CN219716903U - 一种质子交换膜燃料电池结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种质子交换膜燃料电池结构，包括上端板、电池体和下端板；所述上端板和下端板分别位于所述电池体两侧，并堆叠密封连接，所述电池体上设置有自调节抽汽流动沸腾冷却流道；所述自调节抽汽流动沸腾冷却流道包括上流道、下流道和设置于上流道与下流道之间的活动空腔，所述活动空腔左右堆成布置，其中设置可活动的自调节抽汽滑板连接。本实用新型可以通过设计自调节抽汽流动沸腾冷却流道，使燃料电池的冷却系统成本减少50％以上，提高可靠性和热管控精准度；能够实现根据流量自动调节抽汽沸腾的抽汽孔位置，在不同工况下均能保持良好的抽汽效果，提高了高干度的流道区域传热性能，增大传热系数。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体是一种质子交换膜燃料电池结构。
背景技术
当今世界能源短缺与环境污染问题日益严重，因此可再生能源的开发利用日益受到各国重视。快速增长的能源需求，以及对传统能源枯竭及环境污染的担忧，使汽车行业面临着前所未有的挑战。其中质子交换膜燃料电池作为传统化石能源的替代，因其具有功率密度高、启动速度快、原料绿色环保、能量转换效率高、不受卡诺循环限制等优点而受到广泛关注。
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的工作温度在60℃到80℃之间，温度过低或过高都会对质子交换膜燃料电池的性能造成不利影响，甚至损坏燃料电池的内部构件。此外燃料电池的能量转换效率虽然高达55％，但仍有一半的能量转化为热量，这些热量必须通过有效的散热方式从燃料电池内部移除以防止其对燃料电池的运行造成影响。且由于燃料电池内部反应并不均匀，这会导致其产热区域也不均匀，这给燃料电池的精准控温增加了难度。然而，现有的燃料电池所采用的传统风冷或者液冷结构除了有散热量较小、热管控精准度差等缺点，还有大量余热无法利用、未考虑辐射冷却等缺陷。而且现有的液冷技术通常要满足燃料电池快速暖机和散热的需求，这就需要设置多个循环回路，这会导致现在的冷却系统复杂，设备繁多，可靠性差。有研究表明流动沸腾相较于风冷及水冷散热量更大，能够达到较高的热管控精准度。但是为了让冷却剂能够在散热部位达到沸腾状态以获得较好的散热效果及保持电池良好的冷启动性能需要预先对流体进行加热，这会耗费额外的能源。且有研究根据流动沸腾的机理发现，流动沸腾在干度高时传热系数会急剧下降，其传热性能恶化，在冷却流道后端容易出现热积聚现象。
申请公布号为CN 114864997 A的中国实用新型专利申请公开一种燃料电池的冷却系统及控制方法，系统包括：燃料电池控制器、第一循环冷却模块、第二循环冷却模块和换热器模块；燃料电池控制器用于控制各模块的工作；第一循环冷却模块用于低温工作模式下的循环冷却；第二循环冷却模块用于高温工作模式下的循环冷却；换热器模块用于高温工作模式下的第一循环冷却模块和第二循环冷却模块之间的热交换。该技术方案可以实现在不同的工作环境温度下，采用不同的工作模式，通过大小循环系统和内外循环系统相结合的方式来实现对电堆的温度控制，可根据环境温度的变化设定不同的电堆冷却系统工作模式，降低冷却系统整体运行功率。但其可靠性和冷却效果不理想，无法满足现有燃料电池的冷却需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对以上所述现有技术存在的不足，提供一种可以交替式自调节抽汽流动沸腾散热的质子交换膜燃料电池结构。
本实用新型所采取的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池结构，包括上端板、电池体和下端板；所述上端板和下端板分别位于所述电池体两侧，并堆叠密封连接，所述电池体上设置有自调节抽汽流动沸腾冷却流道。
所述自调节抽汽流动沸腾冷却流道包括上流道、下流道和设置于上流道与下流道之间的活动空腔，所述活动空腔左右堆成布置，通过设置可活动的自调节抽汽滑板连接。
所述自调节抽汽滑板的左端在所述左侧活动空腔内与测压弹簧连接，所述测压弹簧另一端部安装于所述左侧活动空腔内侧壁上。
所述自调节抽汽滑板中间布置有抽汽孔。
所述抽汽孔周围设置矩形挡板，且所述矩形挡板伸入所述下流道中。
所述上流道、活动空腔与下流道之间的壁厚为0.1mm。
所述下端板为板式换热器，分为上中下三层，上层为氢气层，中间层为冷却剂层，下层为氧气层，氢气层和氧气层可与冷却剂层进行换热，从而对反应气体进行预热。
所述上端板和下端板与电池体之间连接有绝缘板和导流板，所述上端板通过绝缘板和导流板上预留的冷却剂通孔与所述电池体上的自调节抽汽流动沸腾冷却流道连接相通。
在所述上端板上设置包括第一电控转向阀门、第二电控转向阀门以及连接第一电控转向阀门和第二电控转向阀门的管段；所述第一电控转向阀门和第二电控转向阀门安装于所述上端板内部，所述第一电控转向阀门连接于冷却剂进口处，所述第二电控转向阀门与第二冷却剂出口处连接。
