專利名稱：具有改進的流動通道的冷卻板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種用于冷卻燃料電池的冷卻板，更明確地說，涉及一種具 有改進的流動通道以用來減小冷卻板各部分之間溫差的冷卻板。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電體，只要 供給燃料，燃料電池就可持續(xù)發(fā)電。圖1是燃料電池的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的示
意圖。參考圖1,將含氧空氣供給陰極1而將含氫的燃料供給陽極3時，借 助于水的電解作用和通過電解質(zhì)膜2的逆反應(yīng)發(fā)電。但是，通常由單元電 池IO發(fā)出的電不具備可供使用的高電壓。所以，如圖2所示，通過將多個 單元電池IO串聯(lián)連接而成的電池堆20來發(fā)電。參考圖3,在每一個被疊置 于電池堆20內(nèi)的單元電池10中，雙極板4包括用來向陰極1和陽極3供 舌會氧或氫和從陰才及和陽極回收氧或氫的表面流動通道4a,這些表面流動通 道4a相互連接。因此，如圖2所示，當(dāng)通過電池堆20的端板21從外部提 供氫和氧時，相應(yīng)的原料被供給相應(yīng)的電極并通過每個單元電池10的表面 流動通道4a循環(huán)。當(dāng)然，如上所述，氫以化學(xué)燃料的方式提供，而氣以空 氣的方式提供。
在電化學(xué)反應(yīng)的過程中，在發(fā)電的同時也產(chǎn)生熱量。所以，為使燃料 電池平穩(wěn)工作，應(yīng)通過散熱對燃料電池持續(xù)進行冷卻。為了達到此目的， 在燃料電池中，如圖2所示，設(shè)有熱交換器30且在電池堆20的每第五到 第六個單元電池10上安裝有冷卻板5，以使來自熱交換器30的冷卻水流過。 所以，當(dāng)冷卻水流經(jīng)冷卻板的流動通道5a (參考圖3)時其吸收電池堆20 內(nèi)的熱量，吸收了熱量的冷卻水在熱交換器30內(nèi)被二次冷卻水冷卻并循環(huán) 回到電池堆20。
但是，如果在冷卻過程中測量冷卻板各部分的溫度的話，如圖4所示， 在吸熱影響最大的冷卻板5的中央部分溫度最高，而在冷卻水進入和流出 的進口 5a-l和出口 5a-3具有較低的溫度分布。這樣的溫度分布是必然的，
因為在熱交換器30處^皮冷卻的冷卻水通過進口 5a-l流入后，在流經(jīng)中央部
分5a-2時冷卻水吸收大量的熱，而在流過中央部分5a-2后通過出口 5a-3流 出前從冷卻水中只散出少量的熱。于是，出現(xiàn)了在中央部分和兩端部之間
溫差較大的問題。根據(jù)實際的溫度測量結(jié)果，如圖4所示，在冷卻板5的 中央部分的溫度約達150°C，在進口 5a-l處的溫度約達135°C，在出口處的 溫度約達140。C。也就是說，在單塊冷卻板5上產(chǎn)生10 15"C的溫差。若存 在大的溫差，有可能由于熱應(yīng)力而使冷卻板5變形。最重要的是，大的溫 差對相鄰單元電池10的電化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生不利影響。即，當(dāng)溫差大時，在 單元電池10內(nèi)的電解質(zhì)膜2的各部分中的電阻變化，結(jié)果導(dǎo)致較大的電流 密度偏差，因此發(fā)出的電的電壓不穩(wěn)定。
于是，為了解決這個問題，需要開發(fā)一種可使相應(yīng)的單元電池10的單 塊冷卻板5中的溫差最小的新型冷卻板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對用于冷卻水的流動通道進行了改進、因而 可減小冷卻板各部分之間的溫差的冷卻板。
根據(jù)本發(fā)明的 一方面，提供一種內(nèi)部設(shè)有用于使吸收發(fā)熱體的熱量的 冷卻水流動的流動通道的冷卻板，其中，這些流動通道被形成為使得流動 通道的中央部分的體積大于進口和出口附近的端部部分的體積，因此，流 經(jīng)中央部分的冷卻水量比流過進口和出口附近的端部部分的水量多。
可使出口附近的端部部分的流動通道的體積大于進口附近的端部部分 的流動通道的體積。
可將流動通道裝配成使冷卻水從進口垂直流向出口 ，以冷卻在單元電 池內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量。


