CN113782772A - 一种电堆端板的冷却结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电堆端板的冷却结构，包括均呈矩形且相互贴合安装的端板和绝缘板，绝缘板上具有两个沿厚度方向贯通设置的主冷却液口，两个主冷却液口分别位于绝缘板长度方向上的两端；其特征在于，端板朝向绝缘板的一侧凹陷地形成有两个分别与主冷却液口连通的第一集流区，两个第一集流区之间连接有端板冷却流道，端板冷却流道分布设置在两个第一集流区之间端板上；端板上还具有围绕第一集流区和端板冷却流道呈环形设置的端板密封槽，端板密封槽内设置有端板密封圈，端板密封圈紧密地压在端板和绝缘板之间。本发明电堆端板的冷却结构及燃料电池均具有结构设计合理，能够改善电堆温度的分布，有利于保证电池性能等优点。

Description

一种电堆端板的冷却结构及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别的涉及一种电堆端板的冷却结构及燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过将燃料在电解质中进行化学反应的方式，直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转化为电能，其燃料不经过燃烧，没有内燃机复杂的能量转化过程，因此发电效率是目前所有发电方式中最高的。由于它没有运动部件、无燃烧，因而噪声低、红外特征小。燃料电池发电装置的核心是电堆，其性能的优劣直接决定整个电池的性能。电堆由一片一片单电池串联迭加而成，各单电池温度是否均匀直接影响整体性能，通常会在两片单电池之间设置流道进行水冷，对电堆的核心温度进行控制。同时，电堆的两端还设置有绝缘板和端板，从两端将单电池夹装在内。燃料电池冷启动时，堆芯升温速度更快，使得堆芯温度更高，电堆温度不均匀，使得单电池性能差异较大，影响冷启动阶段的电池性能。而燃料电池长期运行时，集流板大量发热，一部分热量通过绝缘板传导至端板进行散热，而更多的热量集中到靠近集流板的单电池上，使得电堆两端的温度比堆芯温度更高，电堆温度不均匀，单电池性能差异较大，影响运行中的电池性能。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构设计合理，能够改善电堆温度的分布，有利于保证电池性能的电堆端板的冷却结构，以及燃料电池。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电堆端板的冷却结构，包括均呈矩形且相互贴合安装的端板和绝缘板，所述绝缘板上具有两个沿厚度方向贯通设置的主冷却液口，两个所述主冷却液口分别位于所述绝缘板长度方向上的两端；其特征在于，所述端板朝向所述绝缘板的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口连通的第一集流区，两个所述第一集流区之间连接有端板冷却流道，所述端板冷却流道分布设置在两个所述第一集流区之间端板上；所述端板上还具有围绕所述第一集流区和端板冷却流道呈环形设置的端板密封槽，所述端板密封槽内设置有端板密封圈，所述端板密封圈紧密地压在所述端板和绝缘板之间。

上述结构中，由于端板和绝缘板之间设置有连接主冷却液口的第一集流区和连接第一集流区的端板冷却流道，端板冷却流道分布设置在第一集流区之间的端板上，同时，通过环绕第一集流区和端板冷却流道的密封圈将其封闭在端板与绝缘板之间。在冷却液从一侧的主冷却液口流入并从另一侧的主冷却液口流出的过程中，冷却液在水流作用下可以从两个第一集流区流入端板冷却流道内，即流入燃料电池的冷却液与回流还未流出的冷却液可以在端板和绝缘板之间形成冷热混合。对于冷启动阶段的燃料电池而言，回流的高温冷却液流入端板和绝缘板之间，其温度高于绝缘板和流入的冷却液温度，可以加快端部的单电池的升温速度，从而让燃料电池尽快进入高效工作的温度范围，同时也能够让各单电池的温度更加均衡，有利于提高电池性能。对于正常运行阶段的燃料电池，流入燃料电池的冷却液进入到端板和绝缘板之间，由于其温度低于绝缘板和回流进入的冷却液的温度，从而可以对端板和绝缘板进行降温。有效改善端部单电池的温升，让电堆的温度均匀，有利于改善电池性能。

进一步的，所述绝缘板的另一侧贴合地安装有集流板，所述集流板朝向所述绝缘板的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口连通的第二集流区，两个所述第二集流区之间连接有集流板冷却流道，所述集流板冷却流道分布设置在两个所述第二集流区之间集流板上；所述集流板上还具有围绕所述第二集流区和集流板冷却流道呈环形设置的集流板密封槽，所述集流板密封槽内设置有集流板密封圈，所述集流板密封圈紧密地压在所述集流板和绝缘板之间。

