【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，特别涉及一种石墨双极板及质子交换膜燃料电池。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)是一种将化学能转化为电能的能量转换设备，其具有效率高、功率密度大、启动速度快、运行温度低及零排放等优点，被广泛应用于交通和氢储能等领域；然而，由于转换效率的限制，pemfc运行过程中不可避免的会产生大量的热量；其中，在电池内容不同区域按照产热机理划分包括焦耳热、相变潜热、电化学反应熵热及不可逆热四种热源项；当上述四种热源项无法及时导出或温度分布不均时，将产生局部热点，进而引起燃料电池内催化层的衰减及质子交换膜穿孔等现象。
2、目前，已有多种冷却技术被应用于pemfc电堆冷却中；例如：相变冷却技术及单相冷却技术；相变冷却技术由于复杂度及成本较高，在燃料电池堆中应用较少，而单向冷却技术作为商业燃料电池堆中的主流方案；其中，对于小功率(功率低于5kw)燃料电池堆来说，常采用空气冷却技术；对于大功率(功率为100kw及以上)燃料电池堆通常采用液冷技术，其利用石墨双极板或金属双极板内部的冷媒带走电堆工作时产生的热量；对电堆内每片单电池来说，冷却流道的布置形式对面内温度分布的均匀性起到至关重要的作用；因此，在避免局部热点的前提下，尽可能提高温度均匀性并减小压降是冷却流道设计的目标。
3、针对金属双极板而言，现有的金属双极板在冲压制造过程中，极板上气体流场和冷却流场同时成形，即气体通道和冷媒通道型式一致，后通过插入隔板来调整内部冷却流场
4、目前，针对小面积的正方形石墨双极板的冷却流场布置已有诸多研究，较为成熟；但对大面积矩形，即长宽尺寸不等的商用石墨双极板的冷却流场设计仍有较大的不足；具体的，现有的商用石墨双极板的冷却流场设计时，为提高紧凑性将进出口总管布置于极板两侧的短边，且为了降低设计难度，不论基于平行或蛇形流场型式，均逐渐且均匀地从入口至出口布置流道，即流道沿程在极板长度方向的坐标单调不减；采用上述方案时，一方面决定了流道沿程转弯和折数多，直流道段占比少，导致局部损失大，进而造成极板的压降或泵功损耗大；另一方面，由于冷媒沿流动方向伴随吸热，温度逐渐升高，流至出口处时散热效果差，导致燃料电池出口位置温度偏高，温度分布均匀性恶化，进一步引起燃料电池性能下降或寿命衰减。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种石墨双极板及质子交换膜燃料电池，以解决现有的商用石墨双极板中冷却通道的压降或泵功损耗大、面内温度分布均匀性较差，导致燃料电池性能下降或寿命衰减的技术问题。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、本专利技术提供了一种石墨双极板，包括极板本体；所述极板本体的第一短边侧从上到下依次设置有阴极入口、冷媒入口及阳极出口；所述极板本体的第二短边侧从上到下依次设置有阳极入口、冷媒出口及阴极出口；
4、所述极板本体的表面布设有冷却流场流道，所述冷却流场流道的入口与所述冷媒入口相连，所述冷却流场流道的出口与所述冷媒出口相连；其中，所述冷却流场流道从上到下划分为第一流道区、第二流道区及第三流道区；
5、所述第一流道区内沿所述极板本体的长边方向设置蛇形排布的第一流道簇，所述第二流道区内沿所述极板本体的长边方向设置蛇形排布的第二流道簇，所述第三流道区内沿所述极板本体的长边方向设置蛇形排布的第三流道簇。
6、进一步的，所述阴极入口处设置的阴极进口总管的宽度l1与所述阴极出口处设置的阴极出口总管的宽度相同；所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管的宽度l2与所述冷媒出口处设置的冷媒出口总管的宽度相同；所述阳极入口处设置的阳极进口总管的宽度与所述阳极出口处设置的阳极出口总管的宽度l3相同。
7、进一步的，所述阴极入口处设置的阴极进口总管的宽度l1大于所述阳极出口处设置的阳极出口总管的宽度l3；所述阴极出口处设置的阴极出口总管的宽度大于所述阳极入口处设置的阳极进口总管的宽度。
8、进一步的，所述第一流道簇和所述第三流道簇分别沿所述极板本体长边方向来回共折返三次；其中，所述第一流道簇及所述第三流道簇的第一折均由所述冷媒入口一侧沿所述极板本体的长边方向延伸至所述冷媒出口一侧；其中，所述第一流道簇和所述第三流道簇的每一折的宽度均为所述阳极出口总管的宽度l3的一半。
9、进一步的，所述第一流道簇包括若干根第一蛇形流道，若干根所述第一蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；所述第一流道簇的入口端与所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管之间设置有第一流道进口折角段；其中，所述第一流道进口折角段布设在所述第二流道区的入口端端部区域，并靠近所述第一流道区一侧设置；所述第一流道进口折角段的一端与所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管相连，所述第一流道进口折角段的另一端与若干所述第一蛇形流道的入口端匹配相连；
10、当所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管的宽度l2大于所述阳极出口处设置的阳极出口总管的宽度l3时，所述第一流道进口折角段包括若干并列设置的第一l型折角流道，所述第一l型折角流道的个数与所述第一蛇形流道的个数相同；
11、当所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管的宽度l2小于所述阳极出口处设置的阳极出口总管的宽度l3时，所述第一流道进口折角段包括并列设置的若干一分多流道，所有所述一分多流道的出口个数总和与所述第一蛇形流道的个数相同。
12、进一步的，所述第二流道簇包括若干根第二蛇形流道，若干根所述第二蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；
13、当所述第二流道区的入口端宽度l4大于所述第二流道区的总宽度l5的三分之一时，所述第二流道簇的入口端与所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管之间设置有第二流道进口折角段；其中，所述第二流道进口折角段的一端与所述冷媒入口处设置的冷媒总管进口相连，所述第二流道进口折角的另一端与若干所述第二蛇形流道的入口端匹配相连；
