一种集流板散热结构与一种燃料电池堆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种集流板散热结构与一种燃料电池堆。


背景技术：

2.为了满足市场和客户对燃料电池堆体积功率密度(燃料电池堆的输出功率与体积之比)提出的越来越高的要求，燃料电池堆的输出电流也越来越大，导致集流板上产生和积聚的热量越来越多。集流板是位于电堆两端用来传导电堆所产生电流的导电板，集流板处于燃料电池堆的单极板和端板之间，只能通过单极板和端板的热传导、集流板边缘与空气的自然对流换热进行有限散热。现有技术的散热量有限，集流板尤其是远离边缘的靠近中心区域因为保温作用导致散热状态较差。当集流板某一区域的温度超过单极板的承温极限，会导致该位置处单极板的损坏，最终导致燃料电池堆的泄漏、烧损甚至爆炸等事故发生。
3.因此，如何对集流板有效散热，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集流板散热结构，该结构能够及时有效地对集流板进行散热，满足燃料电池堆体积功率密度越来越高的要求。本发明的另一个目的在于提供一种包括上述集流板散热结构的燃料电池堆。
5.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种集流板散热结构，包括集流板和端板，所述端板朝向电堆组件的一侧设有用于容纳所述集流板的凹槽，所述凹槽的底面设有多条依次间隔排布的第一凸台和第一流道，所述集流板的第一侧表面接触所述凹槽的底面，所述集流板的第二侧表面朝向所述电堆组件，所述集流板的第一侧表面设有多条依次间隔排布的第二凸台和第二流道，所述第二流道与所述第一流道交叉布置并连通；
7.其中，多条所述第一流道的两端开口延伸至所述端板的相对两侧边缘并与外界空气相通，和/或，多条所述第二流道的两端开口延伸至所述集流板的相对两侧边缘并与外界空气相通。
8.优选地，在所述第一流道的排布方向上，各所述第一流道由所述凹槽的底面的中心部位向排布方向的两端依次排布；
9.和/或，在所述第二流道的排布方向上，各所述第二流道由所述集流板的所述第一侧表面的中心部位向排布方向的两端依次排布。
10.优选地，在所述第一流道的排布方向上，各相邻所述第一流道的间距从排布方向的中心向两端依次增大；
11.和/或，在所述第二流道的排布方向上，各相邻所述第二流道的间距从排布方向的中心向两端依次增大。
12.优选地，在所述第一流道的排布方向上，各条所述第一流道的宽度相等，每相邻两条所述第一流道之间的所述第一凸台的宽度从排布方向的中心向两端依次增大；
13.和/或，在所述第二流道的排布方向上，各条所述第二流道的宽度相等，每相邻两条所述第二流道之间的所述第二凸台的宽度从排布方向的中心向两端依次增大。
14.优选地，相邻所述第一凸台的宽度相差0.2～0.5mm，和/或，相邻所述第二凸台的宽度相差0.2～0.5mm。
15.优选地，在所述第一流道的排布方向上，各所述第一流道由所述凹槽的底面的中心部位分布至所述端板的相对两侧边缘；
16.和/或，在所述第二流道的排布方向上，各所述第二流道由所述集流板的所述第一侧表面的中心部位分布至所述集流板的相对两侧边缘。
17.优选地，各所述第一流道沿所述端板的宽度方向依次排布，和/或，各所述第二流道沿所述集流板的长度方向依次排布。
18.优选地，所述第一流道和/或所述第二流道为直线形流道。
19.优选地，各所述第一流道平行布置，和/或，各所述第二流道平行布置。
20.优选地，与外界空气相通的所述第一流道的端部开口和/或与外界空气相通的所述第二流道的端部开口呈由外到内宽度逐渐缩小的引导开口结构。
21.优选地，所述引导开口结构的开口角度为0.8
°
～1.5
°
。
22.优选地，所述集流板的厚度大于等于所述凹槽的深度。
23.优选地，所述集流板的厚度与所述凹槽的深度相差0～0.2mm。
24.本发明提供的集流板散热结构，包括集流板和端板，端板朝向电堆组件的一侧设有用于容纳集流板的凹槽，凹槽的底面设有多条依次间隔排布的第一凸台和第一流道，集流板的第一侧表面接触凹槽的底面，集流板的第二侧表面朝向电堆组件，集流板的第一侧表面设有多条依次间隔排布的第二凸台和第二流道，第二流道与第一流道交叉布置并连通；其中，多条第一流道的两端开口延伸至端板的相对两侧边缘并与外界空气相通，和/或，多条第二流道的两端开口延伸至集流板的相对两侧边缘并与外界空气相通。
25.本发明的工作原理如下：燃料电池堆封装完成后，集流板安装在端板和电堆组件之间并与端板的凹槽接触，第一流道和第二流道形成互相连通的供空气流通的冷却腔体，由于燃料电池堆一般安装在具有流通空气的环境中，燃料电池堆随车运动过程中也会形成流通空气，因此，流通空气能够通过第一流道和/或第二流道的一端开口进入上述冷却腔体中，冷却空气再扩散到各个第一流道和第二流道，从而对集流板的第一侧表面进行强制冷却，然后，冷却后的空气从第一流道和/或第二流道的另一端开口流出。