由于集流板与单电池贴合设置，在集流板和绝缘板之间设置第二集流区和集流板冷却流道可以让冷却液进入二者之间，更好地对端部单电池进行升温或降温。

进一步的，所述端板和集流板上均具有两个沿厚度方向贯通设置的主冷却液口，所述端板、绝缘板和集流板上的主冷却液口对应设置。

进一步的，所述端板背离所述绝缘板的一侧具有沿边缘突出形成的凸缘，所述凸缘内连接横纵交错的凸棱。

这样，既可以增强端板的强度，又可以增加端板的散热面积，从而改善电堆的温控。

进一步的，所述第一集流区整体呈梯形，且底边沿所述端板的宽度方向设置，并朝向所述端板的中部；所述端板冷却流道连接至两个所述第一集流区的底边。

进一步的，所述端板冷却流道包括多个在所述端板的宽度方向相互平行设置的端板流道槽，所述端板流道槽的两端与所述第一集流区连通。

进一步的，所述第二集流区整体呈梯形，且底边沿所述集流板的宽度方向设置，并朝向所述集流板的中部；所述集流板冷却流道连接至两个所述第二集流区的底边。

进一步的，所述集流板冷却流道包括多个在所述集流板的宽度方向相互平行设置的集流板流道槽，所述集流板流道槽的两端与所述第二集流区连通。

一种燃料电池，其特征在于，包括电堆，所述电堆包括如上所述的电堆端板的冷却结构。

综上所述，本发明电堆端板的冷却结构及燃料电池均具有结构设计合理，能够改善电堆温度的分布，有利于保证电池性能等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1燃料电池电堆的爆炸结构示意图。

图2为实施例1中后端板的结构示意图。

图3为实施例1中前端板的结构示意图。

图4为实施例1中集流板的结构示意图。

图5为实施例2中端板的结构示意图。

图6为实施例2中引流道和泄流道的结构示意图。

图7为实施例3的结构示意图。

图8为实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1～图4所示，一种水冷式燃料电池，包括电堆，所述电堆包括多个并排设置的单电池7，所述单电池的两端贴合安装有集流板4，分别为阳极集流板和阴极集流板，两个所述集流板外依次贴合安装有绝缘板2和端板1，所述端板1包括位于前端的前端板和位于后端的后端板。

所述前端板和后端板背离所述绝缘板2的一侧具有沿边缘突出形成的凸缘，所述凸缘内连接横纵交错的凸棱。这样，既可以增强端板的强度，又可以增加端板的散热面积，从而改善电堆的温控。

所述前端板、绝缘板2、集流板4和单电池7均成矩形，且长度方向上的两端各具有一个沿厚度方向贯穿设置的阳极气体输送口、阴极气体输送口和主冷却液口6。

所述端板1朝向所述绝缘板2的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口6连通的第一集流区11，所述第一集流区11整体呈梯形，且底边沿所述端板1的宽度方向设置，并朝向所述端板的中部；所述端板冷却流道12连接至两个所述第一集流区11的底边。

两个所述第一集流区11之间连接有端板冷却流道12，所述端板冷却流道12分布设置在两个所述第一集流区11之间端板1上；所述端板冷却流道12包括多个在所述端板1的宽度方向相互平行设置的端板流道槽，所述端板流道槽的两端与所述第一集流区11连通。

所述端板1上还具有围绕所述第一集流区11和端板冷却流道12呈环形设置的端板密封槽13，所述端板密封槽13内设置有端板密封圈3，所述端板密封圈3紧密地压在所述端板1和绝缘板2之间。

具体的，所述端板密封槽包括前端板密封槽和后端板密封槽，由于前端板上还设置有阳极气体输送口和阴极气体输送口，所述前端板密封槽上还连接有分别围绕所述阳极气体输送口和阴极气体输送口设置的子密封槽，所述端板密封圈3包括前端板密封圈和后端板密封圈，所述前端板密封圈与所述前端板密封槽和子密封槽的形状对应，并嵌设在所述前端板密封槽和子密封槽上，并紧密地压在所述前端板和绝缘板2之间。

