[實用新型]大功率質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的冷卻結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202020809027.6
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN212011140U
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸濛洲;張義煌;蔣利娟;謝祖成;陳杰;李剛
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號: H01M8/0267
• 分類號: H01M8/0267;H01M8/0263;H01M8/0258;H01M8/026;H01M8/04029;H01M8/04089;H01M8/0662
• 代理公司: 無錫市大為專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良

本實用新型屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的冷卻結(jié)構(gòu)。本實用新型的冷卻結(jié)構(gòu)包括雙極板及位于所述雙極板上的冷卻流場，在所述冷卻流場的一端設(shè)置有空氣入口、氫氣出口和冷卻水入口，在所述冷卻流場的另一端設(shè)置有氫氣入口、空氣出口與冷卻水出口，所述冷卻流場采用單向蛇形流道，在所述單向蛇形流道的進(jìn)出口處設(shè)置有分配流道。本實用新型為保證雙極板冷卻性能均衡，在冷卻流道進(jìn)口與出口處設(shè)置了分配流道，能夠保證冷卻水從冷卻水道入口進(jìn)入均勻分配到每個冷卻流道，最后在出口處匯合，可以有效防止因冷卻介質(zhì)進(jìn)出口壓差過大而造成冷卻介質(zhì)積聚在冷卻道進(jìn)、出口處，避免雙極板因壓差過大而泄漏。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

燃料電池作為一種直接通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，廣泛應(yīng)用于能源、交通領(lǐng)域。因其具有高效無噪聲、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，愈發(fā)受到人們的關(guān)注。基于各領(lǐng)域?qū)δ茉葱枨罅慷己艽螅湟蟮娜剂想姵匕l(fā)電功率也越來越大。作為整個燃料電池的核心裝置，燃料電池電堆主要由膜電極組件（MEA）、雙極板（BPP）、密封件等組裝而成。由于電堆在產(chǎn)生電能的同時還伴有大量的熱，功率越大，其產(chǎn)生的熱量越多。由于現(xiàn)今大多數(shù)PEM燃料電池采用Nafion系列膜，電池工作溫度在75~80℃之間，當(dāng)超過80℃時，質(zhì)子交換膜熱穩(wěn)定性和質(zhì)子傳導(dǎo)能力將會下降，嚴(yán)重時會出現(xiàn)膜脫水現(xiàn)象，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，同時也會加速催化劑的衰減。當(dāng)溫度高于130℃時，會使膜產(chǎn)生不可逆的損害，局部熱點(diǎn)會導(dǎo)致膜穿孔，最終影響PEMFC電堆運(yùn)行的安全性。因此適時控制燃料電池的工作溫度，保證其在穩(wěn)定工作條件下提供可靠的電源供給，以此提升燃料電池的綜合使用性能是十分重要的。

目前，常采用空氣冷卻和液體冷卻方式來降低電池工作過程中產(chǎn)生的溫度，其中，空氣冷卻的方式常應(yīng)用于小功率（≤5kW）燃料電池系統(tǒng)，通過空氣對流方式來降低PEMFC電堆工作溫度。但該種方法散熱狀態(tài)不穩(wěn)定且工作效率低，已逐步被液體冷卻方式所替代。液體冷卻主要依靠燃料電池雙極板內(nèi)設(shè)計的獨(dú)立冷卻液流道，通過去離子水或水和乙二醇的混合液強(qiáng)制對流換熱，帶走燃料電池內(nèi)大量的熱量。與空冷方式相比，液體冷卻具有高熱轉(zhuǎn)移能力、低流速等優(yōu)點(diǎn)，其燃料電池溫度分布也更均勻，冷卻效率高，故常用于大功率（≥5Kw）的燃料電池系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的PEM燃料電池雙極板采用傳統(tǒng)蛇形冷卻流道設(shè)計，如圖1所示，雖然可以均勻冷卻燃料電池工作時產(chǎn)生的熱量，但由于該設(shè)計結(jié)構(gòu)往往會出現(xiàn)冷卻水流道進(jìn)出口壓差過大的現(xiàn)象，造成流動阻力變大，對所需匹配的冷卻水泵性能要求提高，其所耗功率還會影響電堆的發(fā)電效率。同時基于該種冷卻流場結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙極板，尤其是石墨基材的雙極板往往都是通過含氟、硅等特殊膠水粘合而成，當(dāng)冷卻通道進(jìn)出口壓差過大極有可能撐破密封膠水，造成雙極板中的冷卻液外泄，影響到燃料電池電堆的安全運(yùn)行穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型針對大功率燃料電池電堆發(fā)熱量大，散熱溫度不均勻的特點(diǎn)，提供了一種大功率質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的冷卻結(jié)構(gòu)，該雙極板冷卻結(jié)構(gòu)能夠高效散熱，同時可降低電堆外輔件所需功耗，有效提升燃料電池電堆發(fā)電效率，保證燃料電池運(yùn)行安全穩(wěn)定。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案：一種大功率質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的冷卻結(jié)構(gòu)，包括雙極板及位于所述雙極板上的冷卻流場，在所述冷卻流場的一端設(shè)置有空氣入口、氫氣出口和冷卻水入口，在所述冷卻流場的另一端設(shè)置有氫氣入口、空氣出口與冷卻水出口，所述冷卻流場采用單向蛇形流道，在所述單向蛇形流道的進(jìn)出口處設(shè)置有分配流道。

所述分配流道位于冷卻水入口和冷卻水出口進(jìn)入單向蛇形流道后的第一個彎道拐角處。

所述單向蛇形流道的彎道數(shù)為8-20，單向蛇形流道的寬度為2-8mm，深度為0.3-1mm。

所述冷卻水入口位于空氣入口和氫氣出口之間，所述冷卻水出口位于氫氣入口和空氣出口之間。