CN110767919B - 燃料电池的双极板和燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种燃料电池的双极板和燃料电池，涉及燃料电池领域，该双极板包括第一极板和第二极板，第一极板和第二极板中的一个为阴极板，另一个为阳极板，第一极板和第二极板之间形成有长度不同的多条冷却流道，冷却流道的横截面积与冷却流道的长度正相关。因此，长度较长的冷却流道横截面积较大，长度较短的冷却流道横截面积较小。虽然长度较长的冷却流道阻力较大，流速较慢，但横截面积较大，虽然长度较短的冷却流道阻力较小，流速较快，但横截面积也较小，从而可以减小长度不同的冷却流道中冷却液的流量差异，这样双极板上不同区域受到的冷却效果也更接近，双极板上温度分布更均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
Description
技术领域
本公开涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池的双极板和燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。
双极板是燃料电池中的重要结构，在燃料电池中通常包括叠置的多组双极板，每组双极板包括一个阴极板和一个阳极板，阴极板和阳极板相互重叠形成冷却流道，相邻两组双极板之间夹有膜电极。
冷却流道通常有很多条，多条冷却流道分布在一个较大的区域内。在燃料电池工作时，冷却水从冷却流道的一端流入，另一端流出，如此利用冷却水带走热量，降低双极板的温度。由于冷却流道的长度通常是不同的，这使得不同冷却流道中冷却水流动时受到的阻力大小也不同，因此较短的冷却流道中阻力较小，冷却水流速快，流量较大，较长的冷却流道中阻力较大，冷却水流速慢，流量较小。这会导致双极板温度分布不均匀，从而影响燃料电池的稳定性和寿命。
发明内容
本公开实施例提供了一种燃料电池的双极板和燃料电池，能够使双极板温度分布均匀。所述技术方案如下：
一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池的双极板，包括相互重叠的第一极板和第二极板，所述第一极板和所述第二极板中的一个为阴极板，另一个为阳极板，所述第一极板和所述第二极板之间形成有长度不同的多条冷却流道，所述多条冷却流道中，至少部分冷却流道的横截面积与所述冷却流道的长度正相关。
可选地，所述第一极板上具有第一流道槽，所述第二极板上具有第二流道槽，所述第一流道槽和所述第二流道槽围成所述冷却流道。
可选地，所述第一流道槽的横截面和所述第二流道槽的横截面均为梯形，且在同一所述冷却流道中，所述第一流道槽的横截面和所述第二流道槽的横截面全等。
可选地，所述第一极板上的各个所述第一流道槽的深度均相等，所述第二极板上的各个所述第二流道槽的深度均相等。
可选地，所述多条冷却流道分布于所述双极板上的一矩形区域内，同一所述冷却流道的两端开口位于所述矩形区域的同一侧边。
可选地，所述矩形区域具有平行相对的第一侧边和第二侧边，所述多条冷却流道包括位于对称轴和所述第一侧边之间的多条第一冷却流道、位于所述对称轴和所述第二侧边之间的多条第二冷却流道，所述对称轴为所述矩形区域的平行于所述第一侧边的对称轴。
可选地，所述多条冷却流道中，最靠近所述对称轴的n条冷却流道的横截面积与所述冷却流道的长度正相关，所述多条冷却流道中除所述n条冷却流道之外的冷却流道横截面积相等，2≤n＜N，且n为整数，N为所述冷却流道的总条数。
可选地，在所述第一侧边向所述对称轴靠近的方向上，相邻的所述第一冷却流道的间距逐渐减小。
可选地，所述多条第一冷却流道和所述多条第二冷却流道关于所述对称轴对称。
另一方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池，包括如前一方面所述的双极板。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
通过将第一极板和第二极板相互重叠，可以形成多条冷却流道，通过将冷却流道的横截面积设置的不同，使冷却流道的横截面积与冷却流道的长度正相关，因此，长度较长的冷却流道横截面积较大，长度较短的冷却流道横截面积较小。虽然长度较长的冷却流道阻力较大，流速较慢，但横截面积较大，虽然长度较短的冷却流道阻力较小，流速较快，但横截面积也较小，从而可以减小长度不同的冷却流道中冷却液的流量差异，这样双极板上不同区域受到的冷却效果也更接近，双极板上温度分布更均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是相关技术中的一种燃料电池的双极板的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种燃料电池的双极板的结构示意图；
