CN114361515A - 一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构。所述用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构由可以探入极板的冷却腔流道的头部以及可以固定在极板上的尾部组成，所述头部用于对所述冷却腔流道封堵，使得所述冷却腔流道中被所述头部封堵的区域减少冷却液的流入量与流动速度；所述尾部用于固定在极板上来阻挡所述头部的位移。本插件主要由可以固定在冷却水腔口的单个堵头或者联排式多个堵头组成，通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制进而平衡电堆不同位置的热量耗散程度，使电堆不同位置的反应环境始终处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。

Description

一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构

技术领域

本发明涉及一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，尤其是涉及一种通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制进而平衡电堆不同位置的热量耗散程度的阻挡式插件。

背景技术

燃料电池在通过氢气与氧气发生电化学反应并产生电能的同时会产生大量的热，需要进行热量的耗散使反应环境始终保持能够让催化剂保有最大反应活性的温度。该部分热量一部分可以通过与外界环境交互进行热量的耗散，另一部分则需要通过冷却水的作用将热量带走。

在电堆中，不同位置的双极板与外界环境产生的交互作用是不一致的，两端的交互作用强，中间的交互作用弱，因此，需要将冷却水的冷却作用与上述交互作用反过来，减少两端冷却水的流量，以便在环境交互不一致的情况下可以通过控制不同位置冷却水流量的大小来实现反应环境温度的一致性。

如图1所示，在现有金属双极板的冷却腔流道一般不存在特殊结构设计，所有冷却液的流道均处于全部开放状态，在电堆不同位置冷却水的流量是一致的。为避免电堆过热，反应过程中一般会把冷却水流量调至最大，这就导致了在电堆的两端，由于集流板及端板不受热，处于冷却状态，且该部分整体与环境交互强烈，存在反应环境温度偏低的问题。如图2A所示，为电堆的分解结构示意图，电堆90由两个端板91、两个集流板92和双极板93构成，双极板93被设置在两个集流板92之间，两个集流板92外侧被两个端板93压紧。如图2B所示，为电堆的温度分布示意图，其中位于中间的双极板温度高于两个集流板，两个集流板温度高于两个端板。这就影响了电堆两端催化剂的反应活性，降低了电堆的使用效率。如果通过直接的模具设计来针对电堆不同位置的极板设计不同大小的冷却水入口，同类型极板需要设计至少两套模具，成本极大。

发明内容

本发明的目的就是为了通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制进而平衡电堆不同位置的热量耗散程度，使电堆不同位置的反应环境始终处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。本发明用以解决传统金属双极板的冷却腔流道的所有冷却液的流道均处于全部开放状态，导致电堆不同位置的温度分布不均而影响电堆两端催化剂的反应活性，降低了电堆的使用效率的技术问题。

本发明提供了一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制。所述用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构由可以探入极板的冷却腔流道的头部以及可以固定在极板上的尾部组成，所述头部用于对所述冷却腔流道封堵，使得所述冷却腔流道中被所述头部封堵的区域减少冷却液的流入量与流动速度；所述尾部用于固定在极板上来阻挡所述头部的位移。

作为优选，所述可以探入冷却腔流道的头部通过比照冷却腔流道的大小进行设计，基本与冷却腔流道内部结构一致；所述头部的横截面与所述冷却腔流道的横截面形状相似，所述头部的横截面不大于所述冷却腔流道的横截面。

作为优选，所述一种头部结构横截面最大处较冷却腔流道内部横截面最小处大小完全一致或单边尺寸略小0.01~0.03mm；所述头部的横截面的边缘与所述冷却腔流道的横截面的边缘间距为0.01~0.03mm。

作为优选，当所述头部封堵于所述冷却腔流道上时，在所述头部的延伸方向，所述头部的长度等于所述冷却腔流道的长度，或者所述头部的长度小于所述冷却腔流道的长度1~3mm。

作为优选，所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于极板上。

作为优选，所述尾部的高度与所述冷却腔流道的腔口高度相等，或者所述尾部的高度比所述冷却腔流道的腔口高度小0.01~0.03mm；所述尾部的宽度比所述冷却腔流道的宽度大0.1~1mm；所述尾部于所述冷却腔流道的腔口外部的突出长度为0~3mm。

作为优选，当所述尾部通过粘接的方式固定于双极板上时，所述尾部通过涂抹胶黏剂固定在极板上。

作为优选，当所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于双极板上时，所述尾部设有与极板侧壁卡接的卡接部，所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片，或者所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构。

