一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体为一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆。

背景技术

电池指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小的电流，并且电池结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用。燃料电池，液流电池，金属空气电池等流体电池是一种新型高效的电化学储能及发电装置。电池内部正负极之间由离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室。电池工作时，正极或负极的流体反应物由各自的输送装置被强制通过各自反应室循环流动，参与电化学反应。由于单个流体电池的电压和功率较为有限，人们通常由几十甚至几百片单电池串联(或混联)而成，以满足输出电压及功率需求。由多个流体电池单体以串联方式层叠组合构成的装置称为流体电池电堆。燃料电池电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电，以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一块电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)，流体反应物(例如燃料电池的氢气、空气)流入流体电池电堆进料歧管之后，随后被分配至各单电池中发生电化学反应。歧管内的进料先被送入离入口较近的电池单元后，多余的流量被进一步分配给下一个电池单元。但是流体运动过程中有压降损失的影响，以及歧管内可能产生的涡流等因素的影响，实际分配至各单电池的反应物的量是不均匀的。这导致了单电池之间的性能差异(如输出电压、温度)。另外，由于电堆中的电池单元主要以相互串联的方式连接，因此单池层间获得最小流量的电池单元限制了整堆的电流。这些因素使得电堆层间分布的不均匀性严重影响电堆的整体输出性能。此外，单电池之间温度分布的不均匀性会导致热应力的产生，严重影响电堆的耐久性与可靠性。因此提出了一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆，包括流体电池结构，所述流体电池结构内部设置有入口流体电池歧管流道，所述流体电池结构内部远离入口流体电池歧管流道的一侧设置有出口流体电池歧管流道，所述入口流体电池歧管流道内部安装有芯体装置，所述芯体装置可由固定结构与变截面芯体构成，所述入口流体电池歧管流道内部安装有变截面芯体，所述变截面芯体通过固定结构固定在流体电池结构上。

可选的，所述芯体装置可只安装在出口流体电池歧管流道内部。

可选的，所述芯体装置可安装在入口流体电池歧管流道与出口流体电池歧管流道内部。

可选的，所述变截面芯体可为刚性结构体，所述变截面芯体沿自身长度方向在不同位置粗细不同。

可选的，所述变截面芯体也可为可变形构体。

可选的，所述入口流体电池歧管流道与出口流体电池歧管流道内部均安装有若干个气压传感器。

本发明提供了一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆，具备以下有益效果：

该具有智慧歧管结构的流体电池电堆，通过采用三种方案的变截面芯体，使得入口流体电池歧管流道或者出口流体电池歧管流道内部均可以变截面，使得每个单电池都获得了独特的进出口工况调节，提高电堆性能，使得变截面芯体可以很容易地附加到现有的电堆上，可以用于改造现有的电堆性能，不必大量修改原本设计，使得本流体电池电堆具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明单侧歧管放置刚性芯体图；

图2为本发明双侧放置刚性芯体图；

图3为本发明支架结构芯体图；

图4为本发明球囊结构芯体图。

图中：1、流体电池结构；2、入口流体电池歧管流道；3、出口流体电池歧管流道；4、芯体装置；41、变截面芯体；42、固定结构；43、球囊；44、支撑结构件；45、外部变形材料层；46、中轴；47、伸缩支架。

具体实施方式

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。

实施例一

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种具有智慧歧管结构的流体电池电堆，包括流体电池结构1，流体电池结构1内部设置有入口流体电池歧管流道2，流体电池结构1内部远离入口流体电池歧管流道2的一侧设置有出口流体电池歧管流道3，入口流体电池歧管流道2内部安装有芯体装置4，芯体装置4可由固定结构42与变截面芯体41构成，入口流体电池歧管流道2内部安装有变截面芯体41，变截面芯体41通过固定结构42固定在流体电池结构1上，变截面芯体41为刚性结构体，变截面芯体41沿自身长度方向在不同位置粗细不同，变截面芯体41可为有流线外形的实心的柱形结构，变截面芯体41也可为内外面都具有流线型结构的中空的管状结构，变截面芯体41可为陶瓷材料制成，也可为金属材料、树脂材料、塑料等材料制成。

