一种冷却开放式燃料电池、冷却系统及冷却方法

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种冷却开放式燃料电池、冷却系统及冷却方法。


背景技术：

2.现有燃料电池冷却系统多采用单相冷却的方式，对于小功率燃料电池采用空气冷却，对于大功率燃料电池采用液体冷却，通过冷却介质温度变化实现热量传递。现有燃料电池系统单相冷却换热系数低、导热速率低、效率低且换热能力差，此外燃料电池局部热点热量若不能及时通过冷却介质带走也会导致膜电极的反应活性下降、燃料电池工作效率降低、燃料电池寿命减少和故障率增加。
3.现有车用燃料电池冷却系统的特点是燃料电池电堆和其他产热部件共用一个循环，具体表现为燃料电池电堆与其他产热辅助部件共用冷却介质，而燃料电池电堆电活性氛围下对冷却介质的电导率要求较高，故燃料电池电堆冷却液进口常设置去离子器，用以去除冷却介质循环过程中产生的带电粒子，这导致整个冷却系统特别是冷却介质的使用和维护成本较高。
4.同时现有车用燃料电池冷却流道大多是封闭式流道，而燃料电池产热速率与其有效功率相当，较大的热负荷往往采用较高的冷却介质流速，泵功的大量额外消耗降低了燃料电池效率，同时较大的冷却介质压力、密封不严也会导致冷却介质泄露，此外封闭式冷却流道加工工艺复杂、加工难度大会使加工成本升高。故亟需一种新型冷却开放式燃料电池、冷却系统及冷却方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种冷却开放式燃料电池、冷却系统及冷却方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种冷却开放式燃料电池，包括若干层叠对正设置的双极板，若干所述双极板上下两侧分别设置有集流板，所述集流板远离所述双极板的一侧固定连接有端板，所述端板、集流板以及双极板通过螺栓、螺母固定连接；
7.所述双极板包括阴极板和阳极板，所述阳极板位于所述阴极板上方且所述阳极板上表面与所述阴极板下表面固定连接。
8.优选的，所述阴极板和所述阳极板顶部对应开设有氧化气体入口以及还原气体入口，所述阴极板和所述阳极板底部对应开设有氧化气体出口以及还原气体出口，所述阳极板上表面以及阴极板下表面上均开设有气体流场，所述氧化气体入口以及还原气体入口通过所述气体流场分别对应与所述氧化气体出口、还原气体出口相连通，所述阳极板下表面开设有阳极冷却半流场，所述阴极板上表面与所述阳极冷却半流场对应开设有阴极冷却半流场，所述阳极冷却半流场与所述阴极冷却半流场形成冷却流场，所述冷却流场连通有冷
却介质循环器，所述冷却流场内设置有用于连接阴极板与阳极板的若干支撑板以及若干开放式的流通通道。
9.优选的，所述气体流场包括流场脊和流场槽，所述气体流场为直通形、蛇形、交指形及仿生形中的一种，所述氧化气体入口、所述氧化气体出口、所述还原气体入口以及所述还原气体出口处分别设置有气流分配区，所述气流分配区均位于所述气体流场内。
10.优选的，同一所述双极板内的所述阳极板与所述阴极板之间固定连接有膜电极。
11.优选的，所述阳极板和所述阴极板的气体流场周侧、所述氧化气体入口、氧化气体出口、还原气体入口以及还原气体出口周侧均开设有密封槽，所述密封槽内安装有密封垫圈。
12.优选的，所述流通通道空间不少于所述冷却流场空间的二分之一。
13.一种冷却开放式燃料电池冷却系统，包括冷却箱，所述燃料电池位于所述冷却箱内，所述燃料电池顶部固定安装有冷凝管，所述冷却箱内填充有冷却介质，所述冷却箱内固定安装有温度传感器、压力传感器，所述温度传感器与所述压力传感器均电性连接有控制器，所述冷却箱内开设有紧急泄压阀。
14.一种冷却开放式燃料电池的冷却方法，包括如下步骤：
15.步骤一、组装燃料电池，于阳极板上表面与阴极板下表面间布置一膜电极并对齐压紧组成双极板，将若干双极板对齐并在上下两侧分别安装集流板，在所述集流板远离所述双极板的一侧分别固定连接有端板，将螺栓贯穿端板、集流板和双极板后利用螺母进行固定；
16.步骤二、安装燃料电池，将步骤一组装好的燃料电池固定于冷却箱内，并在冷却箱内部顶部安装冷凝管；
17.步骤三、向冷却箱内通入冷却介质，直到冷却介质没过燃料电池且位于冷凝管下方；
18.步骤四、利用温度传感器以及压力传感器进行监测。
19.优选的，步骤四中，当压力传感器监测到冷却箱压力超过预设压力阀值时，开启紧急泄压阀进行泄压。
20.优选的，步骤四中，当燃料电池温度低时，冷却介质依靠自然对流向上汽化蒸发，通过冷凝管冷凝后自然落下；当燃料电池功率增大温度较高时，温度传感器接收到的温度信号达到强制冷却的温度阈值时，启动冷却循环器，冷却介质依靠强制对流流动进行换热，通过冷凝管冷凝后自然落下。
