CN213425025U - 一种水冷式燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种水冷式燃料电池，包括多个并排设置的单电池，单电池包括正对设置的阴极板和阳极板，阴极板和阳极板上对应地设置有沿厚度方向贯通的冷却液输送口和阳极气体输送口，冷却液输送口和阳极气体输送口均设置有两个；阴极板的一侧中部具有沿横向或纵向贯通设置的空气流道，另一侧具有连通两个冷却液输送口的第一冷却液流道；阳极板的一侧中部具有阳极流场区，阳极流场区内具有间隔设置的阳极流道，阳极流道连通两个阳极气体输送口；阳极板的另一侧具有连通两个冷却液输送口的第二冷却液流道。本实用新型具有结构设计合理，既能满足电池的散热需求，又能够保持膜的湿度，避免干膜发电，有利于提高发电效率和功率密度等优点。

Description

一种水冷式燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别的涉及一种水冷式燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过将燃料在电解质中进行化学反应的方式，直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转化为电能，其燃料不经过燃烧，没有内燃机复杂的能量转化过程，因此发电效率是目前所有发电方式中最高的。由于它没有运动部件、无燃烧，因而噪声低、红外特征小。燃料电池发电装置的核心是电堆，其性能的优劣直接决定整个电池的性能。燃料电池电堆由一片一片单电池串联迭加而成，各单电池温度是否均匀直接影响整体性能。根据电堆散热方式的不同，可以有多种不同实现方案：风冷双风机方案、直接风冷方案、水冷封闭结构方案等。

风冷双风机方案的反应风机和散热风机采用两个不同风机且功能独立，反应空气风道与散热空气风道分离。直接风冷方案的反应风机和散热风机合二为一，电堆结构更为紧凑，其反应产生的水被大流量的空气带走，使得电堆几乎处于干膜发电，造成发电效率低、功率密度小。水冷封闭结构方案的散热能力强，电堆内部温度分布均匀，电堆受环境温度影响较小，然而该方案还需要额外采用空气泵主动输送反应空气(正压输送)，功率较高，消耗大量电池的电能，影响发电效率。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种结构设计合理，既能满足电池的散热需求，又能够保持膜的湿度，避免干膜发电，有利于提高发电效率和功率密度的水冷式燃料电池。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种水冷式燃料电池，其特征在于，包括多个并排设置的单电池，所述单电池包括正对设置的阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板上对应地设置有沿厚度方向贯通的冷却液输送口和阳极气体输送口，所述冷却液输送口和阳极气体输送口均设置有两个；

所述阴极板的一侧中部具有沿横向或纵向贯通设置的空气流道，另一侧具有连通两个所述冷却液输送口的第一冷却液流道；

所述阳极板的一侧中部具有阳极流场区，所述阳极流场区内具有间隔设置的阳极流道，所述阳极流道连通两个所述阳极气体输送口；所述阳极板的另一侧具有连通两个所述冷却液输送口的第二冷却液流道。

上述结构中，空气流道沿阴极板的横向或纵向贯通设置，即形成开放式结构，使得空气能够直接穿过空气流道参与反应；阳极气体通过其中一个阳极气体输送口进入到阳极流道参与反应，并从另一个阳极气体输送口流出；冷却液经由其中一个冷却液输送口进入第一冷却流道并从另一个冷却液输送口流出，带走阳极板和阴极板上的反应热量，从而进行水冷散热。由于冷却液的散热效率高，能够满足各种工况下的散热需求，无需通过增大空气流道内的空气流速进行风冷散热，一方面可以减少反应水的流失，使反应膜保持足够湿度，避免干膜发电，保证反应的效率；另一方面在降低空气流速后使得空气中的氧气能够具有更充足的反应时间，从而保证反应效率，提高燃料电池的发电效率和净功率密度。

进一步的，所述阴极板和阳极板整体呈矩形，两个所述冷却液输送口和两个所述阳极气体输送口均分布地设置在所述阴极板和阳极板长度方向上的两端处。

这样，阳极气体和冷却液均是从阴极板和阳极板的一端流向另一端，能够降低空气流道和冷却液流道的制造难度。

进一步的，所述空气流道沿所述阳极板的宽度方向贯通设置，并沿长度方向均布设置有多个。

这样，将空气流道沿长度方向均布设置多个，使得空气流道的入口总面积更大，有利于更多的空气快速进入空气流道内参与反应，从而保证反应需求。

进一步的，所述阳极流场区与所述阳极气体输送口之间还设置有汇分区，所述汇分区内具有均布设置的分流道，所述分流道连通在所述阳极流道和所述阳极气体输送口之间。

这样，通过均布设置的分流道将经由阳极气体输送口送入的阳极气体均匀地引导至阳极流场区内的阳极流道内，尽量使得每个流道内均具有等量的阳极气体，从而可以充分发挥每个流道内的最大反应效率，进而提高电池总体反应效率。同时，反应后的阳极气体也能够通过另一个汇分区内的分流道顺利地排出，使得阳极流道的顺畅，保证反应持续高效的进行。

