CN114709441B - 一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池极板技术领域，提出了一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法，本发明在冷却液流道的进出口处设置了流量控制结构，可通过反应气流道中的温度传感器传输信息进行流量控制，实现了冷却与反应物流道截面积相结合的的目的，同时，在极板的反应气体流道与冷却液流道之间布设多个弹性体，可通过控制冷却液流道进出口流量来控制弹性体的扩张和收缩，从而达到控制反应气流道截面积的目的；实现了根据燃料电池的工作状态改变流道形状或反应气体通道截面积的效果。

Description

一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池极板技术领域，尤其涉及一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法。

背景技术

目前，关于质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池的流道结构设计方案，研究学者们给出了大量的方法，具体可分为三大类：一种是对常用的流道结构几何参数进行改进，包括对平行流道、蛇形流道和交指型流道等几种常用流道结构进行优化，具体包括流道深度、圆角半径和进出口长宽比等几何要素的优化设计；另一种是在常用流道的基础之上增设不同形状和大小的隔板或者阻块，通过改进反应气体在流道内部的局部传输过程以影响燃料电池内部的质量传输过程，进一步提高燃料电池的性能表现；第三种是向自然界中的奇妙结构学习，运用仿生学手段设计出一些新型流道，比如蜂巢状和鱼鳍状等等；目前燃料电池的流道皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变。另外，质子交换膜燃料电池堆在正常功率密度条件下运行时，其能量转化效率通常只能达到40％～60％，未转化为电能的能量需要以热量的形式散发，以维持电池堆热平衡。由于电池堆工作温度较低，其与环境自然对流换热、辐射换热以及电池堆出口气体带走的热量均较少，一般可以忽略，因此，电池堆热平衡主要由冷却剂带走的热量决定；电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大。

发明人发现，关于流道结构设计，现有燃料电池流道构型皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态改变流道形状或反应气体通道截面积，现有燃料电池流道在保证反应气分布均匀性及良好的排水性能时，其流道压降较大，造成较多的泵气损失，对于流道压降小的构型，其排水性或反应气体分布均匀性不佳；现有燃料电池还没有将冷却与反应物流道截面积相结合的措施。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法，本发明提供了一种新型的燃料电池极板组件及燃料电池冷却、反应物流道截面积变化的联动控制策略；实现了燃料电池冷却及排水的综合控制，提高了燃料电池功率密度。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种可变截面流道极板，采用如下技术方案：

一种可变截面流道极板，包括：

极板本体，两侧面上对称开设有多个反应气流道，中间部位与所述反应气流道交错位置开设有多个冷却液流道；

流量控制结构，设置在所述冷却液流道的入口和出口处，所述流量控制结构用于根据所述反应气流道中的温度调节所述冷却液流道中冷却液的流量；

多个弹性体，设置在所述反应气流道的内壁上，所述反应气流道与所述冷却液流道之间开设有多个通道，所述弹性体密封于所述通道靠近所述反应气流道的一端。

进一步的，所述反应气流道垂直轴线的截面为矩形，相邻两个反应气流道之间设置有脊；所述冷却液流道垂直轴线的截面为圆形，开设在所述极板本体对应两个脊之间。

进一步的，所述流量控制结构外部开设有外螺纹，所述冷却液流道进口和出口处开设有内螺纹，所述流量控制结构通过内螺纹和外螺纹配合设置在所述冷却液流道进口和出口内；所述流量控制结构包括阀体以及设置在所述阀体上的柱塞，通过控制所述柱塞的上下移动控制冷却液流通面积，控制冷却液流量。

进一步的，多个弹性体沿所述反应气流道轴向方向均匀分布；相邻两个反应气流道中的多个弹性体交错分布。

进一步的，所述弹性体为圆形，边缘处固定在加固环上，所述加固环通过过盈连接方式固定在所述通道靠近所述反应气流道的端口处。

进一步的，所述极板本体两侧的弹性体对称设置，所述通道垂直所述冷却液流道轴向的截面为三通结构，所述通道的一个通道与所述冷却液流道连通，另外两个通道的端口处设置两个对称的弹性体。

