CN104538664A - 一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却*** - Google Patents

一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却*** Download PDF

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Abstract

一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***，冷却板表面加工有密封槽，该密封槽与橡胶密封圈、冷却板盖板组合形成密封结构。各电池单元堆叠，且一侧与上固定结构连接，另一侧与下固定结构连接，上固定结构、下固定结构通过四组对称的螺栓、螺母固定组合，共同形成燃料电池堆。各进液通道与出液通道为交叉布置结构，且进液通道与出液通道为弯折连续结构，各相邻进液通道与出液通道内的冷却液流向相反。为了防止出现冷却液入口端冷却板温度过低，冷却液出口端冷却板温度过高，该冷却板中相邻冷却流道的冷却液流动方向设置为相反，以保证冷却板内温度的均匀性。

Description

一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***
技术领域
本发明的各组件提供一种可用于有效控制燃料电池堆内部温度、保证燃料电池堆内部温度均匀性以及减少冷却剂泄漏冷却***，属于燃料电池堆叠体热管理技术领域。
背景技术
21世纪人类对于能源的需求在不断增加，但是地球上所存在的传统的化石能源有限，并且每时每刻都在被消耗，在未来的几十年里人类需要找寻新的可替代能源来满足需求，而氢能将会成为人类最为重要的能源之一。燃料电池是一种可以通过电化学反应直接将化学能转化为电能的装置，并且该过程不受卡诺循环的限制，能够高效地实现能量的转化。由于燃料电池的能量转化效率高、反应前后无污染、并可实现连续供电等优点，因此广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。燃料电池通过燃料供给***为各个电极连续不断的提供氧化剂和还原剂，然后发成电化学反应，并产生电流。现有燃料电池的工作效率通常低于50％，所以反应的过程中会有大量的热产生(不可逆的电化学反应和由电阻所产生的焦耳热是电堆生成废热的主要来源)。
燃料电池的工作对温度环境的要求严格。燃料电池的工作温度过高时，将导致电池堆内部反应气体湿度相对减小，膜中水含量降低，引起质子传导率降低，膜电阻升高；温度过低时，将导致离子交换膜中的水易浓缩，增加水淹出现的几率，降低氧气在扩散层与催化层间的扩散能力；很多实验数据和模拟仿真结果都表明电堆的功率密度和温度都有着很密切的关系。
现有设计多存在冷却效果差，冷却后电堆内部温度分布不均匀以及冷却剂易泄露等问题，因此合理的热管理将是保证燃料电池的工作效率以及快速启动等的关键。
发明内容
本发明旨在提供一种有效控制燃料电池堆内温度、保证燃料电池堆内温度分布的均匀性，并减少冷却剂使用量的解决方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种新型燃料电池冷却***，该结构包括冷却板1、冷却流道a2、冷却流道b3、冷却流道c4、冷却流道d5、橡胶密封圈6、冷却板盖板7、反应结构8、螺栓孔9、电池单元10、上固定结构11、下固定结构12、螺栓13、螺母14、燃料电池堆15、进液通道a16、进液通道b17、进液通道c18、进液通道d19，出液通道a20、出液通道b21、出液通道c22、出液通道d23。
具体而言，燃料电池电池包括数个电池单元10，每个电池单元10依次包含冷却板1、橡胶密封圈6、冷却板盖板7、反应结构8；冷却板1表面加工有密封槽，该密封槽与橡胶密封圈6、冷却板盖板7组合形成密封结构，燃料电池工作过程中，冷却液温度会逐渐升高，***内部压力高于大气的压力，该密封结构有利于防止冷却剂的泄漏，减少冷却剂的使用量。反应结构8置于冷却板盖板7外侧。
各电池单元10堆叠，且一侧与上固定结构11连接，另一侧与下固定结构12连接，上固定结构11、下固定结构12通过四组对称的螺栓13、螺母14固定组合，共同形成燃料电池堆15。