图3是图2所示双极板的局部截面图；
图4是本公开实施例提供的另一种双极板的结构示意图；
图5是图4所示的双极板的流量分布示意图；
图6是图4中的E-E截面图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是相关技术中的一种燃料电池的双极板的结构示意图。如图1所示，该双极板包括相互重叠的第一极板11和第二极板12。图1中移除了第一极板11的部分结构，以露出第二极板12。第一极板11可以是阴极板和阳极板中的一个，第二极板12是阴极板和阳极板中的另一个。第一极板11和第二极板12的中部是流道区A，流道区A分布有多条冷却流道101，图1中示例性地示出了两条冷却流道101。在流道区A外分别分布有冷却液进口10a、燃料进口10b和氧化剂进口10c，以及冷却液出口10d、氧化剂出口10e和燃料出口10f，冷却流道101连通冷却液进口10a和冷却液出口10d。通常多条冷却流道101的长度并不是完全相同的。例如图1所示双极板中，流经流道区A中靠近冷却液进口10a和冷却液出口10d的区域的冷却流道101的长度较短，流经流道区A远离冷却液进口10a和冷却液出口10d的区域的冷却流道101的长度较长。
图1中的空心箭头显示的是双极板中不同区域的冷却液流动轨迹，空心箭头的宽度与相应区域的冷却液的流量成正比。如图1所示，由于靠近冷却液进口10a和冷却液出口10d的区域的冷却流道101长度较短，因此阻力较小，冷却液流量较大，双极板上该区域的温度较低。由于远离冷却液进口10a和冷却液出口10d的区域的冷却流道101长度较长，因此阻力较大，冷却液流量较小，双极板上该区域的温度较高。双极板上温度分布不均匀，会影响燃料电池的稳定性和使用寿命。
图2是本公开实施例提供的一种燃料电池的双极板的结构示意图。如图2所示，该双极板包括相互重叠的第一极板11和第二极板12，第一极板11和第二极板12中的一个为阴极板，另一个为阳极板。第一极板11和第二极板12之间形成有长度不同的多条冷却流道101。
本公开实施例所提供的附图中仅示意性地示出了若干个冷却流道101，例如图2中仅示出了长度不同的两条冷却流道101，在实际的双极板中，冷却流道101的数量远多于附图中所示的数量。
图3是图2所示双极板的局部截面图。图3中示出了图2中的C-C截面和D-D截面。如图3所示，多条冷却流道101中，至少部分冷却流道101的横截面积与冷却流道101的长度正相关。
为了便于分辨第一极板11和第二极板12，图3中分离了第一极板11和第二基板12。
通过将第一极板和第二极板相互重叠，可以形成多条冷却流道，通过将冷却流道的横截面积设置的不同，使冷却流道的横截面积与冷却流道的长度正相关，因此，长度较长的冷却流道横截面积较大，长度较短的冷却流道横截面积较小。虽然长度较长的冷却流道阻力较大，流速较慢，但横截面积较大，虽然长度较短的冷却流道阻力较小，流速较快，但横截面积也较小，从而可以减小长度不同的冷却流道中冷却液的流量差异，这样双极板上不同区域受到的冷却效果也更接近，双极板上温度分布更均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
可选地，多条冷却流道101中，可以所有的冷却流道101的横截面积均与冷却流道101的长度正相关，也可以只将长度最长的若干条冷却流道101的横截面积设置为与冷却流道101的长度正相关。长度最长的若干条冷却流道101流阻最大，冷却液流量最小，因此温度与双极板上的其他区域差距也最大，通过增大其横截面积，可以增大其中的流量，从而缩小双极板上的温度分布差异，并且只有部分冷却流道101的横截面积发生变化，可以减少对于空气流道和氢气流道的影响。
图2中的空心箭头为双极板的流量分配示意，对比图1，将冷却流道101的横截面积与冷却流道101的长度设置为正相关后，不同冷却流道中的冷却液流量更接近，这样双极板上不同区域受到的冷却效果也更接近，双极板上温度分布更均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
如图2所示，多条冷却流道101可以分布于双极板上的一矩形区域B内，冷却流道101的两端开口位于矩形区域B的同一侧边。该矩形区域B即为流道区，将冷却流道101的两端开口均设置在矩形区域B的同一侧边上，可以方便冷却液进口和冷却液出口的布置。
