CN114614040A - 一种间隔冷却燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种间隔冷却燃料电池电堆，包括依次间隔设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多个串联排列的电堆单元包、阳极集流板、阳极绝缘板以及阳极端板。其中，电堆单元包由间隔设置的质子交换膜、双极板和用于为质子交换膜和双极板冷却的两个导热油腔共同集成；导热油腔包括可拆卸且紧密贴合的第一冷却板和第二冷却板，第一冷却板和第二冷却板的贴合面设有均匀排布的冷却油通道，第一冷却板和第二冷却板的非贴合面分别设有阴极流道和阳极流道。第一冷却板和第二冷却板上设置有导热油进口、导热油出口，第一冷却板和第二冷却板之间还设置有一隔板。本发明技术方案能够大大增加MEA温度的均匀性，能够提升MEA的性能及使用寿命。

Description

一种间隔冷却燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种间隔冷却风冷油冷混合散热燃料电池电堆。

背景技术

现有的高温燃料电池***，其导热油腔的流道方式为单进单出的流场结构，且第一冷却板和第二冷却板内的流道为同种形式的流道，因此在整个导热油腔内的导热油流道为单进单出的单流道形式，导热油冷却腔内组成流场的翅片为直通道形式，该种设计的缺点为：

(1)导热油在导热油腔内的流动方向单一导致MEA的热分布不均匀，在导热油进口MEA的温度低于导热油出口的MEA温度，影响MEA的性能及使用寿命；

(2)换热面积小且导热油在流道内流动过程中流动平稳，因此换热效率不高；

(3)需要很大的导热油的流量且导热油的进口温度需要足够低才能满足电堆散热的要求.

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种间隔冷却风冷油冷混合散热电堆。

本发明采用的技术手段如下：

一种间隔冷却燃料电池电堆，包括：依次间隔设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多个串联排列的电堆单元包、阳极集流板、阳极绝缘板以及阳极端板。

进一步地，所述电堆单元包由间隔设置的质子交换膜、双极板和用于为质子交换膜和双极板冷却的两个导热油腔共同集成。

进一步地，所述两个导热油腔之间设置有N个质子交换膜和N-1个双极板，其中，2≤n≤5。

进一步地，所述导热油腔包括可拆卸且紧密贴合的第一冷却板和第二冷却板，所述第一冷却板和/或所述第二冷却板的贴合面设有均匀排布的冷却油通道，所述第一冷却板和第二冷却板的非贴合面分别设有阴极流道和阳极流道。

进一步地，所述第一冷却板和所述第二冷却板之间设置有一隔板，所述隔板为厚度0.2-1mm的柔性石墨或者不锈钢隔板。

进一步地，所述冷却油通道包括流道空腔和多个突出于冷却油流道的直隔板，每个所述直隔板将第一冷却板和第二冷却板的流道空腔划分为蛇形流道，所述蛇形流道的面积不小于所述质子交换膜的有效区域。

进一步地，所述第一冷却板和所述第二冷却板上还设置有导热油进口、导热油出口以及对应的流道，所述第一冷却板和所述第二冷却板的外侧开设有一方形通孔，作为导热油进口，所述第一冷却板和所述第二冷却板的内侧开设有一方形通孔，作为导热油出口。

进一步地，所述流道空腔固定设置有多组沿冷却油流向阵列式排布的翅片凸起。

进一步地，所述导热油进口和导热油出口之间设置有用于隔离的凹凸槽。

进一步地，所述双极板的一层设置有阴极物料流道和阳极物料流道，另一层设置有与其隔断的冷却油通道。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其导热油腔的流道设计不仅能够降低导热油流道的总体压力进而降低电堆内的导热油压力防止因给电堆散热的导热油压力过大致使电堆油腔密封失效造成整个电堆的功能失效；同时能够降低电堆连入***后为电堆导热油提供流动动力的油泵的功耗，便于整个***在选择油泵时能够考虑可靠性更高的油泵设备。

2、本发明提供的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其导热油腔的第一冷却板和第二冷却板流道采用导热油各自对向流动的同时在每片冷却板上能够实现对向流动，因此，能够使MEA表面的温度非常均匀且仅需要更低的导热油流量就可以实现MEA表面温差在5摄氏度以内甚至会更低。与现有的设计相比，在同等到热油流量下，本设计的MEA温度均匀程度更好。