26.本发明通过流通空气的连续冷却作用，能够带走集流板因为传导电堆电流产生的热量，实现对集流板和位于电堆组件两端的单极板等的保护。该集流板散热结构能够及时有效地对集流板进行散热，满足燃料电池堆体积功率密度越来越高的要求。
27.本发明还提供了一种燃料电池堆，包括电堆组件和如上所述的集流板散热结构。该燃料电池堆产生的有益效果的推导过程与上述集流板散热结构带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
28.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明具体实施例中的集流板散热结构的分解结构示意图；
30.图2为本发明具体实施例中的端板的结构示意图；
31.图3为本发明具体实施例中的集流板的结构示意图；
32.图4为本发明具体实施例中的燃料电池堆的结构示意图。
33.图1至图4中的各项附图标记的含义如下：
34.1-端板、2-集流板、3-凹槽、4-电堆组件、11-第一流道、12-第一凸台、13-氢气进口、14-氢气出口、15-空气进口、16-空气出口、17-冷却液进口、18-冷却液出口、21-第二流道、22-第二凸台、23-输出端子。
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.请参照图1至图4，图1为本发明具体实施例中的集流板散热结构的分解结构示意图；图2为本发明具体实施例中的端板的结构示意图；图3为本发明具体实施例中的集流板的结构示意图；图4为本发明具体实施例中的燃料电池堆的结构示意图。
37.本发明提供了一种集流板散热结构，包括集流板2和端板1，端板1朝向电堆组件4的一侧设有用于容纳集流板2的凹槽3，凹槽3的底面设有多条依次间隔排布的第一凸台12和第一流道11，集流板2的第一侧表面接触凹槽3的底面，集流板2的第二侧表面朝向电堆组件4，集流板2的第一侧表面设有多条依次间隔排布的第二凸台22和第二流道21，第二流道21与第一流道11交叉布置并连通，即，第二流道21与第一流道11可以垂直交叉布置并连通，也可以呈锐角交叉布置并连通；
38.其中，多条第一流道11的两端开口延伸至端板1的相对两侧边缘并与外界空气相通，和/或，多条第二流道21的两端开口延伸至集流板2的相对两侧边缘并与外界空气相通。
39.请参照图1至图4，端板1位于燃料电池堆的两端，用于给叠放在一起的电堆组件4传送所需压紧力的部件。端板1上还设置有氢气进口13、氢气出口14、空气进口15、空气出口16、冷却液进口17和冷却液出口18，端板1上设置的凹槽3的长度a和宽度b分别对应电堆活性面积的边界。集流板2上还设置有输出端子23。
40.本发明的工作原理如下：燃料电池堆封装完成后，集流板2安装在端板1和电堆组件4之间并与端板1的凹槽3接触，第一流道11和第二流道21形成互相连通的供空气流通的冷却腔体，由于燃料电池堆安装在具有流通空气的环境中，燃料电池堆随车运动过程中也会形成流通空气，因此，流通空气能够通过第一流道11和/或第二流道21的一端开口进入上述冷却腔体中，冷却空气再扩散到各个第一流道11和第二流道21，从而对集流板2的第一侧
表面进行强制冷却，然后，冷却后的空气从第一流道11和/或第二流道21的另一端开口流出。
41.本发明通过流通空气的连续冷却作用，能够带走集流板2因为传导电堆电流产生的热量，实现对集流板2和位于电堆组件4两端的单极板等的保护。该集流板散热结构能够及时有效地对集流板2进行散热，满足燃料电池堆体积功率密度越来越高的要求。
42.需要说明的是，本发明可以根据集流板2的发热情况具体设计第一流道11和第二流道21的布置区域，即，第一流道11和第二流道21形成的冷却腔可以对应于集流板2的第一侧表面的整体表面或局部表面。通常地，集流板2的中心区域发热情况较为严重，为了对集流板2的中心区域有效散热，优选地，本方案将上述冷却腔对应于集流板2的第一侧表面的中心部位，具体的，在第一流道11的排布方向上，各第一流道11由凹槽3的底面的中心部位向排布方向的两端依次排布；和/或，在第二流道21的排布方向上，各第二流道21由集流板2的第一侧表面的中心部位向排布方向的两端依次排布。
43.集流板2中心区域受塑料端板或绝缘板的保温作用，散热状态较差，集流板2上越远离中心区域的部分的散热量越低。为了进一步提高集流板2中心区域的散热效率，优选地，在第一流道11的排布方向上，各相邻第一流道11的间距从排布方向的中心向两端依次增大；和/或，在第二流道21的排布方向上，各相邻第二流道21的间距从排布方向的中心向两端依次增大。如此设置，使得集流板2中心区域的第一流道11和/或第二流道21比远离中心的区域分布更为密集，从而使得更多冷却空气对中心区域强制冷却。
