大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构制造技术

本实用新型专利技术属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构。本实用新型专利技术的冷却结构包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口和冷却水入口，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场采用单向蛇形流道，在所述单向蛇形流道的进出口处设置有分配流道。本实用新型专利技术为保证双极板冷却性能均衡，在冷却流道进口与出口处设置了分配流道，能够保证冷却水从冷却水道入口进入均匀分配到每个冷却流道，最后在出口处汇合，可以有效防止因冷却介质进出口压差过大而造成冷却介质积聚在冷却道进、出口处，避免双极板因压差过大而泄漏。

【技术实现步骤摘要】
大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构
本技术属于质子交换膜燃料电池
，具体涉及一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构。
技术介绍
燃料电池作为一种直接通过化学反应产生电能的发电装置，广泛应用于能源、交通领域。因其具有高效无噪声、清洁无污染等优点，愈发受到人们的关注。基于各领域对能源需求量都很大，其要求的燃料电池发电功率也越来越大。作为整个燃料电池的核心装置，燃料电池电堆主要由膜电极组件（MEA）、双极板（BPP）、密封件等组装而成。由于电堆在产生电能的同时还伴有大量的热，功率越大，其产生的热量越多。由于现今大多数PEM燃料电池采用Nafion系列膜，电池工作温度在75~80℃之间，当超过80℃时，质子交换膜热稳定性和质子传导能力将会下降，严重时会出现膜脱水现象，导致电导率下降，同时也会加速催化剂的衰减。当温度高于130℃时，会使膜产生不可逆的损害，局部热点会导致膜穿孔，最终影响PEMFC电堆运行的安全性。因此适时控制燃料电池的工作温度，保证其在稳定工作条件下提供可靠的电源供给，以此提升燃料电池的综合使用性能是十分重要的。目前，常采用空气冷却和液体冷却方式来降低电池工作过程中产生的温度，其中，空气冷却的方式常应用于小功率（≤5kW）燃料电池系统，通过空气对流方式来降低PEMFC电堆工作温度。但该种方法散热状态不稳定且工作效率低，已逐步被液体冷却方式所替代。液体冷却主要依靠燃料电池双极板内设计的独立冷却液流道，通过去离子水或水和乙二醇的混合液强制对流换热，带走燃料电池内大量的热量。与空冷方式相比，液体冷却具有高热转移能力、低流速等优点，其燃料电池温度分布也更均匀，冷却效率高，故常用于大功率（≥5Kw）的燃料电池系统。传统的PEM燃料电池双极板采用传统蛇形冷却流道设计，如图1所示，虽然可以均匀冷却燃料电池工作时产生的热量，但由于该设计结构往往会出现冷却水流道进出口压差过大的现象，造成流动阻力变大，对所需匹配的冷却水泵性能要求提高，其所耗功率还会影响电堆的发电效率。同时基于该种冷却流场结构设计的双极板，尤其是石墨基材的双极板往往都是通过含氟、硅等特殊胶水粘合而成，当冷却通道进出口压差过大极有可能撑破密封胶水，造成双极板中的冷却液外泄，影响到燃料电池电堆的安全运行稳定性。
技术实现思路
本技术针对大功率燃料电池电堆发热量大，散热温度不均匀的特点，提供了一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，该双极板冷却结构能够高效散热，同时可降低电堆外辅件所需功耗，有效提升燃料电池电堆发电效率，保证燃料电池运行安全稳定。为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口、氢气出口和冷却水入口，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口、空气出口与冷却水出口，所述冷却流场采用单向蛇形流道，在所述单向蛇形流道的进出口处设置有分配流道。所述分配流道位于冷却水入口和冷却水出口进入单向蛇形流道后的第一个弯道拐角处。所述单向蛇形流道的弯道数为8-20，单向蛇形流道的宽度为2-8mm，深度为0.3-1mm。所述冷却水入口位于空气入口和氢气出口之间，所述冷却水出口位于氢气入口和空气出口之间。所述双极板采用金属、石墨或复合材料制作而成。所述双极板冷却流场的进出口压差△p≤0.8bar。所述双极板包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板均包括正面的气体流场和背面的单极冷却流场，阴极板和阳极板通过点胶或焊接方式组合而成，阴极板和阳极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却水流场。