CN111403771B - 一种燃料电池电堆极板及其电堆、冷却组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆极板及其电堆、冷却组件和方法。沿所述流体的流动方向，所述极板表面的流道的横截面积呈递增设置。该方法吸收相同的热量所使用的装置相对于传统冷却方法体积重量更小，温度分布更均匀，且装置所用的泵的功耗更低。

Description

一种燃料电池电堆极板及其电堆、冷却组件和方法
技术领域
本发明属于电堆冷却领域，是一种燃料电池电堆极板及其电堆、冷却组件和方法。
背景技术
在燃料电池系统中，电堆的冷却散热系统一直是关键步骤。无论是低温电池所采用的水循环冷却散热系统，还是高温电池所用的油循环冷却系统以及部分电池采用的风冷冷却系统，其冷却循环系统均占据着系统中大量的体积重量及功耗。对于燃料电池系统来说，这部分占据的体积重量和所使用的系统功耗是极其不划算的，但是为了保证电堆在合适温度运行又是不得不存在的。
发明内容
本发明涉及一种基于液体蒸发吸热原理的电堆冷却方法，利用液体蒸发相变所吸收的热带走电堆放电所产生的热量，该方法大大降低了所需的循环液体流量，减小了，从而降低了液体泵的功耗。
一方面，本发明提供一种燃料电池电堆极板，沿所述流体的流动方向，所述极板表面的流道的横截面积呈递增设置。
优选地，所述流体为冷却介质。
优选地，沿所述流体的流动方向，所述极板表面的流道分为区域a(作为液相区)、区域b(作为气液混合区)和区域c(作为气相区)；所述区域A内流道的横截面积为A、区域B内流道的横截面积为B、区域C内流道的横截面积为C；所述A＜B＜C。
另一方面，本发明提供一种燃料电池电堆，所述电堆包括上述任一极板。
优选地，所述电堆具有冷却介质入口和散热口；所述冷却介质经冷却介质入口进入电堆内，流向极板的流道，再经散热口排出电堆。
再一方面，本发明还提供包括上述燃料电池电堆的冷却循环组件，所述燃料电池包括若干个单电池组装的电堆，所述冷却循环组件包括冷却介质管路和散热器；所述冷却介质管路循环连通电堆与散热器。
优选地，所述电堆的上部和下部分别设有散热口和冷却介质输入口，所述散热口、散热器、冷却介质输入口经冷却介质管路依次连通。
再一方面，本发明还提供上述燃料电池电堆的冷却方法，将冷却介质通入电堆中,冷却介质吸收电堆的散热气化形成蒸汽,蒸汽从散热口排出后，经散热器换热、冷却至液态，再重新通入电堆中，完成冷却循环。
优选地，所述方法根据电池电堆的工作的最低环境温度，配置相应沸点的冷却介质。例如，工作温度位于160℃和180℃之间的高温燃料电池，配置沸点为160℃的冷却介质。优选地，所述冷却介质为乙二醇水溶液。
液态冷却介质通过液体循环泵进入电池壳体内的电堆中，在电堆内部气化形成气态冷却介质。气体密度比液体小，因此在电堆内部形成一个重力方向上下层是液体，上层是气体的分层结构。气态冷却介质由于其扩散作用从电堆散热通道的出口(或直接从电池壳体设置的散热口)排出，进入到散热器内部，经风扇散热冷却至液态冷却介质，再次进入电堆中，完成整个冷却循环。
本发明提供一种燃料电池电堆极板及其电堆、冷却组件和方法，该方法吸收相同的热量所使用的装置相对于传统冷却方法体积重量更小，温度分布更均匀，且装置所用的泵的功耗更低：
1、冷却介质蒸发吸热所用的循环液态介质的量约为传统方法的十分之一，因此降低了液泵的选型难度和功耗，大大减小了冷却循环系统的体积和重量，为电池系统带来更高的体积、重量比功率和更低的系统内耗；
以吸收1kw热量来计算，使用乙二醇作为冷却液，设定循环液冷却介质温度为140～180℃，需要0.009648kg/s才可达到吸热目的；；而使用冷却介质气化所需流量为0.001156kg/s，约为循环液冷却介质用量的8分之一。
2、由于冷却介质在电堆内部实际为气液混合态，因此温度相对平衡，电堆上下两端温差不超过±5℃；
3、降低了循环系统的管路复杂程度。
纯液相冷却需要的液体流量较大，因此所需的管路尺寸管径较粗。同时需要的液泵的工作温度和流量均较大，提高设备选型上的困难程度。为保证管路安全，需要设置排气口和安全阀等辅助装置保证管路中的气体及时排除。。
蒸发冷却所需的流量较小，因此管径较细，所选液泵可以选择低流量和耐温价差的液泵。由于其本身就是气液混合状态，无需增加排气和安全阀等辅助部件。
附图说明
图1为电堆内部极板的流场示意图。
图2为蒸发冷却流程示意图
图3为电堆内部温度模拟结果
图中，1.电堆，2.电堆端板，3.散热器及风扇，4.冷却介质管路，5.液泵，6冷却介质进口(也就是液体进口)，7散热口(也就是气体出口)。
具体实施方式
实施例
首先针对电堆的工作温度，配置相应的沸点的循环冷却介质。本发明以高温电池为例，高温电堆的工作温度位于160℃和180℃之间，因此所配置的溶液沸点为160℃，考虑电池材料和应用等因素，选取乙二醇水溶液作为冷却介质。
通过液泵5将20ml/min的乙二醇水溶液经过冷却介质入口6进入电堆1中。经过每层极板的冷却介质流道，沿所述冷却介质的流向，极板的流道分为液相区域、气液混合区域、气相区域，三个区域的流道截面积依次递增，每个极板之间是并联关系。乙二醇水气化后带走电堆放电所产生的热量。单个极板从下至上测量实际温度为173℃-170℃-169℃，电堆两侧的电堆端板2温度为165℃和166℃。气相的乙二醇水溶液经散热口7排出，经过冷却介质管4路进入到散热器3中，经过冷凝得到液相乙二醇水溶液。最后再通过冷却介质管路回到液泵5，回流到电堆1中。
乙二醇水溶液配置：根据水的沸点100℃，乙二醇沸点197℃，目标溶液沸点160℃。设定乙二醇体积分数为X，则水体积分数为1-X。
197*X+100*(1-X)＝160
X＝0.619
即乙二醇含量61.9％，水含量38.1％。
电堆内部流场设计原理：
流体在管路中的流速有着限定要求，水及一般液体1-3m/s，低压气体8-15m/s。而按照一般规律取液体气化后的体积会膨胀1000倍，可粗略认为流体流量扩大1000倍。按照
Figure BDA0001907310990000031
u，流体流速；Q，流体流量；A，流道截面积。得到截面积：
Figure BDA0001907310990000032
从而得到流道截面积比例范围；
Figure BDA0001907310990000033
Figure BDA0001907310990000034
流出冗余范围得到气体流道与液体流道截面积之比范围为60～400。
如图3所示，针对实际设计冷却介质流道进行了CFD温度模拟，设定进液温度165℃，经气化气体温度达到170℃，温差5℃。与实际操作中测到温差基本相符。