综上所述，该具有智慧歧管结构的流体电池电堆，使用时，变截面芯体41放入入口流体电池歧管流道2或者出口流体电池歧管流道3内，其中入口流体电池歧管流道2与出口流体电池歧管流道3均具有流通截面积A1，通常A1在轴向上截面积不变，变截面芯体41具有外截面积A2，A2可以随歧管轴向的位置不断变化，放置变截面芯体41前歧管内气压分布确定方法：通过实验测试，在流道内布置一系列气压传感器，运行电堆，输出歧管内气压分布，或者流体仿真，确定歧管在没有放置变截面芯体41时的歧管轴向的真实气压分布P1，及流速度分布V1，以及放置变截面芯体41后的目标气压分布P2，A2确定方法：

根据上式可以确定A2，即确定了每个位置添加变截面芯体41后流道内剩余流动截面积。可以在保证截面积轴向分布A2的情况下设计整个变截面芯体41的形状；变截面芯体41半径在歧管轴向的分布根据下式得到：

实施例二：请参阅图4，本发明还提供一种技术方案：变截面芯体41可为通过球囊43可进行大幅度变形结构体，变截面芯体41可包括支撑结构件44、球囊43、外部变形材料层45与固定结构42，支撑结构件44安装在入口流体电池歧管流道3内部，若干个球囊43均安装在支撑结构件44上，支撑结构件44将多个球囊43连接，支撑结构件44通过固定结构42与流体电池结构1固定连接，并外设有充气吸气装置、气压传感、信号传输线、控制器等部件，每个球囊43均通过设置的气体通道与充气装置连接，球囊43的外侧包裹有外部变形材料层45，外部变形材料层45可为硅橡胶管、氟橡胶管、复合材料等制成，外部变形材料层45包裹住支撑结构件44、球囊43等内部结构，使得变截面芯体41整体的截面变化较为连续，使串在一起的球囊43维持为流线型结构，降低截面突变对流动造成负面影响，歧管流道内均安装有若干个气压传感器，沿着歧管轴向分布，气压传感器能测量歧管不同轴向位置的实时气压，将气压信号传递给控制器，判定此处气压过低或过高，从而，控制器计算球囊43需要阻挡的流道面积A2，进而计算出所需的充其量，若某处气压过低，需要更大的流通面积以提高气压，则控制器输出第一控制信号，控制充气吸气装置吸出此处球囊43内的部分气体体积，使得球囊43变小，此处歧管流通截面积增大，流速放缓，气压升高，若某处气压过高，需要更小的流通面积以降低气压，则控制器输出第二控制信号，控制充气吸气装置充入此处的球囊43的一定体积的气体，使得球囊43变大，此处歧管流通截面积减小，流速升高，气压降低。

实施例三：请参阅图3，本发明还提供一种技术方案：变截面芯体41可为通过伸缩支架47可进行大幅度变形结构体，变截面芯体41包括固定结构42、外部变形材料层45、伸缩支架47与中轴46，中轴46通过固定结构42与流体电池结构1固定连接，中轴46上安装有若干个伸缩支架47，外部变形材料层45包裹住伸缩支架47，伸缩支架47可以沿着入口流体电池歧管流道3进行径向伸缩，且配置有气压传感、信号传输线、控制器等部件，歧管流道内均安装有若干个气压传感器，沿着歧管轴向分布，气压传感器能测量歧管不同轴向位置的实时气压，若某处气压过低，需要更大的流通面积以提高气压，则控制器输出第一控制信号，控制伸缩支架47沿着歧管径向内收，使得外部变形材料被收小，此处歧管流通截面积增大，流速放缓，气压升高，若某处气压过高，需要更小的流通面积以降低气压，则控制器输出第二控制信号，控制伸缩支架47沿歧管径向外扩，使得外部变形材料被撑大，此处歧管流通截面积减小，流速升高，气压降低。

实施例四：

实施例一、实施例二以及实施例三中三种结构的变截面芯体41可被放置在入口流体电池歧管流道2中，也可放置在出口流体电池歧管流道3，或者入口流体电池歧管流道2与出口流体电池歧管流道3内部均放置，可以被放置1在阳极歧管、阴极歧管、冷却流道歧管或者其中之二或者都放置，三种变截面芯体41可以不放于歧管中轴线上，可以放于一边，均能够起到变截面的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。