3、本发明提供的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，将质子交换膜、双极板与导热油腔集成为电堆单元包，不仅能够大大增强整个电堆自身的散热能力，同时通过每个电堆单元之间的冷却单元组成的导热油腔内循环导热油，使每个电堆单元之间在热传递上进行充分的隔绝，防止由于电堆节数过多，电堆长度增加后电堆中间部位产热集中导致电堆中间部位温度高，两端温度低，进而导致整个电堆温度不一致的情况。

基于上述理由本发明可在燃料电池等领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电堆结构示意图。

图2为本发明第一冷却板结构示意图。

图3为本发明第一冷却板结构示意图。

图中：1、阴极端板；2、阴极绝缘板；3、阴极集流板；4、电堆单元包；5、质子交换膜；6、双极板；7、导热油腔；8、第一冷却板；9、第二冷却板；10、阳极集流板；11、阳极绝缘板；12、阳极端板；13、导热油进口；14、导热油出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

如图1所示，本发明提供了一种间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，包括：依次间隔设置的阴极端板1、阴极绝缘板2、阴极集流板3、多个串联排列的电堆单元包4、阳极集流板10、阳极绝缘板11以及阳极端板12。具体实施时，阴极端板1、阳极端板12上设有螺孔，其间通过螺杆施加预设的预紧力从而夹紧其间的组件。阴极绝缘板2、阳极绝缘板11的表面在阴、阳极物料进出气孔以及冷却液进、出口处均设有环形凸起，环形凸起与阴极端板1、阳极端板12之间设有密封垫。

继续参考图1，本实施例中电堆单元包由间隔设置的质子交换膜5、双极板6和用于为质子交换膜5和双极板6冷却的两个导热油腔7共同集成。两个导热油腔7之间设置有N个质子交换膜5和N-1个双极板6，其中，2≤n≤5。多个电堆单元包4通过串联排列组成了整个高效散热油冷电堆的主体；高效散热油冷电堆通过两端的铝合金加工的阴极端板1和阳极端板12将多个串联排列的电堆单元包4夹在一起，通过4根螺杆及弹簧等紧固部件集成在一起，给电堆施加不小于800kg的力后将整个电堆紧固；在电堆的两侧端板和紧挨着两侧端板的电堆单元包4之间分别设计有相对应的阴极集流板3、阳极集流板10；在集流板与各自端板之间有用于密封且绝缘的绝缘板，本实施例中优选氟橡胶垫。本发明流经导热油腔的冷却油对向流动且均匀分布，将质子交换膜、双极板与导热油腔集成为电堆单元包，不仅能够大大增强整个电堆自身的散热能力，同时通过每个电堆单元之间的冷却单元组成的导热油腔内循环导热油，使每个电堆单元之间在热传递上进行充分的隔绝，防止由于电堆节数过多，电堆长度增加后电堆中间部位产热集中导致电堆中间部位温度高，两端温度低整个电堆温度不一致的情况。

在现有导热油冷散热电堆的设计中，导热油的流向通常为两侧分别设计为进口和出口，在导热油流经MEA的过程中导热油由于跟工作时的MEA产生的热量进行热交换，导致导热油的温度由进口到出口的流程上温度呈上升的趋势；该种设计会导致导热油腔进口的温度低于导热油出口的温度，通常会低10摄氏度左右。因此MEA在工作时温度趋势就变成随着导热油流向的方向温度逐步升高；在电堆中每片MEA工作的最佳状态为整个MEA面上的温度分布越均匀对MEA的寿命提升越有帮助，因此现有的电堆设计不能满足高效换热与提升电堆寿命及性能。

基于上述缺陷，本发明的电堆能够高效散热主要体现在导热油腔的流道设计，第一冷却板8和第二冷却板9的导热油流道一侧均采用双蛇形流场分布，每片冷却板的导热油流道设计有双进口与双出口，导热油流经冷却板的导热油流道双进双出对向流动，在第一冷却板8和第二冷却板9所构成的一个导热油腔7中实现了双股对流，同时在第一冷却板8和第二冷却板9流道内的导热油各自构成了单独的流场进行对向流动，该种设计方式不仅能够降低导热油流道的总体压力，还能降低电堆内的导热油压力，防止因给电堆散热的导热油压力过大致使电堆油腔密封失效造成整个电堆的功能失效；同时还能够降低电堆连入***后为电堆导热油提供流动动力的油泵的功耗，便于整个***在选择油泵时能够考虑可靠性更高的油泵设备；该种设计方式最显著的优势在于能够均衡每片MEA上的温度分布，本设计的导热油腔的第一冷却板和第二冷却板流道采用导热油各自对向流动的同时在每片冷却板上能够实现对向流动，因此能够使MEA表面的温度非常均匀且仅需要更低的导热油流量就可以实现MEA表面温差在5摄氏度以内甚至会更低。与现有的设计相比，在同等到热油流量下，本设计的MEA温度均匀程度更好。具体的设计方式如下所述：

