CN111477905A - 一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构。本发明大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口和冷却水入口，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场位于双极板中间，冷却流场的两端设置有稀疏点阵，稀疏点阵与冷却水入口、冷却水出口之间设置有分配区域。本发明的双极板冷却结构能够高效散热、降低电堆外辅件所需功耗，有效提升燃料电池电堆发电效率，保证燃料电池运行安全稳定，从而克服现有大功率燃料电池电堆发热量大，散热温度不均匀的不足。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构。
背景技术
近些年来，随着环境污染及能源枯竭问题的日益突出，世界各国都在积极寻找新的可再生清洁能源。氢燃料电池作为一种不经过燃烧，通过电化学反应直接输出电能的发电装置，具有能源易获取、高效无噪声和清洁无污染等优点，愈发受到人们的关注。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其工作温度低，能够在低温环境下快速启动，同时基于电池内部的电芯—膜电极组件（MEA）能够做到很薄，使得电池得到非常紧凑的结构，具有功率密度高、应用范围广的特点，广泛应用于交通运输、可移动式设备以及热电联供系统等领域。
基于现在各领域对能源需求量都很大，其要求的燃料电池发电功率也越来越大。燃料电池电堆作为整个燃料电池的核心装置，主要由膜电极组件（MEA）、双极板（BPP）、密封件等组装而成。由于质子交换膜燃料电池电堆在产生电的同时还会带来大量的热量，功率越大，其产生的热量越多。现今大多数PEM燃料电池采用Nafion系列膜，其工作温度在75~80℃之间适合，当超过80℃时，质子交换膜热稳定性和质子传导能力将会下降，严重时会出现膜脱水现象，导致电导率下降，同时也会加速催化剂的衰减。当温度高于130℃时，会使膜产生不可逆的损害，局部热点会导致膜穿孔，最终影响PEMFC电堆运行的安全性。因此适时控制燃料电池的工作温度，保证其在稳定工作条件下提供可靠的电源供给，以此提升燃料电池的综合使用性能是十分重要的。
目前常采用空气冷却和液体冷却方式来带走电池工作过程中产生的热量，其中，利用空气冷却的方式常应用于小功率（≤5kW）燃料电池系统，通过空气对流方式来降低PEMFC电堆工作温度。但该种方法散热状态不稳定且工作效率低，已逐步被液体冷却方式所替代。液体冷却主要依靠燃料电池双极板内设计的独立冷却液流道，通过去离子水或水和乙二醇的混合液强制对流换热，带走燃料电池内大量的热量。与空冷方式相比，液体冷却具有高热转移能力、低流速等优点，其燃料电池温度分布也更均匀，冷却效率高，故常用于大功率（≥5Kw）的燃料电池系统。
传统的PEM燃料电池双极板常采用平行直流道结构的冷却流场，如图1所示，该结构简单且易加工，但其冷却分布效果不佳，其燃料电池双极板中间部分往往冷却效果要比两边好很多，造成整个燃料电池冷却效果不均匀现象。
发明内容
本发明针对大功率燃料电池电堆发热量大，散热温度不均匀的特点，提供了一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，该双极板冷却结构能够高效散热，同时可降低电堆外辅件所需功耗，有效提升燃料电池电堆发电效率，保证燃料电池运行安全稳定。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口和冷却水入口，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场位于双极板中间，冷却流场的两端设置有稀疏点阵，稀疏点阵与冷却水入口、冷却水出口之间设置有分配区域。
所述冷却流场采用平行直流道，所述冷却水入口位于空气入口和氢气出口之间，所述冷却水出口位于氢气入口和空气出口之间。
所述分配区域包括设置在冷却水进、出口处的分配槽及其上的凸起脊，分配槽的深度与冷却流场的流道深度一致，凸起脊的最高处与双极板外边缘平齐。
所述稀疏点阵包括圆形点阵和腰形点阵，腰形点阵呈紧密交错方式设置，腰形点阵的两侧设置有等间距的圆形点阵。
所述腰形点阵设置在分配区域与冷却流场之间的中间部位，尺寸为（2.5~5）mm×（1~3）mm，行列间距均为0.5~1.5mm，圆形点阵直径为3~8mm，行列间距为2~4mm。
所述圆形点阵和腰形点阵的高度与分配区域的凸起脊的高度一致。
所述双极板为金属、石墨或复合材料的双极板，通过数控机加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
所述双极板的冷却流场的进出口压差△p≤0.5bar。
所述双极板包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板均包括正面的气体流场和背面的单极冷却流场，阴极板和阳极板通过点胶或焊接方式组合而成，阴极板和阳极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却水流场。