通过各电池单元10堆叠，冷却板1上的各冷却流道形成进出液通道；具体而言，冷却流道即冷却流道a2的入口、冷却流道b3的出口、冷却流道c4的入口、冷却流道d5的出口，其均布在冷却板1一端，相对称的，冷却流道的另一入口或出口布置在冷却板1另一端；通过堆叠冷却流道a2的入口形成进液通道b17，冷却流道b3的出口形成出液通道b21，冷却流道c4的入口形成进液通道a16，冷却流道d5的出口形成出液通道a20；同理，进液通道c18、进液通道d19、出液通道c22、出液通道d23与冷却流道的另一出口或入口相对应。各冷却流道为弯折连续结构，且各相邻冷却流道内的冷却液流向相反，此种结构可以有效促进冷却液在冷却流道内生成二次流、漩涡等流体力学现象，该流动现象可增加冷却液的扰动，打破冷却流道中的热力边界层，降低对流换热的热阻，增大强化换热因子，提高换热效率。同时为了防止出现冷却液入口端冷却板温度过低，冷却液出口端冷却板温度过高，该冷却板中相邻冷却流道的冷却液流动方向设置为相反，以保证冷却板内温度的均匀性。
冷却板1的冷却板材料采用石墨或导热效果好的金属材料等。
其中橡胶密封垫圈7需采用弹性较好、抗腐蚀性较好的材料如氟橡胶等。
本发明的工作过程如下，当电池堆处于冷启动状态时，冷却剂的温度稍高，用于加热各个电池堆单元，实现电池堆的快速启动；当电池堆启动完毕时，温度过高时，冷却剂用于吸收电池堆单元反应产生的热。
冷却液分别经过进液通道a16、进液通道b17、进液通道c18、进液通道d19进入燃料电池堆15，经各个电池单元10，最终分配到各个冷却板1。冷却液在冷却板1中分别经冷却流道a2、冷却流道b3、冷却流道c4、冷却流道d5对反应结构8进行冷却。
在此过程中，由于各个冷却流道中设置有多个连续弯折结构，该结构可促进二次流、漩涡等流动现象的发生，使冷却液产生较强的扰动，有助于冷却液打破热力边界层，降低对流热阻，提高冷却效率。另外冷却板中相邻冷却流道中采取不同的流动方向，该设计可以有效避免：在流道入口端，因冷却液初始温度低，换热效果好，而易出现寒区；在流道出口端因冷却液温度高，换热能力差，易出现热区。
最终冷却液经出液通道a20、出液通道b21、出液通道c22、出液通道d23流出燃料电池堆15。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、在冷却板中设置多道弯折结构，促使二次流、漩涡等结构产生，降低热阻，提高燃料冷却***的换热效果，保证燃料电池堆的温度控制在最优状态。
2、通过对进液通道、出液通道合理分配，使得冷却板中相邻冷却流道的流动方向相反，保证燃料电池堆的温度分布均匀性。
3、通过设计橡胶密封圈，可以防止冷却液的泄漏，减少冷却液的使用量。
附图说明
图1是本发明的冷却板的俯视图。
图2是本发明的橡胶密封圈的俯视图。
图3是本发明的冷却盖板的透视图。
图4是本发明的电池单元的拆解示意图。
图5是本发明的燃料电池堆示意图。
图中：1、冷却板，2、冷却流道a，3、冷却流道b，4、冷却流道c，5、冷却流道d，6、橡胶密封圈，7、冷却板盖板，8、反应结构，9、螺栓孔，10、电池单元，11、上固定结构，12、下固定结构，13、螺栓，14、螺母，15、燃料电池堆，16、进液通道a，17、进液通道b，18、进液通道c，19、进液通道d，20、出液通道a，21、出液通道b，22、出液通道c，23、出液通道d。
具体实施方式
图1是本发明的核心部件之一，冷却板1采用四通道结构，现有冷却流道多采用直流道和蛇形流道等结构，图1中的冷却通道中出现多次连续弯折结构，该结构可以促进冷却剂在流道内生成二次流、漩涡等流体力学现象，该流动现象将有助于打破冷却通道中的热力边界层，提高强化换热因子，增大换热效率。冷却板中相邻冷却流道中，冷却液流动方向相反，图1已做标注，该种布置有助于防止在电池板中出现热区、寒区，保证燃料电池的正常工作。
图1中冷却板1槽、图2中橡胶密封圈6、图3中冷却盖板7槽组合形成冷却液密封结构，橡胶密封圈6需采用耐腐蚀弹性材料。冷却过程中，冷却液受热蒸发，造成燃料电池内部气压大于外界气压，该种密封结构可以有效防止冷却液泄漏，降低燃料电池的运行成本。
图4中燃料电池单元主要是由冷却板1、橡胶密封圈6、冷却盖板7、反应结构8组成。其中反应结构主要包括隔板、阳极、阴极、电解质膜、燃料供给***等。在电池单元中，发生电化学反应(电子穿过从阳极到阴极的外部电路产生电流，O2-、H+通过电解质膜合来形成水)并生成大量的热，同时电流在流动过程中，因存在回路电阻，生成焦耳热。为了保证燃料电池的正常工作，生成的热量需要经过冷却板1冷却，被冷却液带走。
图5中燃料电池堆15是由多个堆叠的电池单元10、上固定结构11、下固定结构12组合而成，电池堆中各结构的连接采用螺栓连接，其中该设计中有4组螺栓，实际应用中可根据需要进行更改。图5中在燃料电池堆的左上侧分布的进液通道、出液通道，右下侧分布着进液通道、出液通道。冷却液需经过这些通道分配各个冷却板中，对燃料电池堆进行冷却。