通過參考附圖對本發(fā)明的一些示例性實施方式進行詳細描述，本發(fā)明 所述的及其他的特點和優(yōu)點將更加清晰。在附圖中 圖1是傳統(tǒng)燃料電池發(fā)電原理的示意圖； 圖2是具有傳統(tǒng)冷卻板的燃料電池疊置結(jié)構(gòu)的透視圖； 圖3是圖2所示的燃料電池堆的單元電池中原料循環(huán)結(jié)構(gòu)的分解透視
圖4是圖2所示的冷卻板的溫度分布圖5是采用了本發(fā)明一實施方式的冷卻板的燃料電池疊置結(jié)構(gòu)的透視
圖.；
圖6是本發(fā)明一實施方式的圖5所示的冷卻板的放大圖； 圖7至IO的曲線示出了本發(fā)明一實施方式的通過改變各變量的圖5所 示的冷卻板各部分之間的溫度分布的模擬結(jié)果。
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具體實施例方式
圖5是采用了本發(fā)明一實施方式的冷卻板100的燃料電池堆20的結(jié)構(gòu) 透視圖，圖6是圖5所示的冷卻板100的放大圖。
參考圖5和6，冷卻板100被安裝在電池堆20上，以使冷卻水流經(jīng)冷 卻板100的流動通道110并起到吸收來自發(fā)熱體的熱量的作用。也就是說， 當(dāng)經(jīng)過每個冷卻板100的進口 110a流入的冷卻水在流經(jīng)流動通道110時吸 收來自作為發(fā)熱體的燃料電池的單元電池10的熱量并通過出口 110b流出 冷卻板100,從而使其在熱交換器30被冷卻以便再次循環(huán)。
然而，在本發(fā)明一實施方式中的冷卻板100中，流動通道110不象現(xiàn) 有技術(shù)那樣形成為直線，而是在不同的部分形成不同的體積，使得中央部 分112可容納的冷卻水比任何一個端部部分111和113容納的冷卻水多。在 本實施方式中，流動通道110的中央部分112具有不同的寬度，因而具有與 任何一個端部部分111和113不同的體積，由于在中央部分的冷卻水比在任 何一個端部部分111和113處的接觸表面面積都大，因而中央?yún)^(qū)域具有較大 的冷卻能力。也就是說，將中央部分112的寬度形成為大于靠近進口 110a 和出口 110b處的端部部分111和113的寬度，以便在中央部分112容納更 多的冷卻水，借此相應(yīng)地提高了中央部分112的冷卻能力。由于具有較大 的寬度，流經(jīng)中央部分112的冷卻水量大于靠近進口 110a處的端部部分111 和靠近出口 110b處的端部部分113的冷卻水量。所以，與產(chǎn)生較多熱量的 部分、即中央部分112接觸的冷卻水從冷卻板中吸收較多的熱量。
圖7的曲線示出了將每一部分具有不同冷卻容量的冷卻板100應(yīng)用到 燃料電池上時冷卻板100的每一部分的溫度模擬結(jié)果。在圖7中，實線和 虛線分別表示當(dāng)靠近進口 110a的端部部分111、中央部分112、以及靠近出
口 110b的端部部分111的寬度為3mm、 7mm、和4mm及3mm、 5mm、和 4mm時的溫度分布?？梢钥闯?，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這兩種情況的中央部分 112溫度都有所降低。正如預(yù)期的那樣，其結(jié)果增加了中央部分112的冷卻 容量，而且最高和最低溫度之間的溫差比現(xiàn)有技術(shù)幾乎減小了一半。因此， 由于各部分之間的溫差比現(xiàn)有技術(shù)減小了一半，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可大大 減小因熱應(yīng)力引起的變形或因電阻變化引起的電流密度的差異。
圖8的曲線示出了當(dāng)靠近進口 110a的端部部分111、中央部分U2、以 及靠近出口 110b的端部部分111的寬度分別為3mm、 7mm和4mm時通過 改變冷卻水的流量的溫度模擬結(jié)果。實線和虛線分別表示冷卻水的流量是 最大流量的80%和50%時的溫度分布。在這種情況下，盡管根據(jù)流量存在 總溫差，但與現(xiàn)有技術(shù)相比，各部分之間的溫差仍明顯減小。
圖9的曲線示出了根據(jù)作為與產(chǎn)生的熱量有關(guān)的單位的熱流量的溫度 模擬結(jié)果。實線和虛線分別表示出大熱流量和小熱流量的情況。這種情況 同樣揭示出盡管根據(jù)熱流量在溫差方面存在總體變化但各部分的溫差減小 的式態(tài)(pattern)與所述情況相同。
