧化剂在流体流道内的压力，提高风冷型燃料电池的性能。其次，相比现有的水冷系统，本发明提供的燃料电池风冷系统，只需通过风冷装置和双极板上的冷却流道，就可完成对燃料电池的冷却，其结构简单、装配方便、耗能低、且冷却效果好，具有较强的实用性和经济性。总之，本发明提供的燃料电池风冷系统，既克服了现有技术中风冷系统阴极敞开，导致燃料电池性能下降的缺点，也克服了水冷系统结构复杂，安装繁琐且耗能高的缺点，具有广泛的应用前景。

较佳地，还包括阳极排气装置和阴极排气装置，所述燃料供给系统连接所述燃料电池的阳极进气口，所述氧化剂供给系统连接所述燃料电池的阴极进气口，所述阳极排气装置连接所述燃料电池的阳极出气口，所述阴极排气装置连接所述燃料电池的阴极出气口。

较佳地，所述风冷装置包括散热风扇和控制单元，所述控制单元包括转速调节器和温度传感器。温度传感器测定燃料电池单体的温度，根据温度测定结果，运用转速调节器调节散热风扇的转速，以将燃料电池的温度维持在要求的温度范围内。

与现有技术相比，本发明提供的燃料电池双极板，包括板体、设置于板体中且贯穿所述板体的冷却流道和设置于板体两面的封闭的流体流道。在双极板板体中间设置冷却流道，冷却气流穿过中间的冷却流道，同时带走冷却流道两侧的热量，实现双极板板体两侧的同时冷却，可保证双极板板体两侧温度处在较低且恒定的温度范围内，为燃料电池内的反应物提供稳定安全的反应环境。在双极板板体两面设置封闭的流体流道，可以保证流体流道内较高的气体压力，与现有的风冷用双极板相比，本发明封闭的流体流道可避免现有技术中阴极流体流道敞开，造成阴极气体气压不足，影响燃料电池的性能的问题。且本发明提供的燃料电池双极板，结构简单，与现有的水冷用双极板相比，简化了冷却流道的结构设计，为燃料电池单体的安装带来很大便利。总之，本发明提供的燃料电池双极板，结构简单、安装方便、冷却效果好且能很好的保证燃料电池的性能，具有很强的实用性和经济性。

附图说明

图1为本发明燃料电池风冷系统组成装置图；

图2为本发明燃料电池风冷系统中燃料电池结构示意图；

图3为本发明燃料电池双极板结构示意图；

图4为图3中A部分的放大结构示意图；

图5为本发明燃料电池双极板阳极流场板正面视图；

图6为本发明燃料电池双极板阳极流场板背面视图；

图7为本发明燃料电池双极板阴极流场板正面视图；

图8为本发明燃料电池双极板阴极流场板背面视图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术方案、构造特征、所实现的技术效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。

如图1、图2所示，本发明提供的燃料电池风冷系统，用于燃料电池100的冷却，包括：燃料供应装置101、氧化剂供应装置102、风冷装置103、阳极排气装置104和阴极排气装置105。燃料供应装置101、氧化剂供应装置102与燃料电池100间连有减压阀、电磁阀、管路等传输燃料和氧化剂的结构。阳极排气装置104、阴极排气装置105与燃料电池100间连有背压阀和电磁阀等管路控制阀。