21.本发明公开了以下技术效果：双极板可以用于多种类型和材质的质子交换膜燃料电池，双极板既可以通过硬模冲压制备，也可以通过铸造工艺制备成型，便于生产；双极板为冷却开放式双极板，既可以浸没在相变冷却介质中实现相变散热，或可以浸没在液体冷却介质中实现液体冷却，也可以放置在空气中通过风冷散热，将冷却流道独立出来，避免了循环高压冷却介质所产生的泵功，同时解决了冷却介质在较高压力下容易泄漏的问题；在热负荷较小时可以利用冷却介质的自然对流实现换热，当热负荷较大时，通过冷却流道前设置的冷却循环器实现冷却介质强制对流加快燃料电池散热，可以自主调节冷却能力。
附图说明
22.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
23.图1为本发明燃料电池结构示意图；
24.图2为本发明阳极板上表面结构示意图；
25.图3为本发明阳极板下表面结构示意图；
26.图4为本发明阴极板下表面结构示意图；
27.图5为本发明阴极板上表面结构示意图；
28.图6为本发明冷却流场装配示意图；
29.图7为图6中b的结构放大图；
30.图8为本发明冷却系统结构示意图；
31.图9为实施例二中阴极板上表面结构示意图；
32.图10为实施例二中冷却流场装配示意图；
33.图11为图10中c的局部放大图；
34.其中：2-冷却介质，3-冷凝管，4-冷却箱，11-双极板，12-阳极板，13-阴极板，14螺栓，15-端板，16-集流板，17-膜电极，18-密封垫圈，19-螺母，111-氧化气体入口，112-还原气体入口，113-气体流场，114-密封槽，115-气流分配区，116-氧化气体出口，117-还原气体出口，119-冷却流场，1191-支撑板，1192-流通通道，121阳极冷却半流场，131-阴极冷却半流场，1131-流场脊，1132-流场槽。
具体实施方式
35.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。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。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.实施例一：
38.参照图1-8，本实施例提供一种冷却开放式燃料电池，包括若干层叠对正设置的双极板11，若干双极板11上下两侧分别设置有集流板16，集流板16远离双极板11的一侧固定连接有端板15，端板15、集流板16以及双极板11通过螺栓14、螺母19固定连接；通过在端板15、集流板16和双极板11上对应开设通孔，利用螺栓14和螺母19对其进行固定，使双极板11之间紧密贴合，形成对反应气体的密封，同时增加端板15、集流板16与双极板11之间的稳定性。
39.双极板11包括阴极板13和阳极板12，阳极板12位于阴极板13上方且阳极板12上表面与阴极板13下表面间设置有一膜电极并固定连接。利用阳极板12与阴极板13相配合形成双极板11，通过分别加工阳极板12和阴极板13组成双极板11，使双极板11便于获取。
40.进一步优化方案，阴极板13和阳极板12顶部对应开设有氧化气体入口111以及还原气体入口112，阴极板13和阳极板12底部对应开设有氧化气体出口116以及还原气体出口117，阳极板12上表面以及阴极板13下表面上均开设有气体流场113，氧化气体入口111以及还原气体入口112通过气体流场113分别对应与氧化气体出口116、还原气体出口117相连通，阳极板12下表面开设有阳极冷却半流场121，阴极板13上表面上与阳极冷却半流场121对应开设有阴极冷却半流场131，阳极冷却半流场121与阴极冷却半流场131形成冷却流场119，冷却流场119连通有冷却介质循环器，冷却流场119内设置有用于连接阴极板13与阳极板12的若干支撑板1191以及若干开放式的流通通道1192。冷却流场119能够为冷却介质提供空间，使燃料电池便于冷却，支撑板1191能够使阳极板12和阴极板13充分贴合，保证阳极板12与阴极板13的抗压强度。
41.进一步优化方案，气体流场113包括流场脊1131和流场槽1132，气体流场113为直通形、蛇形、交指形及仿生形中的一种，氧化气体入口111、氧化气体出口116、还原气体入口112以及还原气体出口117处分别设置有气流分配区115，气流分配区115均位于气体流场113内。气流分配区115用以分别连通氧化气体入口111和气体流场113与还原气体入口111和气体流场113，使反应气体进入到气体流场113内充分反应。
42.进一步的，气体流场113的尺寸为110mm
×