进一步的，所述反应气流道内设置有温度传感器。

为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种可变截面流道冷却系统，采用如下技术方案：

一种可变截面流道冷却系统，至少包括如第一方面中所述的可变截面流道极板。

为了实现上述目的，第三方面，本发明还提供了一种电池，采用如下技术方案：

一种电池，至少包括如第二方面中所述的可变截面流道冷却系统。

为了实现上述目的，第四方面，本发明还提供了一种可变截面流道极板控制方法，采用如下技术方案：

一种可变截面流道极板控制方法，采用了如第一方面中所述的可变截面流道极板，包括：

通过反应气流道中的温度传感器传输信息进行流量控制，当温度大于预设值时，进口和出口处流量控制结构的开度增大，冷却液流量增大，当温度低于预设值时，出口处流量控制结构的开度减小；

通过控制冷却液流道进口和出口流量来控制弹性体的膨度的收缩，进行反应气流道截面积的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明中，在冷却液流道的进出口处设置了流量控制结构，可通过反应气流道中的温度传感器传输信息进行流量控制，实现了冷却与反应物流道截面积相结合的的目的，同时，在极板的反应气体流道与冷却液流道之间布设多个弹性体，可通过控制冷却液流道进出口流量来控制弹性体的扩张和收缩，从而达到控制反应气流道截面积的目的；实现了根据燃料电池的工作状态改变流道形状或反应气体通道截面积的效果；

2、本发明通过实时改变反应气体流道截面以及冷却液流道的流量，提改善了燃料电池平行流场不易排水导致水淹的现象，同时，将燃料电池冷却及流场流道截面积变化实现联动，使得燃料电池始终工作在最佳状态，在减小了气体流道压降的同时，改善反应气体分布的均匀性；提高了燃料电池工作效率，并降低了控制成本。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的局部结构示意图；

图2为本发明实施例1的剖面示意图弹性体安装处局部剖面图；

图3为本发明实施例1的剖面示意图流量控制结构安装位置示意图；

图4为本发明实施例1的流量控制结构安装示意图；

图5为本发明实施例1的流量控制结构结构示意图；

图6为本发明实施例2的剖面示意图设置有旁通阀的冷却系统；

其中，1、极板本体；2、弹性体；3、螺塞；4、冷却液流道；5、反应气流道；6、加固环；7、流量控制结构；8、通道。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

当前，世界各国都在进行能源体系改革，高度重视新能源技术的研发与应用，以应对日益严重的环境恶化和能源匮乏问题。燃料电池技术由于其具有高效、清洁无污染的特点，受到各国政府和企业的重视。质子交换膜燃料电池的基本组成结构，主要包括阴阳两极的双极板、气体扩散层、微孔层、催化层、质子交换膜几部分。

名词解释：

1、质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜；nafion重铸膜；非氟聚合物质子交换膜；新型复合质子交换膜等。

2、极板，化学电源的两个电极由活性物质和支撑及导电用的“集电体”组成，一般为片状多孔体，称为极板。极板在制作时往往并非把活性物质直接加入集电体中，而是将原材料制成胶糊状，涂敷在板栅之上，或者将原材料灌入玻璃丝管中，再经化成过程生成活性物质。前者称为涂膏式极板(pasted plate)，后者称为管式极板(tubular plate)，这是铅酸蓄电池常见的两种极板形式。也可将原材料填入多孔的基板之中，经烧结和化成制成烧结式极板(sintered plate)，碱性电池的镍电极即用此法制成。

正如背景技术中指出的，目前，关于质子交换膜燃料电池的流道结构设计方案，研究学者们给出了大量的方法，具体可分为三大类：一种是对常用的流道结构几何参数进行改进，包括对平行流道、蛇形流道和交指型流道等几种常用流道结构进行优化，具体包括流道深度、圆角半径、进出口长宽比等几何要素的优化设计；另一种是在常用流道的基础之上增设不同形状和大小的隔板或者阻块，通过改进反应气体在流道内部的局部传输过程以影响燃料电池内部的质量传输过程，进一步提高燃料电池的性能表现；第三种是向自然界中的奇妙结构学习，运用仿生学手段设计出一些新型流道，比如蜂巢状、鱼鳍状等等。目前燃料电池的流道皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变；目前燃料电池的流道皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变。