作为优选，当所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片时，卡接片的厚度为0.01~0.1mm；当所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构时，卡接阶梯结构与腔口上下两侧的极板同时卡扣。所述卡接阶梯结构可是单边卡住阴极板或者阳极板或者极板双边同时进行卡扣。

作为优选，所述腔口阻挡式插件的材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等耐高温热塑性树脂。

本发明通过一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制，平衡电堆不同位置的热量耗散程度，提高电堆运行效率。针对上述腔口阻挡式插件，可以通过注塑工艺得以实现，其所采用的模具在制造时模腔制成相应的形状即可，可以进行大规模一出多的生产模式。

附图说明

图1为目前常规的冷却腔入口结构；

图2A为常规电堆的分解结构示意图;

图2B为常规电堆的温度分布示意图；

图3A为本申请提供的一体式冲压出半封堵结构的极板整体结构示意图；

图3B为图3A的截面结构示意图；

图4为本申请实施例1中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构的示意图；

图5A为本申请实施例1中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构封堵于极板的冷却腔流道中的整体结构示意图；

图5B为图5A的截面结构示意图；

图6为本申请实施例2中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构的示意图；

图7A为本申请实施例2中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构封堵于极板的冷却腔流道中的整体结构示意图；

图7B为图7A的截面结构示意图；

图8为本申请实施例3中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构的示意图；

图9A为本申请实施例3中用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构封堵于极板的冷却腔流道中的整体结构示意图；

图9B为图9A的截面结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构。在燃料电池中，三腔口结构用于进行氢气、氧气及冷却水的流通，其中氢气与氧气是燃料电池必不可少的反应原材料，在其相互作用产生电势差的过程中同时产生了大量的热。该部分热量一部分通过与外界环境交互进行热量的耗散，另一部分则通过冷却水的作用将热量带走，两者共同作用使反应环境始终处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内。在电堆装配的过程中，数百块双极板组装在一起，反应过程中，不同位置的双极板与外界环境产生的交互作用是不一致的，两端的交互作用强，中间的交互作用弱，导致燃料电池电堆中间部分与两端的反应环境温度存在较为明显的差异，是电堆反应过程不均衡的一个重要原因。现有的冷却腔流道结构，没有针对电堆不同位置的极板设计不同大小的冷却水入口，在环境交互不一致的情况下无法通过控制不同位置冷却水流量的大小来实现反应环境温度的一致性控制。并且，如果通过直接的模具设计来针对电堆不同位置的极板设计不同大小的冷却水入口，同类型极板需要设计至少两套模具，成本极大。

针对目前的冷却腔设计在应用上是存在的问题，申请人想到优化的方向为将电堆两端金属双极板的冷却腔流道进行一定程度的堵塞，以便减少两端金属双极板冷却腔流道冷却液的流量。为实现这一构想，如图3A、图3B所示，可以通过对冲压模具改型来进行，直接冲压出一体式冲压出半封堵结构的极板10，但此过程比较繁琐，可调节性不强。

为了进一步增加对电堆两端金属双极板的冷却腔流道的可调节性控制，可以通过设计一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，对不同位置的金属双极板冷却腔流道进行不同程度的封堵来进行改进电堆不同部位冷热不均的问题显得极为必要。采用该种方法来平衡电堆不同位置的热量耗散程度，使电堆不同位置的反应环境始终处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。

用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构主要由可以固定在冷却水腔口的单个堵头或者联排式多个堵头组成，通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制进而平衡电堆不同位置的热量耗散程度，使电堆不同位置的反应环境始终处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。其中极板呈环形设置，冷却腔流道设置在环形的极板内部，环形的极板围成的区域的中部呈中空状态，冷却腔流道在呈中空状态的一侧设有腔口，用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构封堵于极板内侧的腔口，用于根据插件的封堵比例调节冷却腔流道中的冷却液的流速。冷却液优选为冷却水。可在环形的极板不同位置设置不同的封堵比例调节极板不同位置的冷却速率，实现极板各个位置温度均匀。

本发明提供了一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，通过对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制。用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构由可以探入极板的冷却腔流道的头部以及可以固定在极板上的尾部组成，所述头部用于对所述冷却腔流道封堵，使得所述冷却腔流道中被所述头部封堵的区域减少冷却液的流入量与流动速度；所述尾部用于固定在极板上来阻挡所述头部的位移。双极板包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板均称为极板，在阴极板和阳极板之间形成冷却腔流道。

作为优选，所述可以探入冷却腔流道的头部通过比照冷却腔流道的大小进行设计，基本与冷却腔流道内部结构一致；所述头部的横截面与所述冷却腔流道的横截面形状相似，所述头部的横截面不大于所述冷却腔流道的横截面。