Claims (8)

1.一种燃料电池电堆极板，其特征在于，沿所述流体的流动方向，所述极板表面的流道的横截面积呈递增设置；所述流体为冷却介质；沿所述流体的流动方向，所述极板表面的流道分为区域a、区域b和区域c；区域a作为液相区，区域b作为气液混合区，区域c作为气相区；
所述区域a 内流道的横截面积为A、区域b 内流道的横截面积为B、区域c 内流道的横截面积为C；所述A＜B＜C；C:A＝60～400。
2.燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆包括权利要求1所述的极板。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆具有冷却介质入口和散热口；所述冷却介质经冷却介质入口进入电堆内，流向极板的流道，再经散热口排出电堆。
4.包括权利要求2所述燃料电池电堆的冷却循环组件，所述燃料电池包括若干个单电池组装的电堆，所其特征在于,所述冷却循环组件包括冷却介质管路和散热器；所述冷却介质管路循环连通电堆与散热器。
5.根据权利要求4所述的燃料电池冷却循环组件，其特征在于，所述电堆的上部和下部分别设有散热口和冷却介质输入口，所述散热口、散热器、冷却介质输入口经冷却介质管路依次连通。
6.权利要求2所述燃料电池电堆的冷却方法，其特征在于,将冷却介质通入电堆中,冷却介质吸收电堆的散热汽化形成蒸汽,蒸汽从散热口排出后，经散热器换热、冷却至液态，再重新通入电堆中，完成冷却循环。
7.根据权利要求6所述的冷却方法，其特征在于，根据电池电堆的工作的最低环境温度，配置相应沸点的冷却介质；
8.根据权利要求7所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却介质为乙二醇水溶液。
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