Claims (4)

1.一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***，其特征在于：该结构包括冷却板(1)、冷却流道a(2)、冷却流道b(3)、冷却流道c(4)、冷却流道d(5)、橡胶密封圈(6)、冷却板盖板(7)、反应结构(8)、螺栓孔(9)、电池单元(10)、上固定结构(11)、下固定结构(12)、螺栓(13)、螺母(14)、燃料电池堆(15)、进液通道a(16)、进液通道b(17)、进液通道c(18)、进液通道d(19)、出液通道a(20)、出液通道b(21)、出液通道c(22)、出液通道d(23)；
具体而言，燃料电池电池包括数个电池单元(10)，每个电池单元(10)依次包含冷却板(1)、橡胶密封圈(6)、冷却板盖板(7)、反应结构(8)；冷却板(1)表面加工有密封槽，该密封槽与橡胶密封圈(6)、冷却板盖板(7)组合形成密封结构；反应结构(8)置于冷却板盖板(7)外侧；
各电池单元(10)堆叠，且一侧与上固定结构(11)连接，另一侧与下固定结构(12)连接，上固定结构(11)、下固定结构(12)通过四组对称的螺栓(13)、螺母(14)固定组合，共同形成燃料电池堆(15)；
通过各电池单元(10)堆叠，冷却板(1)上的各冷却流道形成进出液通道；具体而言，冷却流道即冷却流道a(2)的入口、冷却流道b(3)的出口、冷却流道c(4)的入口、冷却流道d(5)的出口，其均布在冷却板(1)一端，相对称的，冷却流道出口或入口的另一端布置在冷却板(1)另一端；通过堆叠冷却流道a(2)的入口形成进液通道b(17)，冷却流道b(3)的出口形成出液通道b(21)，冷却流道c(4)的入口形成进液通道a(16)，冷却流道d(5)的出口形成出液通道a(20)；同理，进液通道c(18)、进液通道d(19)、出液通道c(22)、出液通道d(23)与冷却流道的另一出口或入口相对应；各冷却流道为弯折连续结构，且各相邻冷却流道内的冷却液流向相反。
2.根据权利要求1所述的一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***，其特征在于：冷却板(1)的冷却板材料采用石墨、导热效果好的金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***，其特征在于：其中橡胶密封垫圈(7)需采用弹性较好、抗腐蚀性较好的材料如氟橡胶等。
4.根据权利要求1所述的一种具有强化换热且有效保持电堆温度均匀性的冷却***，其特征在于：本发明的工作过程如下，当电池堆处于冷启动状态时，冷却剂的温度稍高，用于加热各个电池堆单元，实现电池堆的快速启动；当电池堆启动完毕时，温度过高时，冷却剂用于吸收电池堆单元反应产生的热；
冷却液分别经过进液通道a(16)、进液通道b(17)、进液通道c(18)、进液通道d(19)进入燃料电池堆(15)，经各个电池单元(10)，最终分配到各个冷却板(1)；冷却液在冷却板(1)中分别经冷却流道a(2)、冷却流道b(3)、冷却流道c(4)、冷却流道d(5)对反应结构(8)进行冷却；
在此过程中，由于各个冷却流道中设置有多个连续弯折结构，该结构可促进二次流、漩涡等流动现象的发生，使冷却液产生较强的扰动，有助于冷却液打破热力边界层，降低对流热阻，提高冷却效率；另外冷却板中相邻冷却流道中采取不同的流动方向，该设计可以有效避免：在流道入口端因冷却液初始温度低，换热效果好，而易出现寒区；在流道出口端因冷却液温度高，换热能力差，易出现热区；
最终冷却液经出液通道a(20)、出液通道b(21)、出液通道c(22)、出液通道d(23)流出燃料电池堆(15)。
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