如图2所示，燃料电池100包括端板1、集流板2、双极板3和膜电极4，端板1包括上端板和下端板，上端板和下端板位于燃料电池100的最外侧，端板1上设有阳极进气口11、阳极出气口12、阴极进气口13和阴极出气口14。燃料供应装置101包括氢气瓶或制氢装置，氢气瓶或制氢装置产生的氢气，经由燃料供应相关阀门管路，通过阳极进气口11进入燃料电池100，在燃料电池100内进行反应，反应后多余的氢气及其他废气通过阳极出气口12，经由背压阀、电磁阀等管路控制结构通过阳极排气装置104排出，氧化剂供应装置102包括空气瓶或氧气瓶，空气瓶或氧气瓶提供的氧化剂经由氧化剂供应相关阀门管路，通过阴极进气口13进入燃料电池100，在燃料电池100内反应，反应完成后，多余的氧化剂或其他废气通过阴极出气口14，经由背压阀、电磁阀等管路控制结构通过阴极排气装置105排出。燃料供应装置101、氧化剂供应装置102、阳极排气装置104和阴极排气装置105，通过与燃料电池100相互连通，为燃料电池100提供充足的燃料和氧化剂以保证燃料电池100内气压的恒定和反应物的反应效率。

如图2至图4所示，燃料电池100包含两个集流板2，集流板2位于端板1内侧，即位于上端板与下端板之间，多个双极板3位于两个集流板2之间，两个相邻的双极板3之间夹有膜电极4。如图3、图4所示，双极板3包括板体5、设置于板体5中且贯穿板体5的冷却流道6和设置于板体5两面的封闭的流体流道7，具体地，流体流道7设置于板体面积最大的两个侧面上，冷却流道6贯穿设置于板体5中间，冷却流道6所在平面夹在板体5的面积最大的两个侧面之间。风冷装置103产生的气流流过双极板3中间的冷却流道6，带走冷却流道6两侧热量，同时冷却双极板3两侧。参见图2，风冷装置103包括散热风扇8和控制单元(图中未示出)，散热风扇8面向燃料电池100的双极板3的冷却流道6安装，散热风扇8产生的气流可直接进入冷却流道6，达到快速冷却目的。控制单元包括转速调节器和温度传感器，温度传感器可以实时监测燃料电池100的温度，根据检测结果，运用转速调节器调节散热风扇8的转速，增大或较小穿过冷却流道6的气体流量，以使燃料电池100的温度处在要求的反应温度范围内。燃料供应装置101和氧化剂供应装置102产生的氢气和氧气分别通过燃料电池100上的阳极进气口11和阴极进气口13进入燃料电池，随后分别进入双极板3两侧封闭的流体流道7进行氧化还原反应。与现有的燃料电池风冷系统相比，本发明的风冷系统，氧化剂通过阴极进气口13进入双极板3的封闭的流体流道7内，由于流体流道7是封闭的，可以保证氧化剂在流体流道7内的压力，提高风冷型燃料电池的性能。

继续如图4所示，在本实施例中，本发明提供的燃料电池双极板3，板体5包括阳极流场板51和阴极流场板52，阳极流场板51和阴极流场板52可以通过注塑或粘接等工艺形成一整体，冷却流道6设置于阳极流场板51和阴极流场板52的连接处。流体流道7包括燃料流道71和氧化剂流道72(如图5、图7所示)。流体流道7可呈多种形态，具体在本实施例中，流体流道7呈多通道蛇形，蛇形流道便于燃料电池100内部气体在双极板3上的均匀分布，多通道可以提高燃料电池100内气体的传质效率，两者配合，可避免流体流道7内由于局部气体密度过大，反应过快，导致双极板3局部温度过高的问题。