与现有技术相比，本技术具有以下优点:1、本技术提供的冷却流场结构既可用于金属基材的双极板，也可适用于石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工（CNC）、模压亦或冲压浇铸方式均可实现制备加工，通过这种结构方式的冷却流场可有效降低大功率电堆中产生的温度，加快双极板散热效率，有效解决了双极板散热不均匀的问题，同时对进出口压差过大的问题也进行了有力改进。2、本技术设计的新型单向蛇形流道，相对于现有经典双侧蛇形冷却流道（流道数量大于20）缩减了冷却流道弯道数，适当增大了冷却流道的宽度，能够加快冷却介质在流道中的流动速度，有效降低冷却液在冷却水道进、出口处的压力差，避免传统蛇形流道进出口压差过大而造成冷却水泵功耗过大，从而影响整个电堆的发电效率问题，同时采用该种结构有效保证了燃料电池电堆，尤其是石墨基材双极板组装而成的电堆不会因压差过大而产生冷却液外泄问题，提升了电堆运行的安全稳定性。3、本技术的冷却水入口位于空气入口和氢气出口之间，所述冷却水出口位于氢气入口和空气出口之间，能够达到均衡的冷却效果，这是由于燃料电池电堆最初运行时进入空气端入口的氧气浓度高，其扩散性较差，造成了该处反应生成的热量最高。4、本技术为保证双极板冷却性能均衡，在冷却流道进口与出口处设置了分配流道，能够保证冷却水从冷却水道入口进入均匀分配到每个冷却流道，最后在出口处汇合，采用该种设计方式可以有效防止因冷却介质进出口压差过大而造成冷却介质积聚在冷却道进、出口处，避免了双极板因压差过大而引起泄漏现象。附图说明图1是现有冷却流场蛇形流道的结构示意图。图2是本技术双极板冷却流场单向蛇形流道的结构示意图。图3是本技术双极板冷却流场单向蛇形流道的立体效果图。图4是本技术双极板冷却流场分配流道的局部放大图。附图标记说明：1-空气入口；2-氢气出口；3-冷却水入口；4-氢气入口；5-空气出口；6-冷却水出口；7-单向蛇形流道；8-分配流道。具体实施方式以下结合具体实施例和附图对本技术的技术方案进行进一步说明。实施例1一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口1、氢气出口2和冷却水入口3，在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口4、空气出口5与冷却水出口6，所述冷却流场采用单向蛇形流道7，在所述单向蛇形流道7的进口与出口处设置有分配流道8，保证冷却介质从冷却流场流道入口均匀分配到每个冷却流道，最后在出口处汇合，采用该种设计方式可以有效防止因冷却水进出口压差过大而造成冷却水积聚在冷却流道进、出口处，避免了双极板因压差过大而引起泄漏现象。所述分配流道8位于冷却水入口3和冷却水出口6进入单向蛇形流道7后的第一个弯道拐角处，如图2所示，以便于进行冷却水的分配与汇流，保证冷却水均匀分配到每个冷却流道。所述单向蛇形流道7的弯道数缩减为8，单向蛇形流道7的宽度增加至5mm，深度为0.5mm。所述冷却水入口3位于空气入口1和氢气出口2之间，所述冷却水出口6位于氢气入口4和空气出口5之间，如图2所示，能够保证整个双极板散热均衡，这是因为氧气的扩散性较氢气差，因此在空气进入电堆后，其空气中的氧含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口（1）、氢气出口（2）和冷却水入口（3），在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口（4）、空气出口（5）与冷却水出口（6），其特征在于，所述冷却流场采用单向蛇形流道（7），在所述单向蛇形流道（7）的进出口处设置有分配流道（8）。/n

【技术特征摘要】
1.一种大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，包括双极板及位于所述双极板上的冷却流场，在所述冷却流场的一端设置有空气入口（1）、氢气出口（2）和冷却水入口（3），在所述冷却流场的另一端设置有氢气入口（4）、空气出口（5）与冷却水出口（6），其特征在于，所述冷却流场采用单向蛇形流道（7），在所述单向蛇形流道（7）的进出口处设置有分配流道（8）。


2.根据权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述分配流道（8）位于冷却水入口（3）和冷却水出口（6）进入单向蛇形流道（7）后的第一个弯道拐角处。


3.根据权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构，其特征在于，所述单向蛇形流道（7）的弯道数为8-20，单向蛇形流道（7）的宽度为2-8mm，深度为0.3-1mm。


4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆濛洲，张义煌，蒋利娟，谢祖成，陈杰，李刚，
申请(专利权)人：无锡威孚高科技集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32