由于后端板主要用于封堵阳极气体输送口、阴极气体输送口和主冷却液口6，因此，后端板上的端板密封槽呈环形包围所述第一集流区11和端板冷却流道12。

所述集流板4朝向所述绝缘板2的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口6连通的第二集流区41，所述第二集流区41整体呈梯形，且底边沿所述集流板4的宽度方向设置，并朝向所述集流板的中部；所述集流板冷却流道42连接至两个所述第二集流区41的底边。两个所述第二集流区41之间连接有集流板冷却流道42，所述集流板冷却流道42分布设置在两个所述第二集流区41之间集流板4上；所述集流板冷却流道42包括多个在所述集流板4的宽度方向相互平行设置的集流板流道槽，所述集流板流道槽的两端与所述第二集流区41连通。所述集流板4上还具有围绕所述第二集流区41和集流板冷却流道42呈环形设置的集流板密封槽43，所述集流板密封槽43内设置有集流板密封圈5，所述集流板密封圈5紧密地压在所述集流板4和绝缘板2之间。

由于集流板与单电池贴合设置，在集流板和绝缘板之间设置第二集流区和集流板冷却流道可以让冷却液进入二者之间，更好地对端部单电池进行升温或降温。

本实施例的燃料电池的电堆在工作时，冷却液从前端板的一个主冷却液口流入，并从另一个主冷却液口流出。由于端板和绝缘板之间设置有连接主冷却液口的第一集流区和连接第一集流区的端板冷却流道，端板冷却流道分布设置在第一集流区之间的端板上，同时，通过环绕第一集流区和端板冷却流道的密封圈将其封闭在端板与绝缘板之间。同时，集流板和绝缘板之间设置有连接主冷却液口的第二集流区和连接两个第二集流区的集流板冷却流道，集流板冷却流道分布设置在第二集流区之间的集流板上，同时，通过环绕第二集流区和集流板冷却流道的密封圈将其封闭在端板与绝缘板之间。这样，在冷却液从一侧的主冷却液口流入并从另一侧的主冷却液口流出的过程中，冷却液在水流作用下可以从两个第一集流区和两个第二集流区流入端板冷却流道和集流板冷却流道内，即流入燃料电池的冷却液与回流还未流出的冷却液可以在端板和绝缘板之间、绝缘板和集流板之间形成冷热混合。对于冷启动阶段的燃料电池而言，回流的高温冷却液流入端板和绝缘板之间、以及绝缘板和集流板之间，其温度高于绝缘板、集流板以及流入电堆的冷却液温度，可以加快端部的单电池的升温速度，从而让燃料电池尽快进入高效工作的温度范围，同时也能够让各单电池的温度更加均衡，有利于提高电池性能。对于正常运行阶段的燃料电池，流入燃料电池的冷却液进入到端板和绝缘板之间、以及绝缘板和集流板之间，由于其温度低于绝缘板、集流板和回流进入的冷却液的温度，从而可以对端板和绝缘板进行降温。有效改善端部单电池的温升，让电堆的温度均匀，有利于改善电池性能。

也就是说，流入电堆的低温冷却液和即将流出电堆的高温冷却液（已经与电堆的单体电池进行热交换）可以从两侧进入到端板冷却流道和集流板冷却流道内，二者混合后的温度高于流入电堆的低温冷却液，而低于即将流出电堆的高温冷却液。在冷启动阶段，电堆端部的温度与流入电堆的冷却液温度接近，通过与即将流出的高温冷却液混合获得温度相对更高的冷却液，可以让端板、绝缘板和集流板的温度快速提升。而在燃料电池正常运行阶段，端部的单体电池发热，温度比即将流出电堆的高温冷却液温度更高，通过与流入电堆的低温冷却液混合，获得温度相对低的冷却液，从而更好的为端部单体电池降温。

实施例2：

为了更好地实现低温冷却液和高温冷却液在端板冷却流道和集流板冷却流道内混合，并能够从出口端的主冷却液口流出。本实施例在实施例1的基础上，还进一步了如下的改进：

如图5所示，所述端板、绝缘板和集流板上的所述主冷却液口均包括用于冷却液流入电堆的主冷却液进口和用于冷却液流出电堆的主冷却液出口，所述端板1上与所述主冷却液出口相通的第一集流区11内具有沿所述端板1的长度方向设置的引流道11a，所述引流道11a的一端连接至所述主冷却液出口，另一端朝向所述端板冷却流道12；所述引流道11a的宽度小于所述第一集流区11的最小宽度。这样，第一集流区11与主冷却液出口既可以通过引流道11a相连通，又可以从引流道11a外部的间隙处连通。