作为优选，所述一种头部结构横截面最大处较冷却腔流道内部横截面最小处大小完全一致或单边尺寸略小0.01~0.03mm；所述头部的横截面的边缘与所述冷却腔流道的横截面的边缘间距为0.01~0.03mm。

作为优选，当所述头部封堵于所述冷却腔流道上时，在所述头部的延伸方向，所述头部的长度等于所述冷却腔流道的长度，或者所述头部的长度小于所述冷却腔流道的长度1~3mm。

作为优选，所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于极板上。

作为优选，所述尾部的高度与所述冷却腔流道的腔口高度相等，或者所述尾部的高度比所述冷却腔流道的腔口高度小0.01~0.03mm；所述尾部的宽度比所述冷却腔流道的宽度大0.1~1mm；所述尾部于所述冷却腔流道的腔口外部的突出长度为0~3mm。

作为优选，当所述尾部通过粘接的方式固定于双极板上时，所述尾部通过涂抹胶黏剂固定在极板上。

作为优选，当所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于双极板上时，所述尾部设有与极板侧壁卡接的卡接部，所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片，或者所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构。

作为优选，当所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片时，卡接片的厚度为0.01~0.1mm；当所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构时，卡接阶梯结构与腔口上下两侧的极板同时卡扣。所述卡接阶梯结构可是单边卡住阴极板或者阳极板或者极板双边同时进行卡扣。

作为优选，所述腔口阻挡式插件的材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等耐高温热塑性树脂。

本发明通过一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，对不同位置的双极板进行不同程度的封堵来实现对于冷却水流量的控制，平衡电堆不同位置的热量耗散程度，提高电堆运行效率。针对上述腔口阻挡式插件，可以通过注塑工艺得以实现，其所采用的模具在制造时模腔制成相应的形状即可，可以进行大规模一出多的生产模式。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图4、图5所示，是实施例1中提供的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构20（下文简称为插件）示意图，主要由可以探入极板10的冷却腔流道11的头部1以及通过粘接的方式固定在极板10上的尾部2组成，通过注塑工艺得以实现，使用的注塑材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。其中，可以探入冷却腔流道11的头部1通过比照冷却腔流道11的大小进行设计，基本与冷却腔流道11内部结构一致。头部1和尾部2的尺寸都小于冷却腔流道11，所以这是一种通过粘结相连的结构，粘结的界面是封闭的，可以防止漏水。插件20的整体截面尺寸略小于冷却腔流道11的尺寸，这样便于调节封堵冷却腔流道11的面积，固定好之后也可以根据需要进行拆卸及重组。

如图5所示，插件20的横截面单边尺寸比冷却腔流道11的横截面单边尺寸均小0.01~0.03mm，优选插件20的横截面单边尺寸比冷却腔流道11的横截面单边尺寸小0.01mm。插件20的横截面包含了厚度和宽度两个维度，是指插件20的厚度和宽度两个维度的尺寸与冷却腔流道11的尺寸相比都是一致或者略小的，但由于冷却腔流道11内部可能不仅存在长和宽两个维度，还可能会存在圆角等，所以用内部横截面这个说法更为确切。亦即插件20的横截面比冷却腔流道11的横截面尺寸均小0.01~0.03mm。

头部1结构长度较冷却腔流道11长度完全一致或略短1~3mm，优选头部1长度较冷却腔流道11长度短1mm。这里的长度指的是与上一个点中所述的横截面垂直的方向，在头部1塞到冷却腔后要比冷却腔短一些，这样才保证冷却液可在头部1位封堵的间隙通过。例如，冷却腔整体长3cm，头部1的长度就应该小于3cm，否则会和流道内部的结构产生干涉。

通过粘接的方式固定在极板10上的尾部2结构高度比冷却腔入口腔口高度小0.01mm~0.03mm，这样便于尾部2粘接在极板10上。尾部2的宽度较冷却腔流道11宽0.4mm，突出腔口外部的长度为1mm，方便调整位置或者拆卸及重组时便于抓取。本实施例按照图5所示的排列对冷却腔流道11进行封堵，可以使冷却水的流量减至未封堵时的67%，减少了电堆两端位置的热量耗散程度，使电堆该位置的反应环境处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。其中可根据需封堵的程度设定封堵比例，可实现插件20对冷却腔流道11在1%-99%封堵范围内调节，以此控制冷却腔流道11内冷却液的流速。

实施例2：

如图6所示，是实施例2中提供的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构20示意图，主要由可以探入冷却腔流道11的头部1以及通过卡扣的方式固定在极板10上的尾部2组成，通过注塑工艺得以实现，使用的注塑材料为聚酰胺。其中，可以探入冷却腔流道11的头部1通过比照冷却腔流道11的大小进行设计，基本与冷却腔流道11内部结构一致。