如图2、3所示，导热油腔7包括可拆卸且紧密贴合的第一冷却板8和第二冷却板9，第一冷却板8和第二冷却板9的贴合面设有均匀排布的冷却油通道，第一冷却板8和第二冷却板9的非贴合面分别设有阴极流道和阳极流道。冷却油通道包括流道空腔和多个突出于冷却油流道的直隔板，每个直隔板将第一冷却板和第二冷却板的流道空腔划分为蛇形流道，蛇形流道的面积不小于质子交换膜5的有效区域，蛇形流场能够增大导热油在流动过程中的扰动且还热面积更大。具体实施时，第一冷却板8和第二冷却板9与双极板6贴合面的结构与双极板6相匹配，另一面与双极板6相匹配或是与集流板相匹配，双极板6的一层设置有阴极物料流道和阳极物料流道，另一层设置有与其隔断的冷却油通道。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，流道空腔固定设置有多组沿冷却油流向阵列式排布的翅片凸起。

继续参考图2、3，第一冷却板8和第二冷却板9上还设置有导热油进口13、导热油出口14以及对应的流道，第一冷却板8和第二冷却板9的外侧开设有一方形通孔，作为导热油进口13，第一冷却板8和第二冷却板9的内侧开设有一方形通孔，作为导热油出口14，且一个导热油进口14对应距离自己较远的导热油出口13，实现第一冷却板8和第二冷却板0内导热油各自对向流动的功能；并且两对导热油进出口之间通过凹凸槽进行隔离；达到同一块冷却板上导热油两进两出的效果。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，第一冷却板8和第二冷却板9之间设置有一隔板，隔板为厚度0.2mm的柔性石墨或者不锈钢隔板。该隔板的作用为使第一冷却板8和第二冷却板9在各自的导热油流场内进行导热油对向流动，通过隔板将第一冷却板8和第二冷却板9内的导热油完全分隔开。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种间隔冷却燃料电池电堆，其特征在于，包括：依次间隔设置的阴极端板、阴极绝缘板、阴极集流板、多个串联排列的电堆单元包、阳极集流板、阳极绝缘板以及阳极端板。

2.根据权利要求1所述的间隔冷却燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆单元包由间隔设置的质子交换膜、双极板和用于为质子交换膜和双极板冷却的两个导热油腔共同集成。

3.根据权利要求2所述的间隔冷却燃料电池电堆，其特征在于，所述两个导热油腔之间设置有N个质子交换膜和N-1个双极板，其中，2≤n≤5。

4.根据权利要求2或3所述的间隔冷却燃料电池电堆，其特征在于，所述导热油腔包括可拆卸且紧密贴合的第一冷却板和第二冷却板，所述第一冷却板和/或所述第二冷却板的贴合面设有均匀排布的冷却油通道，所述第一冷却板和第二冷却板的非贴合面分别设有阴极流道和阳极流道。

5.根据权利要求4所述的间隔冷却燃料电池电堆，其特征在于，所述第一冷却板和所述第二冷却板之间设置有一隔板，所述隔板为厚度0.2-1mm的柔性石墨或者不锈钢隔板。

6.根据权利要求4所述的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其特征在于，所述冷却油通道包括流道空腔和多个突出于冷却油流道的直隔板，每个所述直隔板将第一冷却板和第二冷却板的流道空腔划分为蛇形流道，所述蛇形流道的面积不小于所述质子交换膜的有效区域。

7.根据权利要求5所述的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其特征在于，所述第一冷却板和所述第二冷却板上还设置有导热油进口、导热油出口以及对应的流道，所述第一冷却板和所述第二冷却板的外侧开设有一通孔，作为导热油进口，所述第一冷却板和所述第二冷却板的内侧开设有一通孔，作为导热油出口。

8.根据权利要求6所述的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其特征在于，所述流道空腔固定设置有多组沿冷却油流向阵列式排布的翅片凸起。

9.根据权利要求7所述的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其特征在于，所述导热油进口和导热油出口之间设置有用于隔离的凹凸槽。

10.根据权利要求2所述的间隔冷却风冷油冷混合散热电堆，其特征在于，所述双极板的一层设置有阴极物料流道和阳极物料流道，另一层设置有与其隔断的冷却油通道。

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