44.为了实现上述第一流道11和/或第二流道21的疏密不同的分布设计，本发明可以通过设计宽度不同的流道或宽度不同的凸台结构来实现。优选地，在第一流道11的排布方向上，各条第一流道11的宽度相等，每相邻两条第一流道11之间的第一凸台12的宽度从排布方向的中心向两端依次增大；
45.和/或，在第二流道21的排布方向上，各条第二流道21的宽度相等，每相邻两条第二流道21之间的第二凸台22的宽度从排布方向的中心向两端依次增大。
46.进一步优选地，相邻第一凸台12的宽度相差0.2～0.5mm，和/或，相邻第二凸台22的宽度相差0.2～0.5mm。具体请参照图2和图3，各个第一流道11(或第一凸台12)的排布方向为端板1的宽度方向，端板1的宽度为b，各第一流道11(或第一凸台12)的长度为a，各个第一流道11的宽度相等，相邻两个第一凸台12的宽度b1和b2相差0.2～0.5mm，即，b2－b1＝(0.2～0.5)mm。各个第二流道21(或第二凸台22)的排布方向为集流板2的长度方向，集流板2的长度为a，各个第二流道21(或第二凸台22)的长度为b，各个第二流道21的宽度相等，相邻两个第二凸台22的宽度a1和a2相差0.2～0.5mm，即，a2－a1＝(0.2～0.5)mm。通过改变第一流道11和/或第二流道21的间距，能够保证集流板2散热均匀，改善电堆输出性能。
47.需要说明的是，为了进一步扩大冷却腔的散热面积，优选地，在第一流道11的排布方向上，各第一流道11由凹槽3的底面的中心部位分布至端板1的相对两侧边缘(宽度或长度方向的相对两侧边缘)；和/或，在第二流道21的排布方向上，各第二流道21由集流板2的第一侧表面的中心部位分布至集流板2的相对两侧边缘(长度或宽度方向的相对两侧边缘)。进一步优选地，为了便于加工第一流道11和第二流道21，各第一流道11沿端板1的宽度方向依次排布，和/或，各第二流道21沿集流板2的长度方向依次排布。如图2和图3所示，各个第一流道11由凹槽3的底面的中心部位分布至端板1的宽度方向的相对两侧边缘；各个第
二流道21由集流板2的第一侧表面的中心部位分布至集流板2的长度方向的相对两侧边缘。如此设置，可以使多个第一流道11布满凹槽3的底面，使多个第二流道21布满集流板2的第一侧表面，从而对集流板2的第一侧表面整体进行高效散热。另外，第一凸台12和第一流道11沿端板1的长度方向延伸，使得端板1在长度方向上能够获得足够的刚度，保证封装力f的均匀传递。
48.需要说明的是，本方案中的第一流道11和第二流道21可以设计为直线形流道或曲线形流道等，为了便于加工，优选地，第一流道11和/或第二流道21为直线形流道。进一步优选地，各第一流道11平行布置，和/或，各第二流道21平行布置。
49.优选地，与外界空气相通的第一流道11的端部开口和/或与外界空气相通的第二流道21的端部开口呈由外到内宽度逐渐缩小的引导开口结构，即，引导开口结构形成类似于喇叭口状的结构，如此设置，使得空气从引导开口结构进入流道后在中心区域流经的流通面积减小、流速增大，对流换热系数增大，从而提高了集流板2中心区域的冷却效果。
50.优选地，如图3所示，第二流道21的端部开口与外界空气相通，其引导开口结构的开口角度θ优选设计为0.8
°
～1.5
°
。
51.优选地，如图4所示，集流板2的厚度d大于等于凹槽3的深度h，进一步地，集流板2的厚度d与凹槽3的深度h相差0～0.2mm，即，d－h＝(0～0.2)mm。如此设置，集流板2在安装于端板1和电堆组件4之间时，集流板2对应装配在凹槽3内，集流板2的第一侧表面与凹槽3的底面接触(即第一凸台12和第二凸台22接触)，用于传递电堆的封装力f，集流板2的第二侧表面则直接与电堆组件4接触，从而使得端板1朝向电堆组件4的一侧与电堆组件4之间形成间隙，不仅能够保证集流板2与电堆组件4完全接触，而且能够改善电堆组件4上的受力状态，减小应力集中，提高电堆组件4的安全系数。电堆封装后，封装力f能够通过端板1的凸台传递给集流板2的凸台，进而传递给电堆组件4，从而实现有效封装。
52.本发明提供的集流板散热结构具有简单的结构特征，利用燃料电池堆自身的封装力进行安装，特别适用于市场和客户对燃料电池堆体积功率密度提出的越来越高的要求所带来的电流的增加的应用场景，通过及时有效地强制对流换热带走集流板上产生和积聚的热量，提高燃料电池堆的可靠性。
53.本发明还提供了一种燃料电池堆，包括电堆组件和如上所述的集流板散热结构。该燃料电池堆产生的有益效果的推导过程与上述集流板散热结构带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
54.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。