80mm，流场脊1131的长度为100mm，宽度为2mm；流场槽1132的长度为100mm，宽度为2mm，深度为1mm。
43.进一步的，冷却流场119的尺寸为110mm
×
100mm，支撑部分1191的长度为100mm，宽度为2mm；流通部分1192的长度为100mm，宽度为2mm，深度为1mm。
44.进一步优化方案，同一双极板11内的阳极板12与阴极板13之间固定连接有膜电极17。
45.进一步优化方案，所述阳极板12和所述阴极板13的气体流场113周侧、所述氧化气体入口111、氧化气体出口116、还原气体入口112以及还原气体出口117周侧均开设有密封槽114，所述密封槽114内安装有密封垫圈18。在密封槽114内安装密封垫圈18能够增加密封性能，防止跑气，导致气体泄漏反应不充分甚至发生爆炸危险。
46.进一步优化方案，流通通道1192空间不少于冷却流场119空间的二分之一。保证整个燃料电池抗压性和密封性足够的前提下，尽可能扩大所述流通部分面积，加大双极板11与冷却介质2的换热面积，从而获得优异的换热能力。
47.进一步的，氧化气体入口、还原气体入口和氧化气体出口、还原气体出口沿双极板对角线设置，这样的布置方式可以提升气体流场113的使用效率。
48.进一步的，氧化气体入口通道111面积为所述还原气体入口通道112面积的二分之一，按照化学反应计量比设计可以尽可能减少膜电极17两端气流流道中氧化气体和还原气体的压强差并避免窜气。
49.进一步优化方案，所述气体流场113内气体流向为所述双极板11长度方向，所述冷却流场119内冷却介质流向为所述双极板11宽度方向。便于对燃料电池进行冷却。
50.一种冷却开放式燃料电池冷却系统，包括冷却箱4，燃料电池位于冷却箱4内，燃料电池顶部固定安装有冷凝管3，冷却箱4内填充有冷却介质2，冷却箱4内固定安装有温度传感器、压力传感器，温度传感器与压力传感器均电性连接有控制器，冷却箱4内开设有紧急泄压阀。将燃料电池固定于冷却箱4内，然后利用冷却介质2对燃料电池进行冷却，当燃料电
池工作时，产生大量热量将冷却介质2蒸发，然后利用冷凝管使蒸汽凝结，降温后又滴入冷却介质2中。
51.一种冷却开放式燃料电池的冷却方法，包括如下步骤：
52.步骤一、组装燃料电池，于阳极板12上表面与阴极板13下表面对齐间布置一膜电极17并压紧组成双极板11，将若干双极板11对齐并在上下两侧分别安装集流板16，在集流板16远离双极板11的一侧分别固定连接有端板15，将螺栓14贯穿端板15、集流板16和双极板11后利用螺母19进行固定；保证各双极板11之间的密封性；增强结构的稳定性。
53.步骤二、安装燃料电池，将步骤一组装好的燃料电池固定于冷却箱4内，并在冷却箱4内部顶部安装冷凝管3；
54.步骤三、向冷却箱4内通入冷却介质2，直到冷却介质2没过燃料电池且位于冷凝管3下方，使冷却介质2吸收燃料电池释放的热量汽化蒸发，蒸汽在冷凝管3附近冷凝回落至冷却介质2中；
55.步骤四、利用温度传感器以及压力传感器进行监测。
56.进一步优化方案，步骤四中，当压力传感器监测到冷却箱4压力超过预设压力阀值时，开启紧急泄压阀进行泄压。防止由于冷却介质2不断蒸发导致冷却箱4内压力过大发生意外。
57.进一步优化方案，步骤四中，当燃料电池功率低产热较少时，冷却介质2依靠自然对流向上汽化蒸发，通过冷凝管3冷凝后自然落下；当燃料电池功率增大温度较高时，温度传感器接收到的温度信号达到强制冷却的温度阈值时，启动冷却循环器，冷却介质2依靠强制对流流动进行换热，通过冷凝管3冷凝后自然落下。
58.当燃料电池温度较低时，冷却介质2依靠自然对流向上汽化蒸发，通过冷凝管3冷凝后自然落下，如此循环冷却；当燃料电池功率增大温度较高时，温度传感器接收到的温度信号达到强制冷却阈值，则启动冷却循环器，冷却介质2依靠的强制对流迅速流动加快换热，通过冷凝管3冷凝后自然落下，如此循环冷却；能够根据特定情况对燃料电池进行冷却，冷却稳定。
59.进一步的，冷凝管3中的冷却循环介质为常见冷却循环介质，冷却箱4中的冷却循环介质需要满足低导电率高导热率且容易发生相变的特点。
60.实施例二：
61.参照图9-11，本实施例提供一种冷却开放式燃料电池，本实施例与实施例一的区别仅在于阴极板13上表面和阳极板12下表面所形成的冷却流场119内的支撑板1191为圆形柱凸起，冷却流场119在圆形柱凸起的作用下形成扰流柱式冷却流场，流通通道1192空间更大，且扰流柱可以破坏冷却介质的平行流动，使冷却介质产生紊流，强化双极板11和冷却介质2之间的散热。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
63.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。