进一步的，所述阳极流场区整体凹陷地设置在所述阳极板上，所述阳极流场区内具有沿所述阳极板的长度方向设置的流道凸棱，所述流道凸棱沿所述阳极板的长度方向并排地设置有多个，相邻两个所述流道凸棱之间形成所述阳极流道。

进一步的，所述阳极流道为平行流道或蛇形流道。

进一步的，所述汇分区整体凹陷地设置在所述阳极板上，并与所述阳极流场区一体相连；所述汇分区内具有多个导流凸棱，所述导流凸棱的一端均布在所述阳极气体输送口处，另一端与所述流道凸棱一体连接，且任意相邻两个所述导流凸棱之间的阳极流道数量相等。

这样，在阳极气体的入口通过导流凸棱将阳极气体均匀地分配到两个导流凸棱之间的阳极流道内，再由流道凸棱进行二次分配，从而可以保证阳极气体能够更加均匀的分布到每个阳极流道内，保证电化学反应的高效进行。

进一步的，所述汇分区整体凹陷地设置在所述阳极板上，并与所述阳极流场区一体相连；所述汇分区内密布有突起设置的导流条，多个所述导流条沿自身长度方向依次间隔地连接成导流棱条，所述导流棱条连接在阳极气体输送口和阳极流场区之间，并均布在所述汇分区内。

这样，输入的阳极气体既可以沿导流棱条流向阳极流场区，又可以通过导流条之间的间隔处流向相邻的分流道内，从而可以更加均匀地分配阳极气体。

进一步的，所述汇分区与所述阳极流场区之间具有多个呈矩阵排布的圆柱，所述圆柱的直径小于或等于所述流道凸棱的宽度。

这样，通过呈矩阵排布的圆柱可以对进入阳极流场区的阳极气体进行进一步的分散。

进一步的，所述第一冷却液流道和第二冷却液流道均包括两个冷却流道，两个所述冷却流道的一端连接至其中一个所述冷却液输送口，沿边缘延伸至中部后，由中部向外呈连续S形弯曲布置，并连接至另一个所述冷却液输送口。

这样，可以将输入的低温冷却液直接先输送至电池的中部，对中部的高温区进行优先散热，然后再向相对低温的区域流动散热，使得电池的整体温度分布更加均匀，保持最佳反应温度，从而提高发电效率。

综上所述，本实用新型具有结构设计合理，既能满足电池的散热需求，又能够保持膜的湿度，避免干膜发电，有利于提高发电效率和功率密度等优点。

附图说明

图1为本实施例中阴极板正面的结构示意图。

图2为本实施例中阴极板背面的结构示意图。

图3为本实施例中阳极板正面的结构示意图。

图4为本实施例中阳极板背面的结构示意图。

图5为阳极板正面的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1～图4所示，一种水冷式氢燃料电池，包括多个并排设置的单电池，所述单电池包括正对设置的阴极板1和阳极板2，所述阴极板1和阳极板2上对应地设置有沿厚度方向贯通的冷却液输送口3和阳极气体输送口4，所述冷却液输送口3和阳极气体输送口4均设置有两个；本实施例中，所述阴极板1和阳极板2整体呈矩形，两个所述冷却液输送口3和两个所述阳极气体输送口4均分布地设置在所述阴极板1和阳极板2长度方向上的两端处。

如图1和图2所示，所述阴极板1的一侧中部具有沿横向或纵向贯通设置的空气流道11，另一侧具有连通两个所述冷却液输送口3的第一冷却液流道12；所述空气流道11沿所述阳极板1的宽度方向贯通设置，并沿长度方向均布设置有多个。

如图3和图4所示，所述阳极板2的一侧中部具有阳极流场区21，所述阳极流场区21内具有间隔设置的阳极流道22，所述阳极流道22连通两个所述阳极气体输送口4；所述阳极板2的另一侧具有连通两个所述冷却液输送口3的第二冷却液流道23。本实施例中，所述阳极流场区21与所述阳极气体输送口4之间还设置有汇分区24，所述汇分区24内具有均布设置的分流道，所述分流道连通在所述阳极流道22和所述阳极气体输送口4之间。

如图3所示，所述阳极流道22为平行流道，所述阳极流场区21整体凹陷地设置在所述阳极板2上，所述阳极流场区21内具有沿所述阳极板2的长度方向设置的流道凸棱25，所述流道凸棱25沿所述阳极板2的长度方向并排地设置有多个，相邻两个所述流道凸棱25之间形成所述阳极流道22。所述汇分区24整体凹陷地设置在所述阳极板2上，并与所述阳极流场区21一体相连；所述汇分区24内具有多个导流凸棱26(图中采用线条简化表示)，所述导流凸棱26的一端均布在所述阳极气体输送口4处，另一端与所述流道凸棱25连接，且任意相邻两个所述导流凸棱26之间的阳极流道22数量相等。

