一种均热板集成散热式双极板结构及制造方法、燃料电池与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种均热板集成散热式双极板结构及制造方法、燃料电池。

背景技术：

1、燃料电池电堆是一种将多片双极板与膜电极组成的三明治结构重复堆叠而成的一种结构，双极板的功能是将反应气体，常用的例如氢气和空气，通过气体通道，输送到膜电极的活性区内，使电化学反应得以发生，产生电流。燃料电池发生化学反应生成电能的同时，部分化学能还会转化成热量，需要将这部分热量扩散掉。

2、常见的散热方式为风冷或者水冷，其中：水冷散热需要将双极板设计成两板三腔结构，即双极板中间所夹的腔体作为冷却液流通的空间；风冷电堆或双极板常见为阴极开放式结构，即阴极腔体与风冷冷却腔为同一个腔体，通过外部风扇一类的通风设备，将空气送入反应腔体内，其中部分空气作为提供阴极反应所需的氧气；同时由于阴极采用开放式结构，过量的空气从双极板一侧进入，另一个流出，带走反应中所产生的热量。

3、两种散热方式中，水冷方式通常可以带走更大的热量，因此，电堆可以运行至更高的电密点，但水冷方式系统设计复杂，需要增加水泵，控制器，水箱，管路及外置散热器等等，一般水冷系统体积较大，且造价昂贵。风冷系统结构简单，具有体积小，成本低的特点，但由于风冷散热能力受限，以及开放式阴极通常无法提供更高的气体压力，导致燃料单池运行电密点较低。

4、因此，需要提供一种新型双极板设计，结构简单，成本低廉，传热效率和散热效率高，有利于电堆功率密度提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种均热板集成散热式双极板结构和燃料电池，结构简单，成本低廉，传热效率和散热效率高，有利于电堆功率密度提升。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种均热板集成散热式双极板结构，包括双极板本体，所述双极板本体具有蒸发段和冷凝段，所述双极板本体中部具有密封腔体，所述密封腔体内部设有毛细流道和相变工质，所述毛细流道连通所述蒸发段和所述冷凝段，所述相变工质能够沿所述毛细流道由所述蒸发段流动至所述冷凝段，

3、所述双极板本体在所述蒸发段的两侧外壁均设置有气体流道，所述气体流道和所述毛细流道的延伸方向相同。

4、本发明双极板结构，将均热板与双极板结合，将传统双极板的散热腔体替换为充满相变介质的密封腔体，集成传热及散热功能，结构简单，成本低廉，传热效率和散热效率高，有利于电堆功率密度提升，气体流道和毛细流道的延伸方向相同，在冲压金属板上可实现，适用于批量制造，大幅度降低制造成本，便于燃料电池商业化推广。

5、可选地，所述冷凝段的数量为一个，所述冷凝段位于所述蒸发段长度方向的一端；

6、或，所述冷凝段的数量为两个，两个所述冷凝段分设在所述蒸发段长度方向的两端。

7、可选地，所述双极板本体还设置有两组气体腔口，一组所述气体腔口与一侧的所述气体流道对应连通，一组所述气体腔口包括两个腔口，其中一个所述腔口形成所述气体流道的入口，另一个所述腔口形成所述气体流道的出口。

8、可选地，所述双极板本体具有主体部，所述主体部在宽度方向的两侧各设置有两个突出部，同侧的两个所述突出部沿所述双极板本体的长度方向间隔分布，所述密封腔体设置于所述主体部，所述腔口一一对应地设置于所述突出部。

