一种具有流动分配功能的燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种具有流动分配功能的燃料电池电堆。

背景技术

面对当今国内乃至全球日益严格的尾气排放标准及未来的能源危机，各大汽车厂商都在研发低排放的新能源技术，以适应这一发展趋势。其中，燃料电池汽车是目前各大车企大力研发的领域之一。燃料电池的主体部分是由多个结构相同的单电池堆叠组成。各电池间相互串联以满足工况所需额定电压。作为承载氢氧反应的场所，各单电池进气的量尤为关键。单电池间均匀、良好的气流分配能有效提升电池一致性，改善整堆性能。燃料电池电堆包括金属双极板电堆和石墨电堆，两者的进气通道均采用简单的直流道设计。在恒定流量通气的情况下，气流在通道内不受结构控制，容易出现气流在单电池间分配不均匀的现象。而且，在汽车行驶过程中燃料电池面对的工况更加复杂，例如频繁的启停，快速的负载变化也会影响反应气压、气流量等频繁波动，有可能导致电池电堆的机械性损伤。因此气流的均匀分布有助于延缓燃料电池性能衰减，延长燃料电池的使用寿命。

现有的燃料电池电堆进气口采用直流道设计，只有一端开孔，另一端为盲端，当气流流动至盲端时会产生涡结构，此时气流的流动方式由层流转变为湍流，会消耗气流的动量；而且直流道的进气口在进气过程中会出现靠近进口处气压低，流速高；远离进口处的气压高，流速低的现象，从而造成进入不同的单电池内的气流速度和压力存在较大差异，不同的单电池内的气流流量不均匀，造成燃料电池电堆系统整体压降降低。

发明内容

基于此，本发明提供一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，旨在解决现有的燃料电池电堆进气口采用直流道设计时，气流在直流道的盲端产生涡结构，导致流道内的气流的流动方式由层流转变为湍流的问题；而且直流道的进气口在进气过程中会出现靠近进口处气压低，流速高；远离进口处的气压高，流速低的现象，从而造成进入不同的单电池内的气流速度和压力存在较大差异，不同的单电池内的气流流量不均匀，导致燃料电池电堆系统整体压降降低。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，包括进气管、出气管、以及设置在所述进气管和所述出气管之间的电池电堆本体；所述进气管与所述出气管平行设置；所述进气管的开口端端面延伸出所述电池电堆本体的一端，所述进气管的盲端端面延伸出所述电池电堆本体的另一端；所述电池电堆本体包括多个并列设置的单电池；所述单电池的进口与所述进气管之间设置有第一连接桥；所述单电池的出口与所述出气管之间设置有第二连接桥。

在本申请中，将进气管的盲端延伸出所述电池电堆本体设置，当气流从进气管的开口端进入，一部分流入单电池内，而未流进单电池的气流会流动至进气管的盲端延伸出电池电堆本体的部分，并通过进气管内相应的流道设计来改变气流的流动，从而避免了进气管与单电池连通的部分产生气流的涡结构，保证了气流在进气管内的层流流动，使得气流能够均匀地分配到燃料电池电堆内，从而保证燃料电池电堆整体压降的均一性。

进一步地，所述进气管内设置有第一流道、第二流道和第一通孔；所述第一流道与所述第二流道平行设置；所述第一流道靠近所述进气管的盲端的一端通过所述第一通孔与所述第二流道连通。

进一步地，所述第一流道的横截面积小于所述第二流道的横截面积。

进一步地，所述第二流道靠近所述电池电堆本体的一侧设置有多个与所述第一连接桥相适配的第一进气接口。

进一步地，所述出气管内设置有直流道；所述直流道上设置有多个与所述第二连接桥相适配的出气接口。

进一步地，所述进气管内还设置有第三流道、回流道、第二通孔和第三通孔；所述第三流道与所述回流道平行设置；所述回流道靠近所述进气管的开口端的一端通过所述第二通孔与所述第三流道连通；所述回流道靠近所述进气管的盲端的一端通过所述第三通孔与所述第三流道连通。

进一步地，所述第二通孔与所述第三通孔之间的距离大于所述电池电堆本体的宽度。

进一步地，所述回流道的横截面积小于所述第三流道的横截面积。

进一步地，所述回流道远离所述第三通孔的一端设置有阻流槽。

进一步地，所述第三流道靠近所述电池电堆本体的一侧设置有多个与所述第二连接桥相适配的第二进气接口

本发明提出的一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，通过在进气管内平行设置第一流道和第二流道，并在进气管的盲端开设第一通孔将第一流道和第二流道连通，从而避免气流在进气管盲端产生涡结构；同时也可以通过调控第一流道和第二流道的气流量比调整气流在燃料电池电堆内的分布，达到有效分配气流的目的。通过在进气管内设置回流道，可以有效地将进气管盲端的气流导出，并补充至进气管的开口端，有效地避免了气流在进气管的盲端产生涡结构，使得进气管内的气流可以形成了回路，最后在燃料电池电堆的单电池间得到重新分配。