如图6所示，所述引流道11a包括相互平行的侧壁，所述侧壁上具有向内凹陷形成的导流凹槽，所述导流凹槽的凹陷深度沿朝向所述主冷却液口的方向逐渐变大，并在朝向所述主冷却液口的一端呈圆形，形成水滴状；所述导流凹槽内对应地设置有导流块，所述导流块与导流凹槽的侧壁之间形成“J”形流道；所述导流凹槽沿所述引流道11a的长度方向间隔设置有多个，且位于所述引流道11a的两个侧壁上的所述导流凹槽错位设置，使两个侧壁上的导流凹槽沿所述引流道11a的长度方向交错地首尾相接。

在引流道11a内，当冷却液从主冷却液出口方向进入后，在经过每个导流凹槽所在区域时，一部分冷却液沿两个侧板之间的流道流通，一部分从导流块与导流凹槽的“J”形流道的弧形尾端流入并绕过导流块流过，并在头端与另一部分冷却液会合，此时，两股冷却液会合时的流动方向相同，冷却液会合后继续向前流动，并重复分开和会合，最终顺利流到另一端。而当冷却液反向流动时，在经过每个导流凹槽所在区域时，一部分冷却液沿两个侧板之间的流道流通，另一部分从导流块与导流凹槽的“J”形流道头端流入并绕过导流块流过，并在圆弧形尾端与另一部分冷却液会合，此时，流过“J”形流道的圆弧形尾端的冷却液的流动方向与另一股冷却液的流动方向相反，相互之间形成阻力，使得冷却液在该方向的流动受阻，经过多个导流凹槽所在区域后，流量逐渐减小，甚至没有，压力也随之下降。这样，在引流道11a的结构下，主冷却液出口的冷却液可以顺利通过引流道11a进入到端板和绝缘板之间。

工作时，主冷却液进口的冷却液从第一集流区进入端板和绝缘板之间区域，主冷却液出口的冷却液从引流道11a流入端板和绝缘板之间区域进行混合，然后从引流道11a外部的间隙处流入主冷却液出口。

进一步的，为了让端板和绝缘板之间混合后的冷却液能够顺利从主冷却液出口流出，避免主冷却液出口的冷却液形成反向阻力，所述第一集流区11内还具有与所述引流道11a并排设置的泄流道11b，所述泄流道11b的结构与所述引流道11a的结构相同，且方向相反。所述引流道11a的宽度与所述泄流道11b的宽度之和与所述第一集流区11的最小宽度一致。

这样，主冷却液进口的冷却液从第一集流区流入端板和绝缘板之间的区域，而主冷却液出口的冷却液从引流道11a进入端板和绝缘板之间的区域，二者混合后，从泄流道11b流入主冷却液出口。

所述端板冷却流道12的宽度与两端的所述第一集流区的宽度一致，即两个第一集流区之间的区域完全连通形成所述端板冷却流道12，所述泄流道11b的长度小于所述引流道11a的长度，且所述引流道11a延伸至所述端板的中部。

具体实施时，所述集流板上与所述主冷却液出口相通的第二集流区41内具有沿所述集流板4的长度方向设置的所述引流道11a和泄流道11b。

实施例3：

由于冷却液通过循环泵压入电堆内，使得电堆的冷却液入口的压力比冷却液出口的压力更大，虽然实施例2中的引流道11a能够将冷却液出口的部分冷却液引流到端板和绝缘板之间的区域，但实施效果因入口端的冷却液压力而降低，为此，本实施例在实施例1的基础上，还进一步了如下的改进：

如图7所示，所述端板、绝缘板和集流板上的所述主冷却液口均包括用于冷却液流入电堆的主冷却液进口和用于冷却液流出电堆的主冷却液出口，所述端板1上与所述主冷却液入口相通的第一集流区11内具有沿所述端板1的长度方向设置的减流道11c，所述减流道11c的一端连接至所述主冷却液入口，另一端朝向所述端板冷却流道12；所述减流道11c的宽度与所述第一集流区11的最小宽度一致，使主冷却液入口与端板冷却流道12之间只能通过减流道11c相连通。