如图7所示，优选插件20的横截面单边尺寸比冷却腔流道11内部单边尺寸均小0.03mm，长度较冷却腔流道11长度短1mm。

本实施例与实施例1的区别在于，插件20的尾部2采用卡扣的方式固定在极板10上。其中在插件20的尾部2可设有与极板10侧壁卡接的卡接部3，卡接部3优选为沿尾部2延伸的卡接片。通过单边卡扣的方式固定在极板10上的尾部2结构卡于极板10上表面的高度为0.03mm，宽度较冷却腔流道11宽0.7mm，突出腔口外部的长度为3mm。按照图7所示的排列对冷却腔流道11进行封堵，可以使冷却水的流量减至未封堵时的50%，减少了电堆两端位置的热量耗散程度，使电堆该位置的反应环境处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。

实施例3：

如图8所示的是实施例3中提供一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构20示意图，主要由可以探入冷却腔流道11的头部1。

本实施例与实施例2的区别在于，该插件20的头部1设有多个，尾部22共用一个，插件20为多组并列的结构，可以直接通过头部1卡扣固定在极板10上，通过注塑工艺得以实现，使用的注塑材料为聚酰胺。其中，可以探入冷却腔流道11的头部1通过比照冷却腔流道11的大小进行设计，基本与冷却腔流道11内部结构一致。其中在插件20的尾部2可设有与极板10侧壁卡接的卡接部3，卡接部3优选为在尾部2上下表面上设置的卡接阶梯结构，卡接阶梯结构可封堵腔口。

如图9所示，头部1的横截面单边尺寸比冷却腔流道11内部单边尺寸均小0.02mm，长度较冷却腔流道11长度短2mm。尾部2结构卡宽度较冷却腔流道11宽0.3mm，突出腔口外部的长度为2mm。按照图9所示的排列对冷却腔流道11进行封堵，可以使冷却水的流量减至未封堵时的33%，减少了电堆两端位置的热量耗散程度，使电堆该位置的反应环境处于有利于催化剂发挥作用的温度范围内，提高电堆运行效率。

实施例4：

可理解的是，与实施例3的设计思路相似，本实施例与实施例2的区别在于，该插件20的头部1设有多个，尾部2共用一个，插件20为多组并列的结构，主要由可以探入冷却腔流道11的头部1以及通过粘接的方式固定在极板10上的尾部2组成。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：由可以探入极板的冷却腔流道的头部以及可以固定在极板上的尾部组成；

所述头部用于对所述冷却腔流道封堵，使得所述冷却腔流道中被所述头部封堵的区域减少冷却液的流入量与流动速度；

所述尾部用于固定在极板上来阻挡所述头部的位移。

2.根据权利要求1所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：所述头部的横截面与所述冷却腔流道的横截面形状相似，所述头部的横截面不大于所述冷却腔流道的横截面。

3.根据权利要求2所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：所述头部的横截面的边缘与所述冷却腔流道的横截面的边缘间距为0.01~0.03mm。

4.根据权利要求2所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：当所述头部封堵于所述冷却腔流道上时，在所述头部的延伸方向，所述头部的长度等于所述冷却腔流道的长度，或者所述头部的长度小于所述冷却腔流道的长度1~3mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于极板上。

6.根据权利要求5所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：所述尾部的高度与所述冷却腔流道的腔口高度相等，或者所述尾部的高度比所述冷却腔流道的腔口高度小0.01~0.03mm；所述尾部的宽度比所述冷却腔流道的宽度大0.1~1mm；所述尾部于所述冷却腔流道的腔口外部的突出长度为0~3mm。

7.根据权利要求5所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：当所述尾部通过粘接的方式固定于双极板上时，所述尾部通过涂抹胶黏剂固定在极板上。

8.根据权利要求5所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：当所述尾部通过粘接的方式或者卡扣机械固定的方式固定于双极板上时，所述尾部设有与极板侧壁卡接的卡接部，所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片，或者所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构。

9.根据权利要求8所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：当所述卡接部为沿所述尾部延伸的卡接片时，卡接片的厚度为0.01~0.1mm；当所述卡接部为可封堵腔口的卡接阶梯结构时，卡接阶梯结构与腔口上下两侧的极板同时卡扣。

10.根据权利要求1所述的一种用于调节冷却液流量的腔口阻挡式插件结构，其特征在于：所述腔口阻挡式插件的材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等耐高温热塑性树脂。

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