CN116053512B - 一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多组单电池层叠组装而成，所述单电池由冷却板一、阳极板、阴极板、膜电极和冷却板二组成，其中，所述冷却板一的顶端设有所述阳极板，所述阳极板的顶端设有所述阴极板，所述阴极板的顶端设有所述冷却板二，所述阳极板与所述阴极板之间设有所述膜电极。有益效果为：由若干条椭圆形流道与直流道相间排列的链形单流道构成，椭圆形流道的中心增加椭圆形导流柱，增加了冷却液流经的路程，有效提高了电池整体的温度均匀性以及冷却液吸收热量的效率。

Description

一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体来说，涉及质子交换膜燃料电池冷却板的冷却液流道结构设计，尤其涉及有利于质子交换膜燃料电池散热性能的流道结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池通过电化学反应产生动力，具有环境友好、功率大等优点。质子交换膜燃料电池在反应过程中产生的热量主要通过三种方式排除，即自身的热辐射、电池内水汽化散热和冷却液对流换热。冷却液对流换热占总散热的90％左右，将质子交换膜燃料电池的高效稳定运行温度应控制在60℃～80℃。质子交换膜燃料电池的冷却板的散热效率将影响到燃料电池的传热传质过程，最终影响到燃料电池的燃料利用效率和电池的整体输出性能。

平行流道和蛇形流道是经典的传统冷却液流道结构。典型的平行流道包括一个入口流道和一个出口流道，具有多个分支流道，每个分支流道的进口与入口的主流道相连通，每个分支点的出口与出口的主流道相连通，冷却液通过入口的主流道进入流道，通过各个分支流道，对质子交换膜燃料电池进行吸热后，在出口的主流道处回合后，在出口处排出。由于平行流道的结构特点，流道平直且无导流柱，冷却液流速过快，使冷却液无法对燃料电池的反应热进行充分的吸收，以至于在一定的冷却液流速下，燃料电池的温度过高，从而影响到燃料电池的整体性能。蛇形流道包括多个平行的入口流道，然后通过多个直角弯折呈弓字型流经整个冷却板，最后平行地从出口处流出。传统的蛇形流道，冷却液经过每一次直角弯折都会失去一定的压力损失，导致冷却液的压降过大，需要更多的压力补偿来支持冷却液的流动，从而影响燃料电池整体的经济性。此外，冷却液流经的路程过长，从而导致出口和入口处的温差过大，使燃料电池整体的温度分布不均，也会导致燃料电池的输出性能。

关于质子交换膜燃料电池冷却流道的设计，需要探索和设计更好的冷却液流道结构，使流场具有较好的散热性能、均匀性、可靠性和可接受的压降范围，从而提高燃料电池整体的输出性能。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多组单电池层叠组装而成，所述单电池由冷却板一、阳极板、阴极板、膜电极和冷却板二组成，其中，所述冷却板一的顶端设有所述阳极板，所述阳极板的顶端设有所述阴极板，所述阴极板的顶端设有所述冷却板二，所述阳极板与所述阴极板之间设有所述膜电极；

所述阳极板与所述阴极板的尺寸相匹配并组成双极板，所述双极板与冷却板一和所述冷却板二关于所述膜电极呈对称分布，所述冷却板一、所述阳极板、所述阴极板和所述冷却板二上的周边四角均对应设有固定孔；

所述冷却板一和所述冷却板二相互靠近的一端均开设有若干均匀分布的链形单流道，若干所述链形单流道形成冷却液流道结构，相邻两条所述链形单流道呈横向等间距、纵向交替分布，所述冷却板一和所述冷却板二上且位于若干所述链形单流道的两侧分别设有入口主流道和出口主流道，顶端所述入口主流道和所述出口主流道相互远离的一侧且位于所述冷却板一和所述冷却板二上分别相对应开设有流道入口和流道出口，若干所述链形单流道通过所述入口主流道与所述流道入口相贯通，若干所述链形单流道通过所述出口主流道与所述流道出口相贯通。

作为优选的，若干所述链形单流道由若干个椭圆形流道和若干个直流道间隔排列构成，所述椭圆形流道由椭圆形凹槽流场和中心的椭圆形凸台组成。

作为优选的，所述链形单流道形成的冷却液流道结构的总有效长度为L，总有效宽度为W；相邻两条所述链形单流道的横向间距S满足：

作为优选的，所述椭圆形流道所在的椭圆形的长轴A满足短轴B满足：

作为优选的，所述直流道的长度h满足：

作为优选的，所述椭圆形凸台所在的椭圆形的长轴a满足：短轴b满足：/>

作为优选的，相邻两条所述链形单流道中的对应出现的所述椭圆形流道在流动方向上的位移d满足：

本发明的有益效果为：

一、本发明质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构由若干条椭圆形流道与直流道相间排列的链形单流道构成，椭圆形流道的中心增加椭圆形导流柱，增加了冷却液流经的路程，有效提高了电池整体的温度均匀性以及冷却液吸收热量的效率。