所述减流道11c的结构与实施例2中的引流道11a的结构相同，且导流凹槽在朝向所述主冷却液口的一端呈圆形，形成水滴状。这样，当冷却液从入口端的主冷却液口流入端板冷却流道12时，在经过每个导流凹槽所在区域时，一部分冷却液沿两个侧板之间的流道流通，另一部分从导流块与导流凹槽的“J”形流道头端流入并绕过导流块流过，并在圆弧形尾端与另一部分冷却液会合，此时，流过“J”形流道的圆弧形尾端的冷却液的流动方向与另一股冷却液的流动方向相反，相互之间形成阻力，使得冷却液在该方向的流动受阻，经过多个导流凹槽所在区域后，流量逐渐减小，甚至没有，压力也随之下降。从而降低端板冷却流道12内的冷却液压力，使主冷却液口的出口端的冷却液能够更好地进入端板冷却流道12进行混合。

实施例4：

如图8所示，本实施例中，既设置有实施例2中的引流道11a和泄流道11b，同时还设置有实施例3中的减流道11c。这样，就能够更好地将高温冷却液和低温冷却液引入端板冷却流道12进行混合后，再从主冷却液口的出口端流出。

当然，在具体实施时，实施例2～4中的引流道11a、泄流道11b或减流道11c也可以全部或部分地设置在集流板上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电堆端板的冷却结构，包括均呈矩形且相互贴合安装的端板(1)和绝缘板(2)，所述绝缘板(2)上具有两个沿厚度方向贯通设置的主冷却液口(6)，两个所述主冷却液口(6)分别位于所述绝缘板(2)长度方向上的两端；其特征在于，所述端板(1)朝向所述绝缘板(2)的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口(6)连通的第一集流区(11)，两个所述第一集流区(11)之间连接有端板冷却流道(12)，所述端板冷却流道(12)分布设置在两个所述第一集流区(11)之间端板(1)上；所述端板(1)上还具有围绕所述第一集流区(11)和端板冷却流道(12)呈环形设置的端板密封槽(13)，所述端板密封槽(13)内设置有端板密封圈(3)，所述端板密封圈(3)紧密地压在所述端板(1)和绝缘板(2)之间。

2.如权利要求1所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述绝缘板(2)的另一侧贴合地安装有集流板(4)，所述集流板(4)朝向所述绝缘板(2)的一侧凹陷地形成有两个分别与所述主冷却液口(6)连通的第二集流区(41)，两个所述第二集流区(41)之间连接有集流板冷却流道(42)，所述集流板冷却流道(42)分布设置在两个所述第二集流区(41)之间集流板(4)上；所述集流板(4)上还具有围绕所述第二集流区(41)和集流板冷却流道(42)呈环形设置的集流板密封槽(43)，所述集流板密封槽(43)内设置有集流板密封圈(5)，所述集流板密封圈(5)紧密地压在所述集流板(4)和绝缘板(2)之间。

3.如权利要求2所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述端板(1)和集流板(4)上均具有两个沿厚度方向贯通设置的主冷却液口(6)，所述端板(1)、绝缘板(2)和集流板(4)上的主冷却液口(6)对应设置。

4.如权利要求1所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述端板(1)背离所述绝缘板(2)的一侧具有沿边缘突出形成的凸缘，所述凸缘内连接横纵交错的凸棱。

5.如权利要求1所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述第一集流区(11)整体呈梯形，且底边沿所述端板(1)的宽度方向设置，并朝向所述端板的中部；所述端板冷却流道(12)连接至两个所述第一集流区(11)的底边。

6.如权利要求5所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述端板冷却流道(12)包括多个在所述端板(1)的宽度方向相互平行设置的端板流道槽，所述端板流道槽的两端与所述第一集流区(11)连通。

7.如权利要求2所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述第二集流区(41)整体呈梯形，且底边沿所述集流板(4)的宽度方向设置，并朝向所述集流板的中部；所述集流板冷却流道(42)连接至两个所述第二集流区(41)的底边。

8.如权利要求7所述的电堆端板的冷却结构，其特征在于，所述集流板冷却流道(42)包括多个在所述集流板(4)的宽度方向相互平行设置的集流板流道槽，所述集流板流道槽的两端与所述第二集流区(41)连通。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括电堆，所述电堆包括如权利要求1～8中任一权利要求所述的电堆端板的冷却结构。

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