一種用于氫燃料電池雙極板的冷卻結構的制作方法

本發明涉及燃料電池領域，具體地說，特別涉及到一種用于氫燃料電池雙極板的冷卻結構。

背景技術：

由于燃料電池在工作中會產生大量的熱量，因此需要在氫燃料電池中設計冷卻結構來導出熱量。傳統的氫燃料電池可分為以下兩類：

參見圖1，該方案中，將氫氣入口、空氣出口和冷卻水入口設計在雙極板的一端，氫氣出口、空氣入口和冷卻水出口設計在雙極板的另一端。冷卻水通過冷卻水入口流入，擴散至整個雙極板夾層中的冷卻水流場，帶走熱量并從冷卻水出口流出。在上述過程中，冷卻水的流經軌跡大致呈“中”字形。

這種方案的缺陷在于：

1)由于“中”字形中間部位的流道最短，左右兩側部位的流道較長，所以大部分的冷卻水通過流經中間部位流出，少部分的冷卻水通過兩側部位流出。這種現象會導致雙極板中間部位的冷卻效果較佳，其兩側部位的冷卻效果較差，冷卻效果不均勻。

2)由于將氫氣入口、空氣出口和冷卻水入口設計在雙極板的一端，氫氣出口、空氣入口和冷卻水出口設計在雙極板的另一端，由于冷卻水入口和冷卻水出口需要占用一部分雙極板端部的面積，勢必占用一部分氫氣入口和空氣入口的面積，導致氫氣入口和空氣入口的設計無法更大，輸入量受限，從而影響增大氫燃料電池的反應效率。

參見圖2，該方案中，將氫氣入口和空氣出口設計在雙極板的一端，冷卻水入口設計在雙極板一端的一側，氫氣出口和空氣入口設計在雙極板的另一端，冷卻水出口設計在雙極板另一端的另一側。冷卻水從一側的冷卻水入口流入，擴散至整個冷卻水流場，帶走熱量并從另一側冷卻水出口流出。在上述過程中，冷卻水的流經軌跡大致呈“Z”字形。

這種方案的缺陷在于：

1)由于冷卻水入口位于雙極板一端的一側，冷卻水出口位于雙極板另一端的另一側。冷卻水在冷卻水流場內會傾向于走較短路徑，流經A區和B區的冷卻水較少，導致上述兩區域冷卻效果較差，長期使用局部易受損影響燃料電池壽命。

綜上所述，方案一和二均不是合理、理想的冷卻方案，需要提供更好的技術方案予以替代。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術中的不足，提供一種用于氫燃料電池雙極板的冷卻結構，克服了現有兩種方案中的缺陷，兼具了兩種方案優點的技術方案。

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：

一種用于氫燃料電池雙極板的冷卻結構，包括雙極板、以及位于所述雙極板上的冷卻水流場，在所述冷卻水流場一端的兩側分別設有一冷卻水入口，在所述冷卻水流場一端的兩側設有一冷卻水出口。

進一步的，在所述雙極板一端設有氫氣出口和空氣入口，在雙極板另一端設有氫氣入口和空氣出口，所述冷卻水入口位于所述雙極板的氫氣出口和空氣入口的所在端的兩側，所述冷卻水出口位于所述雙極板氫氣入口和空氣出口的所在端的兩側。

進一步的，兩處冷卻水入口對稱設置在雙極板氫氣出口和空氣入口所在端的兩側。

進一步的，兩處冷卻水出口對稱設置在雙極板氫氣入口和空氣出口所在端的兩側。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

1)通過在雙極板端部的兩側分別設置一組冷卻水入口和一組冷卻水出口，在提升了氫燃料電池反應效率的同時，也克服了傳統方案中存在冷卻死角的問題，提升了燃料電池的壽命。

2)通過采用了雙冷卻水入口的結構，相比較傳統的單冷卻水入口結構，每個冷卻水流經的路徑更短，其冷卻水的進水效率更高，冷卻效果好。

3)通過采用了雙冷卻水入口的結構，每個雙冷卻水入口面積、占用的尺寸減小，減少橫向流道的數量，減少占用縱向流道尺寸，延長縱向流道的長度，從而減小了對雙極板氣體和冷卻水的流阻影響，提升了反應效率。

附圖說明

圖1為現有氫燃料電池雙極板的冷卻結構示意圖之一。

圖2為現有氫燃料電池雙極板的冷卻結構示意圖之二。

圖3為本發明所述的氫燃料電池雙極板的冷卻結構示意圖。

圖4為本發明所述的若干雙極板及反應膜疊合冷卻水流場C-C處的截面結構示意圖。

圖5為本發明所述的雙極板冷卻水流場D-D處的截面結構示意圖。

圖6為本發明所述的雙極板的截面結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

參見圖3，本發明所述的一種用于氫燃料電池雙極板的冷卻結構，其具體方案為：將氫氣出口2和空氣入口1設置在雙極板的一端，將氫氣入口5和空氣出口6設置在雙極板另一端，并在雙極板一端的左右兩側分別設置一冷卻水入口3，在雙極板另一端的兩側分別設有一冷卻水出口4。