9、可选地，所述密封腔体具有两个缩颈段，在所述双极板本体的长度方向上，两个所述缩颈段位于所述蒸发段的两端，并且所述缩颈段位于所述蒸发段和同侧的所述冷凝段之间，

10、所述双极板本体在所述缩颈段的侧部形成避让区域，所述气体腔口设置于所述避让区域。

11、可选地，所述密封腔体由宽度方向的两侧向中部聚拢形成所述缩颈段，所述双极板本体在所述缩颈段的两侧形成四个所述避让区域，所述腔口一一对应地设置于所述避让区域。

12、可选地，所述密封腔体由宽度方向的一侧向另一侧聚拢形成所述缩颈段，所述双极板本体在所述缩颈段的两侧形成两个所述避让区域，每一个所述避让区域设置两个所述腔口。

13、可选地，所述密封腔体在所述蒸发段的宽度为h1，所述缩颈段的最小宽度为h2，r＝h2/h1，r的取值范围为0.5-0.8。

14、可选地，所述密封腔体在所述冷凝段的宽度为h3，h3的取值范围为：h2≤h3≤h1。

15、可选地，h3＝h1，所述双极板本体为规则矩形结构。

16、可选地，所述密封腔体由宽度方向的一侧向另一侧聚拢形成所述缩颈段，所述双极板本体在所述缩颈段的两侧形成两个所述避让区域，每一个所述避让区域设置两个所述腔口；

17、所述缩颈段宽度处处相等。

18、可选地，所述密封腔体由宽度方向的两侧向中部聚拢形成所述缩颈段，所述双极板本体在所述缩颈段的两侧形成四个所述避让区域，所述腔口一一对应地设置于所述避让区域；

19、所述缩颈段包括位于中部的第一连接段，以及连接在所述第一连接段至少一端的第二连接段，所述第一连接段的宽度不变，所述第二连接段的宽度沿靠近所述第一连接段的方向渐缩，所述第二连接段的侧壁为平面。

20、可选地，所述第二连接段的侧壁的倾斜角度的取值范围为30°-60°。

21、可选地，h3＝h2，除所述冷凝段外，所述双极板本体其他区域的宽度相等，所述冷凝段的宽度小于其他区域的宽度。

22、可选地，所述缩颈段的宽度处处相等；

23、或，所述缩颈段包括顺次连接的第三连接段和第四连接段，所述第三连接段靠近所述蒸发段，所述第四连接段的宽度不变，所述第三连接段的宽度沿靠近所述第四连接段的方向渐缩，所述第三连接段的侧壁为平面或弧形曲面。

24、可选地，所述第三连接段的侧壁为平面时，其倾斜角度的取值范围为30°-60°。

25、本发明还提供一种燃料电池，包括前述均热板集成散热式双极板结构，其中，蒸发段设置在燃料电池内部，冷凝段外露在环境中。

26、本发明燃料电池，包括前述均热板集成散热式双极板结构，因此具有与前述均热板集成散热式双极板结构相同的技术效果，在此不再赘述。

27、本发明还提供一种均热板集成散热式双极板结构的制造方法，用于制造前述均热板集成散热式双极板结构，包括如下步骤：

28、步骤s1:对双极板本体的尺寸、密封腔体的结构和气体流道进行设计，并计算获得电堆散热量；

29、步骤s2：对所述双极板本体进行加工试制，并完成电堆组装，进行电堆的散热能力测试，判断测试结果是否满足要求，若是，则执行步骤s3，若否，则对所述双极板本体进行优化，重新执行步骤s2；

30、步骤s3：对所述双极板本体进行批量生产，并完成电堆组装，进行电堆的功能及散热测试。

31、本发明热板集成散热式双极板结构的制造方法，用于制造前述均热板集成散热式双极板结构，因此具有与前述均热板集成散热式双极板结构相同的技术效果，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，包括双极板本体(1)，所述双极板本体(1)具有蒸发段(11)和冷凝段(12)，所述双极板本体(1)中部具有密封腔体(13)，所述密封腔体(13)内部设有毛细流道和相变工质，所述毛细流道连通所述蒸发段(11)和所述冷凝段(12)，所述相变工质能够沿所述毛细流道由所述蒸发段(11)流动至所述冷凝段(12)，

2.根据权利要求1所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述冷凝段(12)的数量为一个，所述冷凝段(12)位于所述蒸发段(11)长度方向的一端；

3.根据权利要求2所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述双极板本体(1)还设置有两组气体腔口，一组所述气体腔口与一侧的所述气体流道对应连通，一组所述气体腔口包括两个腔口(14)，其中一个所述腔口(14)形成所述气体流道的入口，另一个所述腔口(14)形成所述气体流道的出口。