所述电池体包括单电池及其集合体。
本实用新型针对燃料电池现有的流动沸腾技术中尚未考虑在干度较高的后半部分流道传热系数较低，且在操作工况变化时，高干度区域也会随之变化，容易出现热积聚等问题，通过设置抽汽孔结构，抽出干度较高的后半部分通道中的蒸汽，以提升后半部分冷却通道的传热系数，增强高干度区域传热性能；通过设置可自动识别流量大小和流向变化的抽汽孔及流道结构，能够使抽汽孔位置随着高干度区域的移动而移动，从而保证工况变化时的抽汽效果。
综上所述，本实用新型的有益效果是：通过设计自调节抽汽流动沸腾冷却流道，使燃料电池的冷却系统成本减少50％以上，提高可靠性和热管控精准度；能够实现根据流量和流速自动调节抽汽沸腾的抽汽孔位置，在不同工况下均能保持良好的抽汽效果，提高了高干度的流道区域传热性能，增大传热系数。
附图说明
图1为本实用新型一种质子交换膜燃料电池结构的装配结构图；
图2为本实用新型一种质子交换膜燃料电池结构的单电池冷却流道结构示意图；
图3为自调节抽汽流动沸腾冷却流道的截面结构图。
其中，101为上端板，102为电池体，103为下端板，203为第一电控转向阀门，204为第二电控转向阀门，205为第三电控转向阀门，206为第四电控转向阀门，401为上流道，402为下流道，403为抽汽孔，404为抽汽滑板，405为活动空腔，406为测压弹簧。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行进一步的说明。值得注意的是，以下具体实施例仅为本实用新型代表性之具体实施例，其中所举例之特定方法、装置、条件、材质等并非用于限定本实用新型或对应之具体实施例。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种质子交换膜燃料电池结构，如图1和图2所示，包括上端板101、电池体102和下端板103；所述上端板101和下端板103分别位于所述电池体102两侧，并堆叠密封连接，在所述上端板101和下端板103与所述电池体102之间连接有绝缘板和导流板。所述上端板101与电池体102之间从上至下依次连接有绝缘板和导流板，从上端板101流入的冷却剂可以通过绝缘板和导流板上预留的冷却剂通孔流进电池体102上的自调节抽汽流动沸腾冷却流道，对电池体102冷却后再通过绝缘板和导流板上预留的冷却剂通孔流出；下端板103与电池体102之间由下至上依次连接有导流板和绝缘板，从上端板101流出的冷却剂可经过外部温控循环模块的分支管路进入下端板103，冷却剂经上端板101却剂进口进入后，进入电池体102分配到电池单体中，在电池单体中进入其内部的自调节抽汽流动沸腾冷却流道，随后根据运行模式从第一冷却剂出口或第二冷却剂出口流出，经过外部温控循环模块的分支管路进入下端板103。其中，所述电池体包括单电池及其集合体。在所述上端板101上设置包括第一电控转向阀门203、第二电控转向阀门204以及连接第一电控转向阀门203和第二电控转向阀门204的管段。所述第一电控转向阀门203和第二电控转向阀门204安装于所述上端板101内部，所述第一电控转向阀门203连接于冷却剂进口处。可根据所述第二温度传感器所采集的第二温度T2或所述第三温度传感器所采集的第三温度T3与第二预设温度Tb的比较，所述第四电控转向阀门206可以在状态5和状态6间进行切换。所述第三电控转向阀门205安装于所述燃料电池模块的上端板101左侧第一冷却剂出口的连接管上，并与下端板103上的第三冷却剂进出口连接。可根据所述第二温度传感器所采集的第二温度T2或所述第三温度传感器303所采集的第三温度T3与第二预设温度Tb的比较，所述第三电控转向阀门205可以在状态3和状态4间进行切换。
所述第四电控转向阀门206安装于所述燃料电池模块上端板101右侧第二冷却剂出口的连接管上，并与下端板103上的第四冷却剂进出口连接。可根据所述第二温度传感器所采集的第二温度T2或所述第三温度传感器所采集的第三温度T3与第二预设温度Tb的比较，所述第四电控转向阀门206可以在状态5和状态6间进行切换。
如图3所示，所述电池体102上设置有自调节抽汽流动沸腾冷却流道。所述自调节抽汽流动沸腾冷却流道包括上流道401、下流道402和设置于上流道401与下流道402之间的活动空腔406，所述活动空腔406内通过设置可活动的自调节抽汽滑板404连接，所述自调节抽汽滑板404的左端部在所述活动空腔406内与测压弹簧405连接，所述测压弹簧405另一端部安装于所述活动空腔406左侧内侧壁上。所述活动空腔406设置有两个，分别位于自调节抽汽流动沸腾冷却流道的左侧和右侧端部。所述上流道401、活动空腔406与下流道402之间的壁厚为0.1mm。所述自调节抽汽滑板404可以根据检测到的流量及流向在活动空腔406中滑动，下流道402为冷却剂流动流道，其下面为电池体102的阴极侧，冷却剂在下流道402进行流动沸腾带走燃料电池所产生的热量。若干所述上流道401和下流道402分别与冷却剂汇集管连接，所述冷却剂汇集管与自调节抽汽流动沸腾冷却流道的冷却剂进出口连接。两个所述活动空腔406为密封腔室，活动空腔406正上方布置有上流道401，所述上流道401能够允许蒸汽流通。
