一种带外部散热翅片的双极板、阴极开放式燃料电池电堆的制作方法

1.本发明属于燃料电池及热管理技术领域，特别涉及一种带外部散热翅片的双极板、阴极开放式燃料电池电堆。


背景技术：

2.燃料电池被认为是一种新型能源转换技术，可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应转化为电能和热能，具有高能量转换效率、零排放、低运行噪音、低维护费用等优点。燃料电池在发电过程中会持续产生热量，所以需要通过热管理来维持电堆工作温度的稳定。
3.为减小系统的体积质量和复杂性，在小型燃料电池电堆中，常采用风冷的方式来冷却电堆。阴极开放式电堆就是一种风冷电堆，其阴极流道既为反应气体通道，同时也是冷却流道。然而由于空气的比热较小，散热所需要的空气流量很大。大流量的空气在通过阴极流道时，产生很大的流动阻力，增加了电堆的寄生能耗。大流量的空气还可能造成质子交换膜内质子导体不足，影响质子传输，进而影响燃料电池的输出性能和使用寿命。
4.此外，随着燃料电池电堆工作温度的提高和单体数的增加，电堆内部不同位置的温差逐渐增大，大量热量在电堆中心集中，导致电堆单体间温度分布的均匀性变差，影响电堆可靠性、稳定性和耐久性。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种带外部散热翅片的双极板、阴极开放式燃料电池电堆，解决目前阴极开放式空冷燃料电池电堆寄生能耗大、单体间温度分布不均匀的问题。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.第一方面，一种带外部散热翅片的双极板，所述双极板包括流场板和散热翅片板，所述散热翅片板设置在流场板上端、下端或者上下两端，释放流场板传递的热量。
8.第二方面，一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，包括双极板和膜电极重复堆叠而成的电堆堆芯以及由外至内依次对称安装在电堆堆芯两侧的端板、绝缘板和集流板；
9.所述双极板包括流场板和散热翅片板，所述流场板的阴极流道与外部环境直接连通；所述散热翅片板设置在流场板上端、下端或者上下两端，释放流场板传递的热量；
10.所述端板用于与紧固件配合，控制燃料电池电堆各组件之间的接触压力；
11.所述绝缘板用于集流板和端板电隔离；
12.所述集流板用于将燃料电池电堆的电能输送到外部负载。
13.根据本发明提供的一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，具有以下有益效果：
14.(1)本发明提供的一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，外部的散热
翅片板增加了燃料电池电堆的散热途径和散热面积，在相同的散热量下，可以减小散热所需空气的流速，既避免质子交换膜内质子导体不足引发的性能与寿命问题，也减小了空气流阻和寄生能耗；
15.(2)本发明提供的一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，外部的散热翅片板增加了燃料电池电堆的散热能力，在相同的寄生功率下，满足电堆在更高电流密度下运行时的散热需求，提高电堆的输出功率；
16.(3)本发明提供的一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，越靠近电堆中心位置的翅片板散热面积越大，可以避免电堆中心热量集中，温度分布中间高两头低的问题，增加电堆单体间温度分布的均匀性，进而提高燃料电池电堆的可靠性、稳定性和耐久性。
附图说明
17.图1为本发明一种带外部散热翅片的流场板的结构示意图；
18.图2为本发明一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆的结构示意图。
19.附图标号说明
20.1-端板，2-绝缘板，3-集流板，4-双极板，41-流场板，42-散热翅片板，5-膜电极，6-风机。
具体实施方式
21.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
22.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
23.本发明提供了一种带外部散热翅片的双极板，如图1所示，所述双极板包括流场板41和散热翅片板42，所述散热翅片板42设置在流场板41上端、下端或者上下两端，释放流场板传递的热量。
24.在一种优选的实施方式中，所述散热翅片板42作为流场板41的延伸部分，与流场板41一体加工而成。
25.在一种优选的实施方式中，所述双极板采用高热导率材料，如石墨、镀金金属等，热导率≥100w/(m
·
k)，将燃料电池发电产热传导至外部散热翅片板42上。
26.在一种优选的实施方式中，所述散热翅片板的散热面积随双极板离电堆中心距离的不同而变化，越靠近电堆中心位置双极板上的散热翅片板的散热面积越大。所述散热翅片板的散热面积可以通过改变散热翅片板上的翅片数量、翅片形状和翅片高度实现。所述散热翅片板上的翅片形状包含但不限于平直翅片、百叶窗翅片、锯齿翅片和波纹翅片。
27.本发明还提供了一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池电堆，如图1和图2所示，包括双极板4和膜电极5重复堆叠而成的电堆堆芯以及由外至内依次对称安装在电堆堆芯两侧的端板1、绝缘板2和集流板3；
28.所述双极板4包括流场板41和散热翅片板42，所述流场板41的阴极流道与外部环
境直接连通，兼顾提供阴极反应物和为电堆散热的作用；所述散热翅片板42设置在流场板41上端、下端或者上下两端，释放流场板传递的热量；
29.所述流场板41上散热翅片板42的散热面积满足使电堆内部温差在规定范围内，如
±
2℃内。
30.所述端板1用于与紧固件配合，控制燃料电池电堆各组件之间的接触压力；
31.所述绝缘板2用于集流板3和端板1电隔离；
32.所述集流板3用于将燃料电池电堆的电能输送到外部负载。
33.实施例1
34.如图1和图2所示，一种带外部散热翅片的阴极开放式燃料电池堆包含端板1，绝缘板2，集流板3，双极板4和膜电极5，外置风机6固定于燃料电池堆的侧面，用于提供阴极反应物和电堆散热气体。
35.双极板4包含流场板41和散热翅片板42，散热翅片板42分布于燃料电池电堆流场板的上下面，相邻散热翅片板42之间的间隔形成散热腔室。散热翅片板42的散热面积随离电堆中心的距离不同而变化，越靠近电堆中心，散热翅片板42的散热面积越大。散热面积的变化可以通过改变散热翅片板42上的翅片数量、翅片形状和翅片高度来实现。本实施例采用改变翅片板整体高度的方式来改变翅片数量，从而改变散热面积，电堆最中心处的翅片板高度为20mm，翅片结构采用平直翅片，单个翅片宽度和高度均为1mm。在具体应用过程中可以根据散热需求改变翅片数量或者单个翅片高度，翅片结构也可设计为百叶窗翅片、锯齿翅片和波纹翅片等。
36.燃料电池电堆运行时，风机6打开，将一定流量的空气送入流场板41的阴极流道和散热翅片板42之间的散热腔室。空气在流场板41的阴极流道中同时充当阴极反应物和冷却介质，在散热翅片板42之间的散热腔室中则仅充当冷却介质。燃料电池电堆产生的热量主要通过两个途径排出。第一个途径是，热量在反应位点产生后，传导至膜电极5的气体扩散层以及流场板41，与阴极流场中的由风机6送入的空气形成强制对流，热量转换为空气的内能随着空气流动带离电堆。第二个途径是，热量在传导至流场板41后继续通过双极板6的高热导率材料传导至散热翅片板42，与板间散热腔室中的由风机6送入的空气形成强制对流，热量同样转换为空气的内能随着空气流动带离电堆。此外，还有一小部分热量通过辐射和自然对流的方式排入环境，与以上两种主要途径共同维持燃料电池堆运行温度的稳定。
37.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
38.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。