因此，作為模擬結(jié)果的總結(jié)，可以看到，當(dāng)中央部分112的冷卻水的 體積大于任何一個端部部分111和113時，即使在冷卻過程中某些變量發(fā)生 變化，冷卻板100的各部分的溫差可比現(xiàn)有技術(shù)減小一半。
在本實施方式中，將靠近出口 110b的端部部分111中的流動通道110 的體積形成為大于靠近進口 110a的端部部分111。當(dāng)然，也可將靠近進口 U0a的端部部分111的流動通道110的體積形成為大于靠近出口 110b的端 部部分l]丄但是，在這種情況下，如圖10所示出的模擬結(jié)果那樣，靠近 出口 110b的端部部分111的溫度升高。結(jié)果，總溫差提高大約8 9°C。這 可以理解為，靠近進口 llOa的端部部分111是冷卻后的冷卻水流過的區(qū)域， 而靠近出口 110b的端部部分111是冷卻水流經(jīng)中央部分112的通路時吸收 了熱量的冷卻水流過的區(qū)域，因此流經(jīng)靠近出口 110b的端部部分111的冷 卻水具有較高的溫度，而且靠近出口 110b的端部部分111的流動通道110 的體積小于靠近進口 llOa的端部部分111的流動通道的體積。雖然如此， 與現(xiàn)有技術(shù)相比，仍然可減小總溫差。但是，可以發(fā)現(xiàn)，為使冷卻板100 的溫差最小，流動通道110的體積可以按照中央部分112>靠近出口 110b的 端部部分111>靠近進口 llOa的端部部分lll的順序形成。
在本發(fā)明中，通過改變流動通道110的寬度來改變流動通道110的體 積，當(dāng)然本發(fā)明不限于此。也就是說，還可通過改變流動通道110的深度
或長度來改變流動通道110的體積。
本發(fā)明的冷卻板具有以下優(yōu)點。
第一，可通過改變冷卻水流經(jīng)的流動通道的體積而降低冷卻板各部分 的溫差來減小因熱應(yīng)力引起的冷卻板的變形-
第二，由于溫差減小，如燃料電池之類的發(fā)熱體電阻變化亦被減小。 因此，可確保發(fā)熱體、即被冷卻的對象性能穩(wěn)定。
第三，借助于雙極板中溫度分布均勻而減小熱應(yīng)力可提高板或電池堆
的部件的熱耐久性和膜電極組件(MEA)的熱耐久性。
第四，借助于將MEA的溫差減小到現(xiàn)有技術(shù)的一半可獲得穩(wěn)定的電流 密度。
雖然上面參考本發(fā)明的一些示例性實施方式具體示出和說明了本發(fā) 明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)懂得，在不超出本發(fā)明的由權(quán)利要求限定的構(gòu)思 和保護范圍的前提下，可在形式和細節(jié)方面對本發(fā)明作出各種變換。
權(quán)利要求
1.一種形成有用于使吸收來自發(fā)熱體的熱量的冷卻水流動的流動通道的冷卻板，其中，所述流動通道被形成為使得這些流動通道的中央部分的體積大于靠近進口和出口的端部部分的體積，使得在任何一個時刻所述中央部分內(nèi)容納的冷卻水量比任一靠近進口和出口的所述端部部分容納的冷卻水量多。
2. 如權(quán)利要求1所述的冷卻板，其中，靠近所述出口的所述端部部分 的流動通道的體積大于靠近所述進口的所述端部部分的流動通道的體積。
3. 如權(quán)利要求1所述的冷卻板，其中，所述流動通道被設(shè)置成使得冷 卻水乂人所述進口垂直地流向所述出口 。
4. 如權(quán)利要求1所述的冷卻板，其中，所述發(fā)熱體是疊置成燃料電池 堆的單元電池，所述冷卻板用來冷卻在所述單元電池中進行能量轉(zhuǎn)換過程 中所產(chǎn)生的熱量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種冷卻板，對該板中的流動通道進行了改進，從而可減小該板各部分之間的溫差。該冷卻板的流動通道被形成為使得流動通道的中央部分的體積大于靠近進口和出口的端部部分的體積，因而在任何一個時刻容納在中央部分的冷卻水量多于容納于靠近進口和出口的端部部分的冷卻水量。由于減小了冷卻板各部分之間的溫差，可減小因熱應(yīng)力引起的熱變形，而且還可減小因如被冷卻的對象的電阻變化之類的不利影響，進而可確保燃料電池的性能穩(wěn)定。
文檔編號H01M8/02GK101106199SQ20071000770
公開日2008年1月16日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者宋泰元, 杰 彭, 慎宰英, 李承宰 申請人:三星Sdi株式會社