所述自调节抽汽滑板404中间布置有矩形抽汽孔403，在沿程压差和气液密度差的作用下，蒸发的蒸汽能够从所述抽汽孔403自动抽向所述上流道401。所述抽汽孔403周围设置矩形挡板，且所述矩形挡板伸入所述下流道402中，能够通过矩形挡板承受的压力传导检测冷却剂的流量及流向，调节自动调节抽汽滑板404所处位置，从而改变抽汽孔403位置。所述自调节抽汽滑板404前端与所述测压弹簧406连接，所述测压弹簧406的一端固定在所述活动空腔406壁面，另一端与所述自调节抽汽滑板404连接。
所述自调节抽汽滑板404能够通过矩形挡板承受的压力传导检测冷却剂的流量及流向，通过调节所述自动调节抽汽滑板404所处位置从而改变抽汽孔403位置，其抽汽孔403的移动距离可根据伯努利方程和所述测压弹簧的劲度系数进行计算，其计算公式如下：
ΔF＝kΔx
其中ΔF为流量变化时冷却剂作用在矩形挡板上的力，Δx为抽汽孔可移动的距离，k为测压弹簧的劲度系数。
流量变化时冷却剂作用在矩形挡板上的力ΔF的计算如下所示：
ΔF＝ΔpA
其中Δp为流量变化时所产生的压力变化，A为矩形挡板伸入所述下流道402的面积，本实用新型中A＝1×1mm2；
流量变化时所产生的压力变化Δp(p1对应流量u1时的压力，p2代表流量u2时的压力)可根据伯努利方程计算：
在同一流道中当流速变化时，γ和g为定值，其中在水力学中成为压强水头，γ代表冷却剂的容重，本实用新型中为1510×103N/m3，g为重力常数，本实用新型中取值为9.8N/m3，u1为制冷剂变化前的流量值、u2为制冷剂变化前后的流量值，水平通道中Z1＝Z2，因此可以得到以下方程式：
所述下端板103为板式换热器，分为上中下三层，上层为氢气层，中间层为冷却剂层，下层为氧气层，氢气层和氧气层可与冷却剂层进行换热，从而对反应气体(氢气及氧气)进行预热。
以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，即大凡依本实用新型申请专利范围及实用新型说明内容所作的简单等效分体及组合变化与修饰，皆仍属本实用新型专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，包括上端板、电池体和下端板；所述上端板和下端板分别位于所述电池体两侧，并堆叠密封连接，所述电池体上设置有自调节抽汽流动沸腾冷却流道。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述自调节抽汽流动沸腾冷却流道包括上流道、下流道和设置于上流道与下流道之间的活动空腔，所述活动空腔左右堆成布置，通过设置可活动的自调节抽汽滑板连接。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述自调节抽汽滑板的左端在所述左侧活动空腔内与测压弹簧连接，所述测压弹簧另一端部安装于所述左侧活动空腔内侧壁上。
4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述自调节抽汽滑板中间布置有抽汽孔。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述抽汽孔周围设置矩形挡板，且所述矩形挡板伸入所述下流道中。
6.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述上流道、活动空腔与下流道之间的壁厚为0.1mm。
7.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述下端板为板式换热器，分为上中下三层，上层为氢气层，中间层为冷却剂层，下层为氧气层。
8.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述上端板和下端板与电池体之间连接有绝缘板和导流板，所述上端板通过绝缘板和导流板上预留的冷却剂通孔与所述电池体上的自调节抽汽流动沸腾冷却流道连接相通。
9.根据权利要求8所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，在所述上端板上设置包括第一电控转向阀门、第二电控转向阀门以及连接第一电控转向阀门和第二电控转向阀门的管段；所述第一电控转向阀门和第二电控转向阀门安装于所述上端板内部。
10.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池结构，其特征在于，所述电池体包括单电池及其集合体。
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