如图3所示，第一极板11上可以具有第一流道槽11a，第二极板12上可以具有第二流道槽12a，第一流道槽11a和第二流道槽12a围成冷却流道101。第一极板11和第二极板12通常是冲压制成的，由第一极板11的第一流道槽11a和第二极板12的第二流道槽12a共同围成冷却流道101，在冷却流道101截面积相同的情况下，相比于只在第一极板11或第二极板12上形成流道槽，可以减小流道槽的深度，更容易冲压加工。当然，第一极板11和第二极板12为金属结构时可以采用冲压制作，在其他实现方式中，第一极板11和第二极板12也可以是非金属结构，例如石墨等，对于这一类材质的双极板，可以采用冲压之外的其他方式加工。本公开仅以金属结构的双极板为例进行说明，本公开实施例中双极板的结构同样也适用于非金属结构的双极板。
可选地，第一流道槽11a的横截面和第二流道槽12a的横截面均可以为梯形。将横截面设置成梯形，可以方便冲压加工，有利于生产。
此外，在同一冷却流道101中，第一流道槽11a的横截面和第二流道槽12a的横截面可以全等。这样可以通过同样的冲压设备冲压出第一流道槽11a和第二流道槽12a，生产更加方便。
在本公开实施例其他可能的实现方式中，第一流道槽11a的横截面和第二流道槽12a的横截面也可以设置为其他形状，例如矩形、半圆形等。
可选地，第一极板11上的各个第一流道槽11a的深度可以均相等，第二极板12上的各个第二流道槽12a的深度可以均相等。这里深度指的是横截面所呈平面图形的高，例如图3所示的第一流道槽11a的横截面为梯形，则深度指的是该梯形的高，即该梯形上底与下底的垂直距离。以第一极板11为例，通常第一流道槽11a的深度越深，则加工难度越大，例如通过冲压加工形成第一流道槽11a，第一流道槽11a深度过深则冲压时的行程较大，容易形成拉裂等缺陷。将各个第一流道槽11a的深度都设置为相等，有利于减少这样的缺陷。
图4是本公开实施例提供的另一种双极板的结构示意图。如图4所示，该双极板的矩形区域B具有平行相对的第一侧边B1和第二侧边B2。多条冷却流道101可以包括位于对称轴m和第一侧边B1之间的多条第一冷却流道1011、位于对称轴m和第二侧边B2之间的多条第二冷却流道1012。矩形通常具有两条对称轴，这里的对称轴m为矩形区域B的平行于第一侧边B1的对称轴。在矩形区域B面积相同的情况下，相比于图2所示的双极板，图4中不同冷却流道101的长度更加接近，有利于使双极板的温度分布更加均匀，并且能够设置两个冷却液进口10a和冷却液出口10d，有利于提供更大量的冷却液，提高对双极板的冷却效果。
如图4所示，多条第一冷却流道1011和多条第二冷却流道1012可以关于对称轴m对称。采用对称的分布方式，可以使双极板上的温度分布更加均匀，进一步提高燃料电池的稳定性，延长其其使用寿命。
示例性地，第一冷却流道1011可以包括与第一侧边B1垂直的起始段10111、与第一侧边B1垂直的终止段10112、连接起始段10111和终止段10112的中间段10113，中间段10113平行于第一侧边B1。这样形状的冷却流道101，在布置时便于均匀分布在整个矩形区域B，使整个矩形区域B的温度分布更加均匀。
第二冷却流道1012的结构与第一冷却流道1011的结构相同。
图5是图4所示的双极板的流量分布示意图。对比图2，图5中由于多条第一冷却流道1011和多条第二冷却流道1012关于对称轴m对称分布，因此对称轴m两侧的流量分布也是对称的，这有利于使双极板上温度分布更均匀，从而使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
可选地，多条冷却流道101中，最靠近对称轴m的n条冷却流道101的横截面积与冷却流道101的长度正相关，多条冷却流道101中除该n条冷却流道101之外的冷却流道101横截面积相等。其中，2≤n＜N，且n为整数，N为冷却流道101的总条数。例如双极板上共具有50条冷却流道101，其中最靠近对称轴m的10条冷却流道101的横截面积与冷却流道101的长度正相关，而其余40条冷却流道101的横截面积相等。由于长度最长的几条冷却流道101流阻最大，冷却液流量最小，因此温度与双极板上的其他区域差距也最大，通过增大这几条冷却流道101的横截面积，可以增大其中的流量，从而缩小双极板上的温度分布差异，并且只有部分冷却流道101的横截面积发生变化，可以减少对于空气流道和氢气流道的影响。