二、相邻两条链形单流道的椭圆形流道沿流动方向相互交替出现，这种设计使得冷却液在冷却板上的分布更加均匀，能够尽可能增大冷却液流经冷却板表面的面积，从而冷却液更加充分地吸收燃料电池反应产生的热量。

三、椭圆形流道结构更加趋近于流线形，使得冷却液从入口流道到出口流道的整个流通过程更加顺畅，从而有效降低冷却液的压力损失，进一步增加了燃料电池整体的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是根据本发明实施例的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构中单电池的爆炸图；

图2是根据本发明实施例的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构中冷却板的结构示意图之一；

图3是根据本发明实施例的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构中冷却板的结构示意图之二；

图4是根据本发明实施例的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构中冷却流道尺寸图。

图中：

1、冷却板一；2、阳极板；3、阴极板；4、膜电极；5、冷却板二；6、双极板；7、固定孔；8、链形单流道；9、入口主流道；10、出口主流道；11、流道入口；12、流道出口；13、椭圆形流道；14、直流道；15、椭圆形凸台。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构。

实施例一；

如图1-4所示，根据本发明实施例的质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多组单电池层叠组装而成，所述单电池由冷却板一1、阳极板2、阴极板3、膜电极4和冷却板二5组成，其中，所述冷却板一1的顶端设有所述阳极板2，所述阳极板2的顶端设有所述阴极板3，所述阴极板3的顶端设有所述冷却板二5，所述阳极板2与所述阴极板3之间设有所述膜电极4；

所述阳极板2与所述阴极板3的尺寸相匹配并组成双极板6，所述双极板6与冷却板一1和所述冷却板二5关于所述膜电极4呈对称分布，所述冷却板一1、所述阳极板2、所述阴极板3和所述冷却板二5上的周边四角均对应设有固定孔7；

所述冷却板一1和所述冷却板二5相互靠近的一端均开设有若干均匀分布的链形单流道8，若干所述链形单流道8形成冷却液流道结构，相邻两条所述链形单流道8呈横向等间距、纵向交替分布，所述冷却板一1和所述冷却板二5上且位于若干所述链形单流道8的两侧分别设有入口主流道9和出口主流道10，顶端所述入口主流道9和所述出口主流道10相互远离的一侧且位于所述冷却板一1和所述冷却板二5上分别相对应开设有流道入口11和流道出口12，若干所述链形单流道8通过所述入口主流道9与所述流道入口11相贯通，若干所述链形单流道8通过所述出口主流道10与所述流道出口12相贯通。

燃料电池开始工作时，冷却液从流道入口进入流道，通过入口主流道分流到各个链形单流道，交替出现的椭圆形流道使冷却液能够更加均匀的分布在整个冷却板上，冷却液吸收热量之后从各个链形单流道汇聚于出口主流道，再经流道出口并排出。冷却液流道均为链形单流道组成，并且相邻两条链形单流道相邻两条单流道呈横向等间距、纵向交替分布，链形单流道由椭圆形流道与直流道间隔排列构成，并且每个椭圆形流道由椭圆形凹槽流场和中心的椭圆形凸台组成，这种排列的方式增加了冷却液的散热面积，有利于冷却液在整个流场中的温度更加均匀，有利于电池保持在60℃至80℃的最佳工作温度中，提高气体的反应效率，并增加燃料电池的整体工作性能。

如3图所示，所述的链形单流道椭圆形流道与直流道交替出现，相对于单一的直流道增加了冷却液流经冷却板的面积，有利于增加冷却液吸收热量的效率。

实施例二；

如图1-4所示，若干所述链形单流道8由若干个椭圆形流道13和若干个直流道14间隔排列构成，所述椭圆形流道13由椭圆形凹槽流场和中心的椭圆形凸台15组成，所述链形单流道8形成的冷却液流道结构的总有效长度为L，总有效宽度为W；相邻两条所述链形单流道8的横向间距S满足：所述椭圆形流道13所在的椭圆形的长轴A满足短轴B满足：/>所述直流道14的长度h满足：/>所述椭圆形凸台15所在的椭圆形的长轴a满足：/>短轴b满足：/>相邻两条所述链形单流道8中的对应出现的所述椭圆形流道13在流动方向上的位移d满足：