所述冷却流场的流道宽度、深度与正面的气体流场结构相匹配，流道宽度为0.5~1.5mm，流道深度为0.3~1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1、本发明提供的冷却流场结构既可用于金属基材的双极板，也可适用于石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工（CNC）、模压亦或冲压浇铸方式均可实现制备加工，通过这种结构方式的冷却流场可有效降低大功率电堆中产生的温度，加快双极板散热效率，有效解决了双极板散热不均匀的问题，同时对进出口压差过大的问题也进行了有力改进，经仿真测算及实验测试表明采用该种流场设计，其进出口压差△p≤0.5bar，避免出现因压差过大而造成电堆中冷却液泄露现象的发生。
2、通过采用稀疏点阵+直流道结构的冷却流场可有效保证双极板中的电化学反应区域冷却散热均匀高效，有效避免传统蛇形流道进出口压差过大，从而造成冷却水泵功耗过大的问题，保证了燃料电池电堆不会因压差过大而产生冷却液外泄现象，提升了电堆运行的安全稳定性。
3、本发明的冷却水入口位于空气入口和氢气出口之间，所述冷却水出口位于氢气入口和空气出口之间，能够达到均衡的冷却效果，这是由于燃料电池电堆最初运行时进入空气端入口的氧气浓度高，其扩散性较差，造成了该处反应生成的热量最高。
4、本发明的冷却水入口处均开有一定深度的分配槽，分配槽深度与冷却流场的流道深度一致，在槽上设置有若干凸起脊，其凸起脊最高处与双极板外边缘平齐，这些凸起脊既可起到分配冷却流体作用，又可以起到支撑双极板冷却口，增加双极板强度作用，以防止出现因电堆挤压而造成双极板冷却口塌陷堵塞现象，冷却介质在通过了分配槽后正式进入双极板产生热量的反应区域，通过反应区域内的稀疏点阵（主要由腰形点阵和圆形点阵构成）和平行直流道进行高效均匀的冷却降温工作。
5、本发明在靠近冷却液进、出口分配槽处设置了较为紧密的腰形点阵，防止冷却水直接经中间部分平行直流道直接流出，造成整个反应区域冷却效果不均匀。在腰形点阵的两侧设置有等间距的圆形点阵，不仅可以继续保证冷却水分散流入平行直流道，同时也起到支撑双极板强度作用，保护双极板不受挤压变形破裂。
附图说明
图1是现有冷却流场平行直流道的结构示意图。
图2是本发明双极板冷却流场平行直流道的结构示意图。
图3 是本发明双极板冷却流场平行直流道的局部立体图。
图4 是本发明双极板冷却流场平行直流道的局部放大图。
图5 是本发明双极板冷却流场平行直流道的立体图。
图6 是本发明双极板冷却流场冷却液流动立体效果图。
附图标记说明：1-空气入口；2-氢气出口；3-冷却水入口；4-氢气入口；5-空气出口；6-冷却水出口；7-平行直流道；8-稀疏点阵；9-分配区域；10-冷却流场；11-双极板外边缘；8-1-圆形点阵；8-2-腰形点阵；9-1-分配槽；9-2-凸起脊。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场10，在所述冷却流场的一端设置有空气入口1、氢气出口2和冷却水入口3，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口4、空气出口5与冷却水出口6，所述冷却流场10位于双极板中间，冷却流场10的两端设置有稀疏点阵8，稀疏点阵8与冷却水入口3、冷却水出口6之间设置有分配区域9。
所述冷却流场10采用平行直流道7，所述冷却水入口3位于空气入口1和氢气出口2之间，所述冷却水出口6位于氢气入口4和空气出口5之间，能够达到均衡的冷却效果，这是由于燃料电池电堆最初运行时进入空气端入口的氧气浓度高，其扩散性较差，造成了该处反应生成的热量最高，整个冷却水流动走向如图6箭头方向所示。
所述分配区域9包括设置在冷却水进、出口处的分配槽9-1及其上的凸起脊9-2，分配槽9-1的深度与冷却流场10的流道深度一致，凸起脊9-2的最高处与双极板外边缘11平齐，凸起脊9-2既可起到分配冷却流体的作用，又可以起到支撑双极板冷却口、增加双极板强度的作用，以防止出现因电堆挤压而造成双极板冷却口塌陷堵塞现象。
所述稀疏点阵8包括圆形点阵8-1和腰形点阵8-2，腰形点阵8-2呈紧密交错方式设置，腰形点阵8-2的两侧设置有等间距的圆形点阵8-1，不仅可以继续保证冷却介质分散流入平行直流道7，同时也起到支撑双极板强度作用，保护双极板不受挤压变形破裂。
所述腰形点阵8-2设置在分配区域9与冷却流场10之间的中间部位，防止冷却介质直接经平行直流道7直接流出，造成整个反应区域冷却效果不均匀，腰形点阵8-2的尺寸为4mm×2 mm，行列间距均为1mm，圆形点阵8-1直径为4mm，行列间距为3mm。
所述圆形点阵8-1和腰形点阵8-2的高度与分配区域9的凸起脊9-2的高度一致。
所述双极板为金属、石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
所述双极板冷却流场10的进出口压△p≤0.5bar。
所述双极板包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板均包括正面的气体流场和背面的单极冷却流场10，阴极板和阳极板通过点胶或焊接方式组合而成，阴极板和阳极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却水流场，以方便冷却介质流过，带走电化学反应所产生的热量，冷却介质可以是去离子水或水和乙二醇的混合液。