另外，PEM燃料电池堆在正常功率密度条件下运行时，其能量转化效率通常只能达到40％～60％，未转化为电能的能量需要以热量的形式散发，以维持电池堆热平衡。由于电池堆工作温度较低，其与环境自然对流换热、辐射换热以及电池堆出口气体带走的热量均较少，一般可以忽略，因此，电池堆热平衡主要由冷却剂带走的热量决定。电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大。此外，从能量利用角度来看，车载燃料电池冷却系统释放的热量可用于进口气体预热、加湿及汽车乘员舱供暖等，冷却系统热量的回收利用对动力系统整体效率的提升有重要意义；电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大。

实施例1：

为了解决目前燃料电池的流道皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变的问题，以及解决电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大的问题，如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种可变截面流道极板，包括极板本体1，所述极板本体1上开设有冷却液流道4和反应气流道6；具体的，可以在所述极板本体1的两侧面上对称开设有多个反应气流道5，中间部位与所述反应气流道5交错位置处开设有多个冷却液流道4；

如图4所示，本实施例中，包括流量控制结构7，设置在所述冷却液流道4的入口和出口处，所述流量控制结构7用于根据所述反应气流道5中的温度调节所述冷却液流道4中冷却液的流量，所述流量控制结构7可以为流量控制计；实现了所述冷却液流道4截面流量可控制，解决了冷却液流道截面固定的问题；

还包括多个弹性体2，设置在所述反应气流道5的内壁上，具体的，可以设置在所述反应气流道5的内侧壁上；所述反应气流道5与所述冷却液流道4之间开设有多个通道8，所述弹性体2密封于所述通道8靠近所述反应气流道5的一端；可以理解的，所述弹性体2可以设置为不能被液体和气体贯穿的柔性薄膜，比如具有弹性的橡胶薄膜；所述冷却液流道4内的冷却液通过所述管道8可以流向所述反应气流道5方向，在所述弹性体2的阻挡下，所述通道8内的冷却液不能进入所述反应气流道5内，但是冷却液与所述弹性体2处于所述通道8内的侧面接触；所述冷却液流道4内的冷却液在所述流量控制结构7调节下，流量发生变化，从而使得所述冷却液流道4和所述通道8内的冷却液压力发生变化，当冷却液压力变大时，冷却液推着所述弹性体2向所述反应气流道5内膨胀，当冷却液压力减小时，反应气体推着所述弹性体2向所述冷却液流道4内膨胀，这样，通过弹性体2相对于在所述反应气流道5内的膨胀和收缩，实现了对所述反应气流道5截面的调节。

本实施例中，所述反应气流道5垂直轴线的截面可以为矩形，可以理解的，所述轴线方向可以理解为所述反应气流道5的长度方向或所述反应气流道5内气体的流向；相邻两个反应气流道5之间设置有脊；所述冷却液流道4垂直轴线的截面为圆形，开设在所述极板本体1对应两个脊之间。

本实施例中，所述流量控制结构7外部可以开设有外螺纹，所述冷却液流道4进口和出口处可以开设有内螺纹，所述流量控制结构7通过内螺纹和外螺纹配合设置在所述冷却液流道4进口和出口内；具体的，如图5所示，所述流量控制结构7的具体结构可以包括阀体71、衬套72、柱塞73和密封件74，可以在所述阀体71上开设外螺纹与所述所述冷却液流道4进口和出口内的内螺纹配合；所述流量控制结构7的工作过程可以理解为主要通过控制所述柱塞73的上下移动控制流道流通面积，进而控制冷却液流量，以图5为参考时，流体方向从左至右。

