[发明专利]一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法

说明书

本发明属于燃料电池极板技术领域，提出了一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法，本发明在冷却液流道的进出口处设置了流量控制结构，可通过反应气流道中的温度传感器传输信息进行流量控制，实现了冷却与反应物流道截面积相结合的的目的，同时，在极板的反应气体流道与冷却液流道之间布设多个弹性体，可通过控制冷却液流道进出口流量来控制弹性体的扩张和收缩，从而达到控制反应气流道截面积的目的；实现了根据燃料电池的工作状态改变流道形状或反应气体通道截面积的效果。

技术领域

本发明属于燃料电池极板技术领域，尤其涉及一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法。

背景技术

目前，关于质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池的流道结构设计方案，研究学者们给出了大量的方法，具体可分为三大类：一种是对常用的流道结构几何参数进行改进，包括对平行流道、蛇形流道和交指型流道等几种常用流道结构进行优化，具体包括流道深度、圆角半径和进出口长宽比等几何要素的优化设计；另一种是在常用流道的基础之上增设不同形状和大小的隔板或者阻块，通过改进反应气体在流道内部的局部传输过程以影响燃料电池内部的质量传输过程，进一步提高燃料电池的性能表现；第三种是向自然界中的奇妙结构学习，运用仿生学手段设计出一些新型流道，比如蜂巢状和鱼鳍状等等；目前燃料电池的流道皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变。另外，质子交换膜燃料电池堆在正常功率密度条件下运行时，其能量转化效率通常只能达到40％～60％，未转化为电能的能量需要以热量的形式散发，以维持电池堆热平衡。由于电池堆工作温度较低，其与环境自然对流换热、辐射换热以及电池堆出口气体带走的热量均较少，一般可以忽略，因此，电池堆热平衡主要由冷却剂带走的热量决定；电池堆冷却不充分会造成其运行温度过高及堆内的温度梯度提升，导致膜的脱水、材料热破坏和电池间性能差异变大。

发明人发现，关于流道结构设计，现有燃料电池流道构型皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态改变流道形状或反应气体通道截面积，现有燃料电池流道在保证反应气分布均匀性及良好的排水性能时，其流道压降较大，造成较多的泵气损失，对于流道压降小的构型，其排水性或反应气体分布均匀性不佳；现有燃料电池还没有将冷却与反应物流道截面积相结合的措施。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可变截面流道极板、冷却系统、电池及其控制方法，本发明提供了一种新型的燃料电池极板组件及燃料电池冷却、反应物流道截面积变化的联动控制策略；实现了燃料电池冷却及排水的综合控制，提高了燃料电池功率密度。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种可变截面流道极板，采用如下技术方案：

一种可变截面流道极板，包括：

极板本体，两侧面上对称开设有多个反应气流道，中间部位与所述反应气流道交错位置开设有多个冷却液流道；

流量控制结构，设置在所述冷却液流道的入口和出口处，所述流量控制结构用于根据所述反应气流道中的温度调节所述冷却液流道中冷却液的流量；

多个弹性体，设置在所述反应气流道的内壁上，所述反应气流道与所述冷却液流道之间开设有多个通道，所述弹性体密封于所述通道靠近所述反应气流道的一端。

进一步的，所述反应气流道垂直轴线的截面为矩形，相邻两个反应气流道之间设置有脊；所述冷却液流道垂直轴线的截面为圆形，开设在所述极板本体对应两个脊之间。

进一步的，所述流量控制结构外部开设有外螺纹，所述冷却液流道进口和出口处开设有内螺纹，所述流量控制结构通过内螺纹和外螺纹配合设置在所述冷却液流道进口和出口内；所述流量控制结构包括阀体以及设置在所述阀体上的柱塞，通过控制所述柱塞的上下移动控制冷却液流通面积，控制冷却液流量。

进一步的，多个弹性体沿所述反应气流道轴向方向均匀分布；相邻两个反应气流道中的多个弹性体交错分布。