附图说明

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述具有流动分配功能的燃料电池电堆的主视图；

图2为图1中的局部A的放大视图；

图3为图1中的局部B的放大视图；

图4为图1中进气管沿长度方向的剖视图；

图5为图1中出气管沿长度方向的剖视图；

图6为图1中进气管沿长度方向的另一实施例剖视图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

现有的燃料电池电堆进气口采用直流道设计，只有一端开孔，另一端为盲端，当气流流动至盲端时会产生涡结构，此时气流的流动方式由层流转变为湍流，会消耗气流的动量；而且直流道的进气口在进气过程中会出现靠近进口处气压低，流速高；远离进口处的气压高，流速低的现象，从而造成进入不同的单电池内的气流速度和压力存在较大差异，不同的单电池内的气流流量不均匀，造成燃料电池电堆系统整体压降降低。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有流动分配功能的燃料电池电堆。

实施例1：

如图1至图3所示，本发明实施例提出的一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，包括进气管1、出气管2、以及设置在所述进气管1和所述出气管2之间的电池电堆本体3；所述进气管1与所述出气管2平行设置；所述进气管1的开口端11端面延伸出所述电池电堆本体2的一端，所述进气管1的盲端12端面延伸出所述电池电堆本体3的另一端；所述电池电堆本体3包括多个并列设置的单电池31；所述单电池31的进口与所述进气管1之间设置有第一连接桥4所述单电池31的出口与所述出气管2之间设置有第二连接桥5。

在本实施例中，所述第一连接桥4和所述用于连通所述进气管1和所述单电池31的进口端；所述第二连接桥5和所述用于连通所述出气管2和所述单电池31的出口端。本申请实施例将进气管1的盲端延伸出所述电池电堆本体3设置，当气流从进气管1的开口端11进入，一部分气流通过第一连接桥4流入单电池31内，而未流进单电池31的气流会流动至进气管1的盲端12延伸出电池电堆本体3的部分，并通过进气管内相应的流道设计来改变气流的流动，从而避免了进气管1与单电池31连通的部分产生气流的涡结构，保证了气流在进气管1内的层流流动，使得气流能够均匀地分配到燃料电池电堆3内，从而保证燃料电池电堆3整体压降的均一性。

参照图4，在本实施例中，所述进气管1内设置有第一流道13、第二流道14和第一通孔15；所述第一流道13与所述第二流道14平行设置；所述第一流道13靠近所述进气管1的盲端12的一端通过所述第一通孔15与所述第二流道14连通。在本申请中，所述第一流道13和所述第二流道14的入口均设置在所述进气管1的开口端11，两者之间只在进气管1的盲端12连通；当燃料电池电堆开始工作时，往所述第一流道13内和所述第二流道14内通入气流，此时，第一流道13内的气流仅沿第一流道13的长度方向流动，到达所述第一通孔15处；第二流道14内的气流一部分流动到单电池31内，未流动到单电池31内的气流沿第二流道14的长度方向流动至第一通孔15处，并与第一流道13内的气流相汇；由于第一流道13内的气流在流动过程中未消耗流量，而第二流道14内的气流部分进入了单电池31内，气流流量降低，从而使得第一流道13内的气流能够通过第一通孔15进入到第二流道14内，有效地避免了第二流道14内的气流在进气管1的盲端12处产生涡结构，使得第二流道14内的气流能够均匀地分配到单电池31内。

在本实施例中，所述第一流道13的横截面积小于所述第二流道14的横截面积。这样既能够保证所述第二流道14内的气流能够有足够的流量分配到单电池31内，又可以通过在所述第一流道13内通入较小的气流流量来消除进气管1的盲端12产生气流涡结构。在本申请中，可以通过调控第一流道13和第二流道14的气流量比调整气流在单电池31内的分布，从而达到有效分配气流的目的。

在本实施例中，所述第二流道14靠近所述电池电堆本体3的一侧设置有多个与所述第一连接桥4相适配的第一进气接口141。

在本实施例中，多个所述第一进气接口141沿所述第二流道14的长度方向设置，所述第一进气接口141与所述第一连接桥4的入口连通，所述第一连接桥4的出口与单电池31的进口连通；所述第二流道14内的气流可以通过所述第一连接桥4的流入到单电池31内。