冷卻水通過兩個冷卻水入口3流入后，流經整個冷卻水流場8，帶走熱量并從冷卻水出口4流出。在上述冷卻過程中，冷卻水的流經軌跡大致呈“工”字形。

實施例

在本實施例中，將氫氣出口2和空氣入口1設置在雙極板的一端，將氫氣入口5和空氣出口6設置在雙極板另一端，由于氧氣的擴散性較差，因此空氣入口端的氧氣濃度較高，在此處反應生成的熱量也高。為了達到更好的冷卻效果，因此將冷卻水入口設置在空氣入口和氫氣出口的所在端的左右兩側，將冷卻水出口設置在空氣出口和氫氣入口所在端的兩側。

參見圖5，雙極板的每一塊板呈縱向排列的大量凹凸長槽，相應兩塊凹凸長槽的極板貼合形成縱向排列的冷卻水槽14和兩外側與模電極11形成的氫氣流道12和氧氣腔體13。

當采用現有技術方案二Z字形流道結構時，冷卻水必須從圖5的左右兩側流通，但是被該結構阻擋，改為圖4結構，減小縱向排列凹凸長槽的深度，在原來雙極板總高度不變的前提下，中間形成了一個橫向流道16，使得冷卻水從入口可以經橫向流道16進入縱向流道12，由入口端流向出口端。

從以上的結構可知，橫向流道16會減小極板縱向凹凸長槽的深度，會減小外表面形成氫氣流道12和氧氣腔體13的截面積，使得氧氣(空氣)和氫氣的流道變窄，影響流速、流量和化學反應的效率，因此應盡量減少橫向流道16的數量。

本發明，將現有技術一個冷卻水流入口轉換為左右兩個，因此每個流入口面積變小，也經常在雙極板總高度不變的基礎上流入口的寬度變小，因此占用橫向流道16的數量會減少，相對原先Z形流道的縱向流道長度會變長，相對提高反應效果和效率。

雙極板10頂面的冷卻水流場與位于其上方的雙極板9底面的冷卻水流場構成用于冷卻水通過的冷卻水腔體，雙極板10底面的氣體流場與位于其下方的雙極板15頂面的氣體流場構成用于氣體通過的腔體，該腔體由膜電極11分隔為氫氣流道12和氧氣腔體13。

此時的冷卻水腔體具有若干相互獨立的縱向流道14(本實施例中的縱向指的是圖3中的左右方向)，為了將冷卻水輸送至冷卻水腔體內所有的縱向流道14，需要在冷卻水流場8的兩端設置若干由凹槽7構成的橫向流道16(本實施例中的橫向指的是圖3中的上下方向)。參見圖4，冷卻水進入冷卻水入口3后，沿著橫向流道16流至冷卻水腔體的一端，然后沿著縱向流道14到達冷卻水腔體的另一端，最后冷卻水腔體另一端的縱向流道16流出冷卻水出口4。

若采用如圖2所示的單冷卻水入口和冷卻水出口結構，不但需要在雙極板上設計較多的縱向流道，由于冷卻水腔體中的冷卻水會傾向于走較短路徑，導致存在死角，即圖2中所示的A區和B區。另外，由于縱向流道16是設置在雙極板一面上的凹槽7，其勢必會增大雙極板另一面的氣體流阻，影響氣體流道的氫氣或氧氣的流通，進而影響兩者的反應。

而采用本發明圖3所示的雙冷卻水入口和冷卻水出口結構，由于一組兩個冷卻水入口的連線位于同一垂直于直線上，兩處冷卻水入口分別與縱向流道的兩端連通，充分的利用了縱向流道，因此可以將縱向流道的數量和單個冷卻水入口的截面積減小為圖2中的一半，從而減小了對雙極板另一面氣體的流阻影響。另外，由于在原來的A區和B區處設置了冷卻水入口和冷卻水出口，從而消除了冷卻死角，提升了冷卻效率。

由于在雙極板的兩端設置了兩組冷卻水出口和冷卻水出口，冷卻水的進水效率更高，冷卻水在流經冷卻水流場的速度很快，冷卻水流經的路徑更短，冷卻效果好。

經實驗表明，將冷卻水入口的總截面積不變的情況下，采用本發明所述的雙冷卻水入口的設計，其冷卻性能要比單冷卻水入口的冷卻性能高。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。