除在所述冷却液流道4进口和出口处分别设置流量计外，还应分别设置一个压力传感器，用于检测进出口压差，由于冷却液通道4的几何形状确定，在进出口压差确定的情况下，可以计算出冷却液流量。

本实施例中，多个弹性体2沿所述反应气流道5轴向方向均匀分布，各通道中相邻弹性体2的相距可以设置为8mm，；相邻两个反应气流道5中的多个弹性体2交错分布，有利于反应气向气体扩散层均匀扩散；需要说明的是，所述反应气流道5垂直轴线的截面可以为矩形，保证了所述反应气流道5内侧面为平面，有利于所述弹性体2的设置，也有利于在所述弹性体2部发生膨胀或收缩时，使得所述弹性体2所在的平面与所述反应气流道5内侧面所在的平面齐平，减小所述弹性体2对所述反应气流道5内截面的影响。

本实施例中，所述弹性体2可以为圆形、矩形或其他形状不规则的柔性薄膜，边缘处固定在加固环6上，所述加固环6通过过盈连等接方式固定在所述通道8靠近所述反应气流道5的端口处；可以理解的，所述加固环6为圆形、矩形或其他形状不规则的框架，可以通过胶粘接等方式将弹性体2的边缘处固定在所述加固环6上，所述加固环6固定在所述通道8的端口处，实现了所述弹性体2在所述通道8内的固定。

本实施例中，所述极板本体1两侧的弹性体2对称设置，所述通道8垂直所述冷却液流道4轴向的截面为三通结构，所述通道8的一个通道与所述冷却液流道4连通使得，所述冷却液流道4内的冷却液可以流向所述通道8内，另外两个通道的端口处设置两个对称的弹性体2，使得所述弹性体2的两个面分别与所述反应气流道5内的反应气体接触，以及与所述管道8内的冷却液接触；这样就实现了根据冷却液和反应气体的压力不同，导致所述弹性体2膨胀和收缩程度不同的目的；每个冷却液流道4相互独立，其进口和出口皆设置一个流量控制结构，用于控制或检测及控制进出口流量，每个冷却液通道4分别与一列弹性体2相连，可控制一列弹性体2的膨胀和收缩。

本实施例中，所述反应气流道5内设置有温度传感器，所述温度传感器为所述流量控制结构7控制流量提供参考；每个反应气流道5可以布三个温度传感器，用于检测反应温度；当流道反应温度过高时，所述冷却液流道4进口和出口处的流量控制计开口皆增大，提高冷却液流量，带走更多热量；当反应气流道反应温度过低时，所述冷却液流道4进口处流量控制计开度不变，出口处流量控制计开度减小，在减小冷却液流量的同时增大所述冷却液流道4内压力，弹性体2膨胀，所述反应气流道5截面积变小，提高流道排水性能，解除水淹现象，进出口流量控制计开度根据反应温度进行反馈调节。

所述极板本体1侧面设置有螺塞3，用于堵塞极板侧面的开孔；通过螺纹密封安装在极板侧面，避免冷却液露；具体的，极板侧面开孔，是为了加工方便，或者说是由于加工而留下的孔，也就存在了用所述螺塞3封闭孔的目的；在其他实施例中，如果加工过程中可不在侧面开孔，即可省去侧面用螺塞3密封防止冷却液泄露的操作。

本实施例的工作原理或工作原理为：

所述流量控制结构7螺纹配合于所述冷却液流道4的进口和出口，可通过所述反应气流道5中的温度传感器传输信息进行流量控制，当温度过高时，进口和出口处的流量控制结构7开度增大，冷却液流量增大，带走更多的反应热，当温度过低时，出口处的流量控制结构开度7开口减小，减小出口处冷却液流量的同时使得所述冷却液流道4中的压力变大，迫使所述弹性体2向所述反应气流道5内膨胀，可通过控制出口流量控制所述弹性体2的膨度；当然，也可以通过同时控制进口处和出口处的流量控制结构7开度，来调节控制速度，比如，在出口处的流量控制结构7开度增大的同时，入口处的流量控制结构7开度减小，或在出口处的流量控制结构7开度减小的同时，入口处的流量控制结构7开度增大，可以提高所述冷却液流道4内压力变化的速度，高控制速率；

