CN210200873U - 仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道，包括入口流道、仿生鱼鳞型流道、出口流道、外壁、分隔流道和流场板；所述流场板由所述分隔流道分成两部分，两侧流场形式相同，流场板总厚度为3mm～5mm，流场板内的仿生鱼鳞型流道深度为0.8mm～1.5mm，仿生鱼鳞型流道上部设置4～8道入口流道，流场板的外壁设置成流线型。燃料电池冷却流道设置为仿生鱼鳞型流道，符合仿生学原理，能够使冷却液较为均匀地分布在流道内各个位置，且流速基本相同，进而使冷却液与双极板各处的换热更加均匀。

Description

仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转换为电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换不受卡诺循环限制，因此能量转换率高达60％-80％，实际使用效率是内燃机的2-3倍。质子交换膜燃料电池属于低温燃料电池，其工作温度一般在60-85℃，由于其工作温度低、功率密度高、冷启动快、无腐蚀、结构紧凑等优点广泛应用于电动汽车中。

质子交换膜燃料电池由于散热温差很小，过多的热量积累会导致热负荷很高；其次，反应物与产物的对流换热量及辐射带走的热量几乎可以忽略不计，这就意味着大部分的废热必须通过冷却系统去除。否则热量的积累会使电堆过热，从而损害其性能和耐久性，而且由于设计不当而产生的局部热点也会加速质子交换膜的损坏。燃料电池的反应速率和电流密度与冷却液流场温度分布有关，因此必须在有效区域表面保持温度均匀，以获得均匀的电流密度。虽然增大冷却液流速可以提高均匀性，但是却会增大制冷循环的能耗，使燃料电池的供能经济性在一定程度上有所下降。冷却流道的几何形状是决定冷却性能的关键因素之一，因为它与通道内的速度和温度分布直接相关，因此可以通过改变冷却流道的几何形状来增大燃料电池的冷却性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道，其特征在于：包括入口流道、仿生鱼鳞型流道、出口流道、外壁、分隔流道和流场板；所述流场板由所述分隔流道分成两部分，两侧流场形式相同，流场板总厚度为3mm～5mm，流场板内的仿生鱼鳞型流道深度为 0.8mm～1.5mm，仿生鱼鳞型流道上部设置4～8道入口流道，流场板的外壁设置成流线型，出口流道数量和尺寸与入口流道数量和尺寸相同，且与入口流道上下对称设置在流场板上。

优选地，所述仿生鱼鳞型流道交错布置或平行布置在流场板上。

本实用新型的有益效果是:本实用新型的优点在于,燃料电池冷却流道设置为仿生鱼鳞型流道，符合仿生学原理，能够使冷却液较为均匀地分布在流道内各个位置，且流速基本相同，进而使冷却液与双极板各处的换热更加均匀。本方案提出的冷却流道形式，使燃料电池的工作性能和耐久性得到了进一步的提升；本方案提出的冷却流道形式可以与不同形式不同材质的燃料电池双极板进行组合，应用范围较广；本方案提出的冷却流道形式相比传统流道来说可以降低双极板表面最高温度，并使温度分布更加均匀；本方案提出的冷却流道形式相比传统流道来说可以降低冷却液进出口压降，从而降低冷却液循环能耗，流场板总体布局形状、仿生鱼鳞型流道的尺寸、间距及排列可以调控。总而言之，本实用新型所提出的燃料电池冷却流道可以更为有效地将电化学反应中产生的多余热量带走，降低双极板表面平均温度并使热量分布均匀，减少燃料电池热点的产生，降低冷却液循环能耗，进而提升燃料电池的发电效率和耐久性，除此之外，燃料电池冷却流道总体布局形状、仿生鱼鳞型流道的尺寸、间距及排列灵活可调控。