14、所述第二流道进口折角段包括若干第二l型折角流道，所述第二l型折角流道的个数与所述第二蛇形流道的个数相同，且所述第二l型折角流道沿所述极板本体的短边方向转弯部分的宽度大于所述第二蛇形流道的宽度。
15、进一步的，所述第二流道簇包括若干根第二蛇形流道，若干根所述第二蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；
16、当所述第二流道区的入口端宽度l4小于所述第二流道区的总宽度l5的三分之一时，所述第二流道簇的入口端与所述冷媒入口处设置的冷媒进口总管之间设置有直流道连接段；其中，所述直流道连接段的一端与所述冷媒入口处设置的冷媒总管进口相连，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石墨双极板，其特征在于，包括极板本体；所述极板本体的第一短边侧从上到下依次设置有阴极入口(1)、冷媒入口(2)及阳极出口(3)；所述极板本体的第二短边侧从上到下依次设置有阳极入口(4)、冷媒出口(5)及阴极出口(6)；
2.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述阴极入口(1)处设置的阴极进口总管的宽度l1与所述阴极出口(6)处设置的阴极出口总管的宽度相同；所述冷媒入口(2)处设置的冷媒进口总管的宽度l2与所述冷媒出口(5)处设置的冷媒出口总管的宽度相同；所述阳极入口(4)处设置的阳极进口总管的宽度与所述阳极出口(3)处设置的阳极出口总管的宽度l3相同。
3.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述阴极入口(1)处设置的阴极进口总管的宽度l1大于所述阳极出口(3)处设置的阳极出口总管的宽度l3；所述阴极出口(6)处设置的阴极出口总管的宽度大于所述阳极入口(4)处设置的阳极进口总管的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第一流道簇(10)和所述第三流道簇(12)分别沿所述极板本体长边方向来
5.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第一流道簇(10)包括若干根第一蛇形流道，若干根所述第一蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；所述第一流道簇(10)的入口端与所述冷媒入口(2)处设置的冷媒进口总管之间设置有第一流道进口折角段；其中，所述第一流道进口折角段布设在所述第二流道区(8)的入口端端部区域，并靠近所述第一流道区(7)一侧设置；所述第一流道进口折角段的一端与所述冷媒入口(2)处设置的冷媒进口总管相连，所述第一流道进口折角段的另一端与若干所述第一蛇形流道的入口端匹配相连；
6.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第二流道簇(11)包括若干根第二蛇形流道，若干根所述第二蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；
7.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第二流道簇(11)包括若干根第二蛇形流道，若干根所述第二蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；
8.根据权利要求6或7所述的一种石墨双极板，所述第二流道簇(11)沿所述极板本体长边方向来回共折返三次；其中，所述第二流道簇(11)的第一折由所述冷媒入口(2)一侧沿所述极板本体的长边方向延伸至所述冷媒出口(5)一侧；
9.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第三流道簇(12)包括若干根第三蛇形流道，若干根所述第三蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；所述第三流道簇的出口端与所述冷媒出口(5)处设置的冷媒出口总管之间设置有流道出口折角段；其中，所述流道出口折角段布设在所述第二流道区(8)的出口端端部区域，并靠近所述第三流道区(9)一侧设置；所述流道出口折角段的入口端与若干所述第三蛇形流道的出口端匹配相连，所述流道出口折角段的出口端与所述冷媒出口(5)处设置的冷媒出口总管相连；
10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的一种石墨双极板。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨双极板，其特征在于，包括极板本体；所述极板本体的第一短边侧从上到下依次设置有阴极入口(1)、冷媒入口(2)及阳极出口(3)；所述极板本体的第二短边侧从上到下依次设置有阳极入口(4)、冷媒出口(5)及阴极出口(6)；
2.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述阴极入口(1)处设置的阴极进口总管的宽度l1与所述阴极出口(6)处设置的阴极出口总管的宽度相同；所述冷媒入口(2)处设置的冷媒进口总管的宽度l2与所述冷媒出口(5)处设置的冷媒出口总管的宽度相同；所述阳极入口(4)处设置的阳极进口总管的宽度与所述阳极出口(3)处设置的阳极出口总管的宽度l3相同。
3.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述阴极入口(1)处设置的阴极进口总管的宽度l1大于所述阳极出口(3)处设置的阳极出口总管的宽度l3；所述阴极出口(6)处设置的阴极出口总管的宽度大于所述阳极入口(4)处设置的阳极进口总管的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第一流道簇(10)和所述第三流道簇(12)分别沿所述极板本体长边方向来回共折返三次；其中，所述第一流道簇(10)及所述第三流道簇(12)的第一折均由所述冷媒入口(2)一侧沿所述极板本体的长边方向延伸至所述冷媒出口(5)一侧；其中，所述第一流道簇(10)和所述第三流道簇(12)的每一折的宽度均为所述阳极出口总管的宽度l3的一半。
5.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于，所述第一流道簇(10)包括若干根第一蛇形流道，若干根所述第一蛇形流道沿所述极板本体的长边方向并列设置；所述第一流道簇(10)的入口端与所述冷媒入口(2)处...
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