所述弹性体2均匀分布于所述极板本体1的反应气体流道5中，所述弹性体2通过所述加固环6过盈配合于通道8的端口中，避免冷却液泄露；

相邻反应气流道5中的所述弹性体2交错分布，当其膨胀时更利于反应气的均匀扩散。

实施例2

如图6所示，本实施例提供了一种可变截面流道冷却系统，至少包括如实施例1中所述的可变截面流道极板，其他包括的部件和连接及设置方式均采用现有技术和常规设置即可实现；其中，可以在冷却液流道4的冷却液进口处的管道上设置有旁通阀，当冷却液压力过大时，旁通阀打开，用于系统过压保护。

实施例3

本实施例提供了一种电池，至少包括如实施例2中所述的可变截面流道冷却系统；具体的，冷却系统在整个电池中的设置和应用可以采用现有或常规方式实现设置，在此不再详述。

实施例4：

本实施例提供了一种可变截面流道极板控制方法，采用了如实施例1中所述的可变截面流道极板，包括：

通过反应气流道5中的温度传感器传输信息进行流量控制，当温度大于预设值时，进口和出口处流量控制结构7的开度增大，冷却液流量增大，当温度低于预设值时，出口处流量控制结构7的开度减小；

通过控制冷却液流道4进口和出口流量来控制弹性体的膨度的收缩，进行反应气流道5截面积的控制。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变截面流道极板，其特征在于，包括：

极板本体，两侧面上对称开设有多个反应气流道，中间部位与所述反应气流道交错位置开设有多个冷却液流道；

流量控制结构，设置在所述冷却液流道的入口和出口处，所述流量控制结构用于根据所述反应气流道中的温度调节所述冷却液流道中冷却液的流量；

多个弹性体，设置在所述反应气流道的内壁上，所述反应气流道与所述冷却液流道之间开设有多个通道，所述弹性体密封于所述通道靠近所述反应气流道的一端。

2.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，所述反应气流道垂直轴线的截面为矩形，相邻两个反应气流道之间设置有脊；所述冷却液流道垂直轴线的截面为圆形，开设在所述极板本体对应两个脊之间。

3.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，所述流量控制结构外部开设有外螺纹，所述冷却液流道进口和出口处开设有内螺纹，所述流量控制结构通过内螺纹和外螺纹配合设置在所述冷却液流道进口和出口内；所述流量控制结构包括阀体以及设置在所述阀体上的柱塞，通过控制所述柱塞的上下移动控制冷却液流通面积，控制冷却液流量。

4.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，多个弹性体沿所述反应气流道轴向方向均匀分布；相邻两个反应气流道中的多个弹性体交错分布。

5.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，所述弹性体为圆形，边缘处固定在加固环上，所述加固环通过过盈连接方式固定在所述通道靠近所述反应气流道的端口处。

6.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，所述极板本体两侧的弹性体对称设置，所述通道垂直所述冷却液流道轴向的截面为三通结构，所述通道的一个通道与所述冷却液流道连通，另外两个通道的端口处设置两个对称的弹性体。

7.如权利要求1所述的一种可变截面流道极板，其特征在于，所述反应气流道内设置有温度传感器。

8.一种可变截面流道冷却系统，其特征在于，至少包括如权利要求1-7任一项所述的可变截面流道极板。

9.一种电池，其特征在于，至少包括如权利要求8所述的可变截面流道冷却系统。

10.一种可变截面流道极板控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1-7任一项所述的可变截面流道极板，包括：

通过反应气流道中的温度传感器传输信息进行流量控制，当温度大于预设值时，进口和出口处流量控制结构的开度增大，冷却液流量增大，当温度低于预设值时，出口处流量控制结构的开度减小；

通过控制冷却液流道进口和出口流量来控制弹性体的膨度的收缩，进行反应气流道截面积的控制。