所述冷却流场10的流道宽度、深度与正面的气体流场结构相匹配，流道宽度为0.6mm，流道深度为0.4mm，冷却介质经稀疏点阵8分配后流入直流道内，带走背面氢气侧或空气侧反应区域生成的热量，采用该种平行直流道可以进行高效均匀的冷却降温工作，有效减少冷却水道进出口的压力降，减轻对冷却水泵的性能要求，有效提升了燃料电池电堆的使用性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场（10），在所述冷却流场的一端设置有空气入口（1）、氢气出口（2）和冷却水入口（3），在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口（4）、空气出口（5）与冷却水出口（6），其特征在于，所述冷却流场（10）位于双极板中间，冷却流场（10）的两端设置有稀疏点阵（8），稀疏点阵（8）与冷却水入口（3）、冷却水出口（6）之间设置有分配区域（9）。
2.根据权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述冷却流场（10）采用平行直流道（7），所述冷却水入口（3）位于空气入口（1）和氢气出口（2）之间，所述冷却水出口（6）位于氢气入口（4）和空气出口（5）之间。
3.根据权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述分配区域（9）包括设置在冷却水进、出口处的分配槽（9-1）及其上的凸起脊（9-2），分配槽（9-1）的深度与冷却流场（10）的流道深度一致，凸起脊（9-2）的最高处与双极板外边缘（11）平齐。
4.根据权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述稀疏点阵（8）包括圆形点阵（8-1）和腰形点阵（8-2），腰形点阵（8-2）呈紧密交错方式设置，腰形点阵（8-2）的两侧设置有等间距的圆形点阵（8-1）。
5.根据权利要求4所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述腰形点阵（8-2）设置在分配区域（9）与冷却流场（10）之间的中间部位，尺寸为（2.5~5）mm×（1~3）mm，行列间距均为0.5~1.5mm，圆形点阵（8-1）直径为3~8mm，行列间距为2~4mm。
6.根据权利要求4所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述圆形点阵（8-1）和腰形点阵（8-2）的高度与分配区域（9）的凸起脊（9-2）的高度一致。
7.根据权利要求1-7之一所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述双极板为金属、石墨或复合材料的双极板，通过数控机加工、模压或冲压浇铸方式制备而成。
8.根据权利要求7所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述双极板的冷却流场（10）进出口压差△p≤0.5bar。
9.根据权利要求7所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述双极板包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板均包括正面的气体流场和背面的单极冷却流场（10），阴极板和阳极板通过点胶或焊接方式组合而成，阴极板和阳极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却水流场。
10.根据权利要求9所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述冷却流场（10）的流道宽度、深度与正面的气体流场结构相匹配，流道宽度为0.5~1.5mm，流道深度为0.3~1mm。
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| CN202010412026.2A Pending CN111477905A (zh) | 2020-05-15 | 2020-05-15 | 一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构 |
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| CN (1) | CN111477905A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116053498A (zh) * | 2022-05-12 | 2023-05-02 | 湖北文理学院 | 质子交换膜燃料电池及燃料电池堆栈 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102306805A (zh) * | 2011-08-17 | 2012-01-04 | 新源动力股份有限公司 | 有利于改善流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板 |
| CN205319237U (zh) * | 2015-12-29 | 2016-06-15 | 新源动力股份有限公司 | 一种燃料电池双极板 |
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-
2020
- 2020-05-15 CN CN202010412026.2A patent/CN111477905A/zh active Pending
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