如图2和图4所示，所述第一冷却液流道12和第二冷却液流道23均包括两个冷却流道，两个所述冷却流道的一端连接至其中一个所述冷却液输送口3，沿边缘延伸至中部后，由中部向外呈连续S形弯曲布置，并连接至另一个所述冷却液输送口3。本实施例中，位于中部的所述冷却流道沿宽度方向延伸，并在长度方向上呈S形弯曲，从而使进入的冷却液先对中部区域进行冷却。

具体实施时，汇分区24还可以采用如下结构：如图5所示，所述汇分区24整体凹陷地设置在所述阳极板2上，并与所述阳极流场区21一体相连；所述汇分区24内密布有突起设置的导流条27，多个所述导流条27沿自身长度方向依次间隔地连接成导流棱条，所述导流棱条连接在阳极气体输送口4和阳极流场区21之间，并均布在所述汇分区24内。所述汇分区24与所述阳极流场区21之间具有多个呈矩阵排布的圆柱28，所述圆柱28的直径小于或等于所述流道凸棱25的宽度。

这样，可以将进入的氢气更加均匀地分配到各个流道凸棱之间的阳极流道内，确保反应的高效进行，提高电池的效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不以本实用新型为限制，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水冷式燃料电池，其特征在于，包括多个并排设置的单电池，所述单电池包括正对设置的阴极板（1）和阳极板（2），所述阴极板（1）和阳极板（2）上对应地设置有沿厚度方向贯通的冷却液输送口（3）和阳极气体输送口（4），所述冷却液输送口（3）和阳极气体输送口（4）均设置有两个；

所述阴极板（1）的一侧中部具有沿横向或纵向贯通设置的空气流道（11），另一侧具有连通两个所述冷却液输送口（3）的第一冷却液流道（12）；

所述阳极板（2）的一侧中部具有阳极流场区（21），所述阳极流场区（21）内具有间隔设置的阳极流道（22），所述阳极流道（22）连通两个所述阳极气体输送口（4）；所述阳极板（2）的另一侧具有连通两个所述冷却液输送口（3）的第二冷却液流道（23）。

2.如权利要求1所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述阴极板（1）和阳极板（2）整体呈矩形，两个所述冷却液输送口（3）和两个所述阳极气体输送口（4）均分布地设置在所述阴极板（1）和阳极板（2）长度方向上的两端处。

3.如权利要求2所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述空气流道（11）沿所述阳极板（2）的宽度方向贯通设置，并沿长度方向均布设置有多个。

4.如权利要求1所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述阳极流场区（21）与所述阳极气体输送口（4）之间还设置有汇分区（24），所述汇分区（24）内具有均布设置的分流道，所述分流道连通在所述阳极流道（22）和所述阳极气体输送口（4）之间。

5.如权利要求4所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述阳极流场区（21）整体凹陷地设置在所述阳极板（2）上，所述阳极流场区（21）内具有沿所述阳极板（2）的长度方向设置的流道凸棱（25），所述流道凸棱（25）沿所述阳极板（2）的长度方向并排地设置有多个，相邻两个所述流道凸棱（25）之间形成所述阳极流道（22）。

6.如权利要求5所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述阳极流道（22）为平行流道或蛇形流道。

7.如权利要求5所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述汇分区（24）整体凹陷地设置在所述阳极板（2）上，并与所述阳极流场区（21）一体相连；所述汇分区（24）内具有多个导流凸棱（26），所述导流凸棱（26）的一端均布在所述阳极气体输送口（4）处，另一端与所述流道凸棱（25）一体连接，且任意相邻两个所述导流凸棱（26）之间的阳极流道（22）数量相等。

8.如权利要求5所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述汇分区（24）整体凹陷地设置在所述阳极板（2）上，并与所述阳极流场区（21）一体相连；所述汇分区（24）内密布有突起设置的导流条（27），多个所述导流条（27）沿自身长度方向依次间隔地连接成导流棱条，所述导流棱条连接在阳极气体输送口（4）和阳极流场区（21）之间，并均布在所述汇分区（24）内。

9.如权利要求8所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述汇分区（24）与所述阳极流场区（21）之间具有多个呈矩阵排布的圆柱（28），所述圆柱（28）的直径小于或等于所述流道凸棱（25）的宽度。

10.如权利要求1所述的水冷式燃料电池，其特征在于，所述第一冷却液流道（12）和第二冷却液流道（23）均包括两个冷却流道，两个所述冷却流道的一端连接至其中一个所述冷却液输送口（3），沿边缘延伸至中部后，由中部向外呈连续S形弯曲布置，并连接至另一个所述冷却液输送口（3）。

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