4.根据权利要求3所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述双极板本体(1)具有主体部，所述主体部在宽度方向的两侧各设置有两个突出部(1a)，同侧的两个所述突出部(1a)沿所述双极板本体(1)的长度方向间隔分布，所述密封腔体(13)设置于所述主体部，所述腔口(14)一一对应地设置于所述突出部(1a)。

5.根据权利要求3所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)具有两个缩颈段(13a)，在所述双极板本体(1)的长度方向上，两个所述缩颈段(13a)位于所述蒸发段(11)的两端，并且所述缩颈段(13a)位于所述蒸发段(11)和同侧的所述冷凝段(12)之间，

6.根据权利要求5所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)由宽度方向的两侧向中部聚拢形成所述缩颈段(13a)，所述双极板本体(1)在所述缩颈段(13a)的两侧形成四个所述避让区域(a)，所述腔口(14)一一对应地设置于所述避让区域(a)。

7.根据权利要求5所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)由宽度方向的一侧向另一侧聚拢形成所述缩颈段(13a)，所述双极板本体(1)在所述缩颈段(13a)的两侧形成两个所述避让区域(a)，每一个所述避让区域(a)设置两个所述腔口(14)。

8.根据权利要求6或7所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)在所述蒸发段(11)的宽度为h1，所述缩颈段(13a)的最小宽度为h2，r＝h2/h1，r的取值范围为0.5-0.8。

9.根据权利要求8所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)在所述冷凝段(12)的宽度为h3，h3的取值范围为：h2≤h3≤h1。

10.根据权利要求9所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，h3＝h1，所述双极板本体(1)为规则矩形结构。

11.根据权利要求10所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)由宽度方向的一侧向另一侧聚拢形成所述缩颈段(13a)，所述双极板本体(1)在所述缩颈段(13a)的两侧形成两个所述避让区域(a)，每一个所述避让区域(a)设置两个所述腔口(14)；

12.根据权利要求10所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述密封腔体(13)由宽度方向的两侧向中部聚拢形成所述缩颈段(13a)，所述双极板本体(1)在所述缩颈段(13a)的两侧形成四个所述避让区域(a)，所述腔口(14)一一对应地设置于所述避让区域(a)；

13.根据权利要求12所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述第二连接段的侧壁的倾斜角度的取值范围为30°-60°。

14.根据权利要求9所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，h3＝h2，除所述冷凝段(12)外，所述双极板本体(1)其他区域的宽度相等，所述冷凝段(12)的宽度小于其他区域的宽度。

15.根据权利要求14所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述缩颈段(13a)宽度处处相等；

16.根据权利要求15所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，所述第三连接段的侧壁为平面时，其倾斜角度的取值范围为30°-60°。

17.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-16任一项所述均热板集成散热式双极板结构，其中，蒸发段(11)设置在燃料电池内部，冷凝段(12)外露在环境中。

18.一种均热板集成散热式双极板结构的制造方法，用于制造权利要求1-16任一项所述均热板集成散热式双极板结构，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开一种均热板集成散热式双极板结构，包括双极板本体，双极板本体具有蒸发段和冷凝段，双极板本体中部具有密封腔体，密封腔体内部设有毛细流道和相变工质，毛细流道连通蒸发段和冷凝段，相变工质能够沿毛细流道由蒸发段流动至冷凝段，双极板本体在蒸发段的两侧外壁均设置有气体流道，气体流道和毛细流道的延伸方向相同。本发明双极板结构，将均热板与双极板结合，将传统双极板的散热腔体替换为充满相变介质的密封腔体，集成传热及散热功能，结构简单，成本低廉，传热效率和散热效率高，有利于电堆功率密度提升，气体流道和毛细流道的延伸方向相同，在冲压金属板上可实现，适用于批量制造，大幅度降低制造成本，便于燃料电池商业化推广。

技术研发人员：杨曦,侯中军,胡洋,董作见
受保护的技术使用者：上海捷氢科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14