图6是图4中的E-E截面图。图6中最左侧的第一冷却流道1011对应图4中最上方的第一冷却流道1011。图6中d1、d2、d3分别表示相邻第一冷却流道1011的间距，d1＞d2＞d3。结合图4和图6，在第一侧边B1（如图4）向对称轴m（如图4）靠近的方向上，相邻的第一冷却流道1011的间距逐渐减小。在第一冷却流道1011中，靠近对称轴m的第一冷却流道1011长度较长，冷却液的流动阻力大，使得双极板上靠近对称轴m的区域散热相对其他区域差，通过缩小相邻第一冷却流道1011的间距，可以进一步提高该区域的散热能力，使双极板上温度分布更加均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，进一步延长燃料电池的寿命。
本公开实施例还提供了一种燃料电池，该燃料电池包括如图2~图6所示的任一种双极板。
通过将第一极板和第二极板相互重叠，可以形成多条冷却流道，通过将冷却流道的横截面积设置的不同，使冷却流道的横截面积与冷却流道的长度正相关，因此，长度较长的冷却流道横截面积较大，长度较短的冷却流道横截面积较小。虽然长度较长的冷却流道阻力较大，流速较慢，但横截面积较大，虽然长度较短的冷却流道阻力较小，流速较快，但横截面积也较小，从而可以减小长度不同的冷却流道中冷却液的流量差异，这样双极板上不同区域受到的冷却效果也更接近，双极板上温度分布更均匀，有利于使燃料电池工作更稳定，延长燃料电池的寿命。
以上仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池的双极板，其特征在于，包括相互重叠的第一极板（11）和第二极板（12），所述第一极板（11）和所述第二极板（12）中的一个为阴极板，另一个为阳极板，所述第一极板（11）和所述第二极板（12）之间形成有长度不同的多条冷却流道（101），所述多条冷却流道（101）中，至少部分冷却流道（101）的横截面积与所述冷却流道（101）的长度正相关，所述至少部分冷却流道（101）包括至少两条冷却流道（101）。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一极板（11）上具有第一流道槽（11a），所述第二极板（12）上具有第二流道槽（12a），所述第一流道槽（11a）和所述第二流道槽（12a）围成所述冷却流道（101）。
3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一流道槽（11a）的横截面和所述第二流道槽（12a）的横截面均为梯形，且在同一所述冷却流道（101）中，所述第一流道槽（11a）的横截面和所述第二流道槽（12a）的横截面全等。
4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述第一极板（11）上的各个所述第一流道槽（11a）的深度均相等，所述第二极板（12）上的各个所述第二流道槽（12a）的深度均相等。
5.根据权利要求1~4任一项所述的双极板，其特征在于，所述多条冷却流道（101）分布于所述双极板上的一矩形区域（B）内，同一所述冷却流道（101）的两端开口位于所述矩形区域（B）的同一侧边。
6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述矩形区域（B）具有平行相对的第一侧边（B1）和第二侧边（B2），所述多条冷却流道（101）包括位于对称轴（m）和所述第一侧边（B1）之间的多条第一冷却流道（1011）、位于所述对称轴（m）和所述第二侧边（B2）之间的多条第二冷却流道（1012），所述对称轴（m）为所述矩形区域（B）的平行于所述第一侧边（B1）的对称轴。
7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述多条冷却流道（101）中，最靠近所述对称轴（m）的n条冷却流道（101）的横截面积与所述冷却流道（101）的长度正相关，所述多条冷却流道（101）中除所述n条冷却流道（101）之外的冷却流道（101）横截面积相等，2≤n＜N，且n为整数，N为所述冷却流道（101）的总条数。
8.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，在所述第一侧边（B1）向所述对称轴（m）靠近的方向上，相邻的所述第一冷却流道（1011）的间距逐渐减小。
9.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述多条第一冷却流道（1011）和所述多条第二冷却流道（1012）关于所述对称轴（m）对称。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1~9任一项所述的双极板。
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