设置适合的椭圆形流道的长轴与短轴的比例，有减小利于冷却液的压力损失，冷却液增压耗能需要燃料电池本身发电提供，减小冷却液压力损失有利于减少燃料电池用于冷却液增压的电量，提高燃料电池整体的经济性。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。

在实际应用时，质子交换膜燃料电池开始工作时，冷却液从冷却流道入口进入流道，通过入口主流道分流到各个链形单流道中，由于链形单流道的结构特点，冷却液可以更加均匀地流入到冷却板的各个位置，对燃料电池反应所产生的热量进行吸收，冷却液吸收热量之后从各个链形单流道汇聚于出口主流道，再经流道出口并排出。

冷却液流道的结构由若干条链形单流道并排交替排列构成，链形单流道由若干个椭圆形流道和若干个直流道间隔排列构成，并且椭圆形流道由椭圆形凹槽流场和中心的椭圆形凸台组成，这种结构特点极大地增加了冷却液与双极板的接触面积，增加了冷却液的利用效率，使冷却液可以更加均匀有效地带走燃料电池工作所产生的热量，同时椭圆形流道可以有效降低冷却液的流速，防止冷却液因流速过快而未及时吸收燃料电池放出的热量，更加充分地吸收余热，从而增加燃料电池整体的经济性。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过由若干条椭圆形流道与直流道相间排列的链形单流道构成，椭圆形流道的中心增加椭圆形导流柱，增加了冷却液流经的路程，有效提高了电池整体的温度均匀性以及冷却液吸收热量的效率，相邻两条链形单流道的椭圆形流道沿流动方向相互交替出现，这种设计使得冷却液在冷却板上的分布更加均匀，能够尽可能增大冷却液流经冷却板表面的面积，从而冷却液更加充分地吸收燃料电池反应产生的热量，椭圆形流道结构更加趋近于流线形，使得冷却液从入口流道到出口流道的整个流通过程更加顺畅，从而有效降低冷却液的压力损失，进一步增加了燃料电池整体的经济性。

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

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，包括燃料电池，所述燃料电池由多组单电池层叠组装而成，其特征在于，所述单电池由冷却板一(1)、阳极板(2)、阴极板(3)、膜电极(4)和冷却板二(5)组成，其中，所述冷却板一(1)的顶端设有所述阳极板(2)，所述阳极板(2)的顶端设有所述阴极板(3)，所述阴极板(3)的顶端设有所述冷却板二(5)，所述阳极板(2)与所述阴极板(3)之间设有所述膜电极(4)；

所述阳极板(2)与所述阴极板(3)的尺寸相匹配并组成双极板(6)，所述双极板(6)与冷却板一(1)和所述冷却板二(5)关于所述膜电极(4)呈对称分布，所述冷却板一(1)、所述阳极板(2)、所述阴极板(3)和所述冷却板二(5)上的周边四角均对应设有固定孔(7)；

所述冷却板一(1)和所述冷却板二(5)相互靠近的一端均开设有若干均匀分布的链形单流道(8)，若干所述链形单流道(8)形成冷却液流道结构，相邻两条所述链形单流道(8)呈横向等间距、纵向交替分布，所述冷却板一(1)和所述冷却板二(5)上且位于若干所述链形单流道(8)的两侧分别设有入口主流道(9)和出口主流道(10)，顶端所述入口主流道(9)和所述出口主流道(10)相互远离的一侧且位于所述冷却板一(1)和所述冷却板二(5)上分别相对应开设有流道入口(11)和流道出口(12)，若干所述链形单流道(8)通过所述入口主流道(9)与所述流道入口(11)相贯通，若干所述链形单流道(8)通过所述出口主流道(10)与所述流道出口(12)相贯通，若干所述链形单流道(8)由若干个椭圆形流道(13)和若干个直流道(14)间隔排列构成，所述椭圆形流道(13)由椭圆形凹槽流场和中心的椭圆形凸台(15)组成。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，其特征在于，所述链形单流道(8)形成的冷却液流道结构的总有效长度为L，总有效宽度为W；相邻两条所述链形单流道(8)的横向间距S满足：

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，其特征在于，所述椭圆形流道(13)所在的椭圆形的长轴A满足短轴B满足：

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，其特征在于，所述直流道(14)的长度h满足：

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，其特征在于，所述椭圆形凸台(15)所在的椭圆形的长轴a满足：短轴b满足：

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池冷却板的链形冷却液流道结构，其特征在于，相邻两条所述链形单流道(8)中的对应出现的所述椭圆形流道(13)在流动方向上的位移d满足：