附图说明

图1为典型的质子交换膜燃料电池冷却流道示意图；

图2为仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1- 图2所示，一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道，包括入口流道1、仿生鱼鳞型流道2、出口流道3、流线型外壁4和分隔流道5。流场板可采用石墨材料、金属材料、复合材料或其他材料制成，流场板由分隔流道5分为两部分，两侧流场形式相同，板总厚度为3mm～5mm，形成的板内冷却液流道深度为 0.8mm～1.5mm。冷却流道上部设置4～8道入口流道1，仿生鱼鳞型流道2大小和数量根据燃料电池电堆的输出功率进行设置，燃料电池功率越高时，流道尺寸越小，流道布置越密。为了使冷却液均匀地分布在冷却流道的各个位置，更均匀地与燃料电池双极板进行换热，且基本具有相同的流速，燃料电池冷却流道设置为仿生鱼鳞型流道2,流场板外壁4设置成流线型，这样更加有利于冷却剂在流道中的流动，仿生鱼鳞型流道2交错布置或平行布置，燃料电池温度越高，间隔就越小，冷却液通过仿生鱼鳞型流道2，使冷却液能均匀地分布在流道内各个位置，且流速基本相同，从而使冷却液与双极板各处的换热更加均匀，提升换热能力，最终达到提高燃料电池组发电效率的目的；出口流道3数量和尺寸与入口流道数量和尺寸相同，且上下对称设置，冷却液最后从出口流道3流出并进行循环。

流道结构为仿生鱼鳞型流道。鱼类的鱼鳞是经过了进化的选择形成的高效的优化结构，鱼鳞可使鱼体减少与水的摩擦，减少阻力，所述鱼鳞型冷却流道结构为与鱼类鱼鳞型态相似的仿生鱼鳞型流道。本实用新型依照鱼类鱼鳞的特点，引入形态相似的鱼鳞型冷却流道，来增强冷却效果。

考虑到流动阻力，在保证能耗较小的情况下，且确保冷却液能较为均匀的分布在流场各个位置，燃料电池冷却流道设置为仿生鱼鳞型流道,且流场板外壁设置成流线型。所述冷却流道需要按照粗糙度和平整度要求进行加工，保证光滑平整，冷却液能顺利通过。流道的加工加工方式根据实际情况进行选择，本实用新型不对其进行限定。

下面将本实用新型实施例提供的如图2仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道与图1中传统直流道进行比较：

本实施例中，在质子交换膜燃料电池冷却流场板上，冷却流道的整体布局为100mm*100mm，所述的入口流道和出口流道的宽度为2mm，长度为6.5mm,间隔为2mm；仿生鱼鳞型流道高度为2mm,宽度为3.5mm,上下间距为1mm,左右间距为 1.8mm,仿生鱼鳞型流道交错分布。由于本流道左右两侧对称，因此仅采用二分之一流道进行对比。

实用新型的对比例：对比例采用传统的直流道设计，参数与本实施例流道相同，冷却液入口质量流量和流体域面积与本实例相同。

将本实施例在相同操作条件下与对比例的传统直流道进行了性能比较，试验条件为：入口质量流量为2*10-3kg/s，冷却水入口温度为40℃，上下壁面热流密度为5000W/m2。

对比例温度在中间靠下区域温度较高，表面最大温度为324.4K，而实用新型例中温度分布较为均匀，且表面最大温度为321.6K，由此可知，本实用新型实施例冷却性能更好。

对比例进出口压降为2116Pa，本实用新型实施例进出口压降为1902Pa，本实用新型实施例相比直流道来说可以降低冷却液进出口压降，从而降低冷却液循环能耗。

由上述比较可得，本实用新型提出的冷却流道形式相比传统直流道来说可以降低双极板表面最高温度，使温度分布更加均匀，并可以减少局部热点的产生；本方案提出的冷却流道形式相比传统直流道来说可以降低冷却液进出口压降，从而降低冷却液循环能耗。

本实用新型对质子交换膜燃料电池冷却流道进行了设计，根据流场板总体布局形状、仿生鱼鳞型流道的尺寸、间距及排列可以调控的特点，提高冷却性能、提高电池性能及寿命。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道，其特征在于：包括入口流道、仿生鱼鳞型流道、出口流道、外壁、分隔流道和流场板；所述流场板由所述分隔流道分成两部分，两侧流场形式相同，流场板总厚度为3mm～5mm，流场板内的仿生鱼鳞型流道深度为0.8mm～1.5mm，仿生鱼鳞型流道上部设置4～8道入口流道，流场板的外壁设置成流线型，出口流道数量和尺寸与入口流道数量和尺寸相同，且与入口流道上下对称设置在流场板上。

2.根据权利要求1所述的仿生鱼鳞型质子交换膜燃料电池冷却流道，其特征在于，所述仿生鱼鳞型流道交错布置或平行布置在流场板上。

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