参照图5，在本实施例中，所述出气管2内设置有直流道21；所述直流道21靠近所述电池电堆本体3的一侧设置有多个与所述第二连接桥5相适配的出气接口211。

在本实施例中，多个所述出气接口211沿所述直流道21的长度方向设置，所述出气接口211与所述第二连接桥5的出口连通，所述第二连接桥5的进口与单电池31的出口连通；所述单电池31内的气流可以通过所述第二连接桥5流入到直流道21内。

实施例2：

如图1至图3所示，本发明实施例提出的一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，包括进气管1、出气管2、以及设置在所述进气管1和所述出气管2之间的电池电堆本体3；所述进气管1与所述出气管2平行设置；所述进气管1的开口端11端面延伸出所述电池电堆本体2的一端，所述进气管1的盲端12端面延伸出所述电池电堆本体3的另一端；所述电池电堆本体3包括多个并列设置的单电池31；所述单电池31的进口与所述进气管1之间设置有第一连接桥4；所述单电池31的出口与所述出气管2之间设置有第二连接桥5。

在本实施例中，所述第一连接桥4和所述用于连通所述进气管1和所述单电池31的进口端；所述第二连接桥5和所述用于连通所述出气管2和所述单电池31的出口端。本申请实施例将进气管1的盲端延伸出所述电池电堆本体3设置，当气流从进气1管的开口端11进入，一部分气流通过第一连接桥4流入单电池31内，而未流进单电池31的气流会流动至进气管1的盲端12延伸出电池电堆本体3的部分，从而避免了进气管1与单电池31连通的部分产生气流的涡结构，保证了气流在进气管1内的层流流动，使得气流能够均匀地分配到燃料电池电堆3内，从而保证燃料电池电堆3整体压降的均一性。

参照图6，在本实施例中，所述进气管1内还设置有第三流道16、回流道17、第二通孔18和第三通孔19；所述第三流道16与所述回流道17平行设置；所述回流道17靠近所述进气管1的开口端11的一端通过所述第二通孔18与所述第三流道16连通；所述回流道17靠近所述进气管1的盲端12的一端通过所述第三通孔19与所述第三流道16连通。

在本实施例中，所述回流道17可以通过第三通孔19将从第三流道17内进入到达进气管1盲端12的的气流导出，并通过第二通孔18补充至第三流道16的进口处。这样使得进气管1内的气流形成了回路，使得气流通过第三流道16重新分配到单电池内。

在本实施例中，所述第二通孔18与所述第三通孔19之间的距离大于所述电池电堆本体3的宽度。这样能够将进气管1的盲端12聚集的气流导回到靠近进气管1的进口端11，使得气流能够重新在各个单电池之间进行分配。

在本实施例中，所述回流道17的横截面积小于所述第三流道16的横截面积。这样使得回流道17内的气流量始终小于所述第三流道16内的气流量，从而保证气流从回流道17内重新流入第三流道16时，不会破坏第三流道16的气流层流方式，保证气流能够均匀分配到单电池31内。

再次参照图6，在本实施例中，所述回流道17远离所述第三通孔19的一端设置有阻流槽171；所述阻流槽171可以阻挡所述回流道17内的气流外泄，并保证能够将回流的气流顺利地通过所述第二通孔18回流到所述第三流道16内。

在本实施例中，所述第三流道16靠近所述电池电堆本体3的一侧设置有多个与所述第一连接桥4相适配的第二进气接口161。

在实施例中，多个所述第二进气接口161沿所述第三流道16的长度方向设置，所述第二进气接口161与所述第一连接桥4的入口连通，所述第一连接桥4的出口与单电池31的进口连通；所述第三流道16内的气流可以通过所述第一连接桥4的流入到单电池31内，最后通过第二连接桥5流动至出气管2内。

本发明实施例提出的一种具有流动分配功能的燃料电池电堆，通过在进气管1内平行设置第一流道13和第二流道14，并在进气管1的盲端12开设第一通孔15将第一流道13和第二流道14连通，从而避免气流在进气管1的盲端12产生涡结构；同时也可以通过调控第一流道13和第二流道14的气流量比调整气流在燃料电池电堆内的分布，达到有效分配气流的目的。通过在进气管1内设置回流道17，可以有效地将进气管1盲端12的气流导出，并补充至进气管1的开口端11处，有效地避免了气流在进气管1的盲端12产生涡结构，使得进气管1内的气流可以形成了回路，最后在燃料电池电堆的单电池32间得到重新分配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。