如图5至图8所示，阳极流场板51正面设有燃料流道71，阴极流场板52正面设有氧化剂流道72，阳极流场板51与阴极流场板52的背面粘合，冷却流道6设置于阳极流场板51与阴极流场板52的粘合处，具体地，冷却流道6可设置于阳极流场板51的背面或阴极流场板52的背面，在本实施例中，冷却流道6设置于阴极流产板52的背面。如图8所示，冷却流道6为开放式冷却流道，具体由多个平行凹槽组成。开放式流道可增大冷风通过冷却流道6的流量，增强冷却效果。此外，阳极流场板51上设有与燃料流道71连通的燃料进口和燃料出口，阴极流场板52上设有与氧化剂流道72连通的氧化剂进口和氧化剂出口。如图5、图7所示，阳极流场板51正面还设有密封燃料流道71的阳极密封件91，阴极流道52正面还设有密封氧化剂流道72的阴极密封件92。阳极密封件91和阴极密封件92分别将燃料气体和氧化剂密封在燃料流道71和氧化剂流道72内，防止燃料气体和氧化剂的泄漏，更好地将燃料气体和氧化剂分隔在双极板3的两侧，保证燃料电池的反应效率。双极板3在燃料电池中起着连通各个燃料电池单体的连接作用，需具有很强的导电性能。在本实施例中，为增强双极板3的导电性，分别在阳极流场板51和阴极流场板52背面镀有金属层10，金属层10具体可由导电性能强的金属材料组成，将金属材料镀在阳极流场板51和阴极流场板52的背面，可很大幅度的提高双极板3的导电性能，增强双极板3传递电流和收集电流的能力，从而提高燃料电池100的整体性能。

综上所述，本发明提供的燃料电池双极板3，包括板体5、贯穿设置于板体5中间的冷却流道6和设置于板体5两面的封闭的流体流道7。在双极板3板体5中间设置冷却流道6，冷却气流穿过中间的冷却流道6，同时带走冷却流道6两侧的热量，实现双极板3两侧的同时冷却，可保证双极板3两侧温度处在较低且恒定的温度范围内，为燃料电池内的反应物提供稳定安全的反应环境。在板体5两面设置封闭的流体流道7，可以保证流体流道7内较高的气体压力，与现有的风冷用双极板相比，本发明封闭的流体流道7可避免现有技术中阴极流体流道敞开，造成阴极气体气压不足，影响燃料电池的性能的问题。且本发明提供的燃料电池双极板3，结构简单，与现有的水冷用双极板相比，简化了冷却流道的结构设计，为燃料电池单体的安装带来很大便利。总之，本发明提供的燃料电池双极板3，结构简单、安装方便、冷却效果好且能很好的保证燃料电池的性能，具有很强的实用性和经济性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，均属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括板体和设置于所述板体中且贯穿所述板体的冷却流道，所述板体两面还设有封闭的供流体流通的流体流道。

2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述板体包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板和所述阴极流场板粘合呈一整体，所述流体流道包含燃料流道和氧化剂流道，所述阳极流场板正面设有所述燃料流道，所述阳极流场板背面与所述阴极流场板的背面粘合，所述阴极流场板的正面设有所述氧化剂流道。

3.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场板设有与所述燃料流道连通的燃料进口与燃料出口，所述阴极流场板设有与所述氧化剂连通的氧化剂进口和氧化剂出口。

4.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场板正面还设有密封所述燃料流道的阳极密封件，所述阴极流场板正面还设有密封所述氧化剂流道的阴极密封件。

5.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场板和所述阴极流场板背面镀有金属层。

6.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述冷却流道设置于所述阳极流场板与所述阴极流场板的粘合处。

7.如权利要求1-6任一项所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述冷却流道为开放式流道，所述开放式流道由多个平行凹槽组成。

8.一种燃料电池，其特征在于，包含端板、集流板、膜电极和如权利要求1-7任一项所述的燃料电池双极板，所述燃料电池双极板设置于所述膜电极两侧。

9.一种燃料电池风冷系统，用于对权利要求8的燃料电池进行冷却，其特征在于，包括：供给所述燃料电池燃料的燃料供给系统、供给所述燃料电池氧化剂的氧化剂供给系统、和用于冷却所述燃料电池的风冷装置，所述风冷装置藉由所述冷却流道对所述燃料电池进行冷却。

10.如权利要求9所述的燃料电池风冷系统，其特征在于，还包括阳极排气装置和阴极排气装置，所述燃料供给系统连接所述燃料电池的阳极进气口，所述氧化剂供给系统连接所述燃料电池的阴极进气口，所述阳极排气装置连接所述燃料电池的阳极出气口，所述阴极排气装置连接所述燃料电池的阴极出气口。