用于并列布置的双堆燃料电池的歧管以及双堆燃料电池

技术领域

本发明涉及一种用于并列布置的双堆燃料电池的歧管以及双堆燃料电池。

背景技术

自1839年英国化学家William Grove发明燃料电池以来，燃料电池一直处于研究阶段。直到20世纪60年代美国将燃料电池用于航天飞机上，推动了燃料电池的进一步发展；70年代发生了石油危机，各国认识到能源的重要性，纷纷制订了各种能源政策以降低对石油的依赖；到80年代人们的环保意识高涨，促使了发达国家寻求高效清洁能源，发展新能源产业。

目前燃料电池(质子交换膜燃料电池)在车辆领域得到广泛应用，给汽车产业发展带来革命性的突破，同时也推动了自身的发展。燃料电池可以用作汽车的动力电池，也可以用作辅助电源，人们考虑更多的是燃料电池汽车不同于传统汽车，其动力源来自燃料电池而不是内燃机，这样减少了污染物的排放，以氢作为燃料，从而完全实现了零排放。

虽然燃料电池呈现处许多吸引人的优势，但是也存在严重的不足，燃料电池技术应用中的瓶颈是成本高。由于受到成本的限制，目前燃料电池技术只在几个特殊的领域具有经济竞争优势。功率密度(表示燃料电池单位体积或单位质量的功率)是另外一个重要的限制。

因此，燃料电池的小型化和大型化是燃料电池发展的趋势，特别是在汽车领域中大型燃料电池堆的开发。然而大型燃料电池堆的开发中，面临的主要困难是：(1)电堆过长时电堆在使用过程中出现塌腰的风险；(2)电堆越长，燃料、氧化剂在电堆内部分配均匀困难；(3)电堆过长时电堆的水和热管理困难。为了克服所面临的困难，目前采用电堆组合(串并联)的形式，从而克服大型单堆开发的困难。

国内双堆(串)并联结构还处于研发阶段，通常是在(串)并联结构分析基础上，设计了燃料电池发动机(串)并联控制系统，通过一定的控制策略对燃料电池发动机的风量、温度以及湿度进行调节，以实现燃料电池的最大输出。这些都是从燃料电池控制方式的研究。然而在大型燃料电池堆的具体开发过程中，燃料、氧化剂等流体的分配和管路压损也是影响电堆性能的不可忽视的重要因素。换言之，燃料、氧化剂等流体在进入电堆之前必须合理分配，如此才能保证多个(串)并联单堆均衡工作。

流体的分配管路结构通常需要根据燃料电池堆的布置来确定，燃料电池堆结构布置不同，流体分配管路结构也就不同。目前流体分配管路(歧管)通常设置在两个串联的燃料电池堆中间。这样的电堆组的整体长度大，燃料、氧化剂以及冷却液等管道布置困难。另外，歧管设置在整个电堆组的中间，密封性和装配要求较高，并且不易密封，冷却液中的气体不易排出。

发明内容

因此，本发明的目的是针对现有技术中存在缺陷提供了一种用于并列布置的双堆燃料电池的歧管以及双堆燃料电池，本发明的歧管可以将燃料、氧化剂和冷却液均匀地分配到各单电堆中，结构布置紧凑，压力降小。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了一种用于并列布置的双堆燃料电池的歧管，其中，所述歧管包括第一歧管元件、第二歧管元件和第三歧管元件，其中，

所述第一歧管元件用于设置在并列布置的两个电堆的端部中间，所述第一歧管元件包括第一歧管主体，所述第一歧管主体设置有三个第一种三通流道和三个第二种三通流道，每个第一种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第一种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在面向两个电堆的背面并且分别与两个电堆的内侧接口连通；每个第二种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第二种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在所述第一歧管主体的侧面；

所述第二歧管元件和所述第三歧管元件分别设置在所述第一歧管元件的左右两侧，所述第二歧管元件包括第二歧管主体，所述第三歧管元件包括第三歧管主体，所述第二歧管主体和所述第三歧管主体均设有三个转向流道，每个转向流道具有面向两个电堆的第一接口和面向所述第一歧管主体的第二接口；所述第二歧管元件的每个转向流道的第一接口被设置为与第一个电堆的外侧接口连通，所述第三歧管元件的每个转向流道的第一接口被设置为与第二个电堆的外侧接口连通；

每个第二种三通流道的第一分流道接口经由管路分别与所述第二歧管元件的转向流道的第二接口两两连通，每个第二种三通流道的第二分流道接口经由管路分别与所述第三歧管元件的各转向流道的第二接口两两连通。

进一步地，所述三个第一种三通流道分别为氧化剂入口三通流道、冷却液入口三通流道和燃料出口三通流道；氧化剂入口三通流道的第一分流道接口被设置成与第一个电堆的氧化剂入口连通，氧化剂入口三通流道的第二分流道接口被设置成与第二个电堆的氧化剂入口连通；冷却液入口三通流道的第一分流道接口被设置成与第一个电堆的冷却液入口连通，冷却液入口三通流道的第二分流道接口被设置成与第二个电堆的冷却液入口连通；燃料出口三通流道的第一分流道接口被设置成与第一个电堆的燃料出口连通，燃料出口三通流道的第二分流道接口被设置成与第二个电堆的燃料出口连通。

进一步地，所述三个第二种三通流道分别为燃料入口三通流道、冷却液出口三通流道和氧化剂出口三通流道；燃料入口三通流道的第一分流道接口和燃料入口三通流道的第二分流道接口分别经由燃料入口管路与第二歧管元件的第一转向流道和第三歧管元件的第一转向流道连通；冷却液出口三通流道的第一分流道接口和冷却液出口三通流道的第二分流道接口分别经由冷却液出口管路与第二歧管元件的第二转向流道和第三歧管元件的第二转向流道连通，氧化剂出口三通流道的第一分流道接口和氧化剂出口三通流道的第二分流道接口分别经由氧化剂出口管路与第二歧管元件的第三转向流道和第三歧管元件的第三转向流道连通。

进一步地，所述燃料入口三通流道、所述氧化剂入口三通流道、所述冷却液入口三通流道、所述燃料出口三通流道和所述氧化剂出口三通流道自上而下依次布置在所述第一歧管主体；所述第一歧管主体还包括朝向所述第三歧管元件延伸的凸部，所述冷却液出口三通流道设置在所述凸部上。

进一步地，燃料入口三通流道的主流道接口、氧化剂入口三通流道的主流道接口、冷却液入口三通流道的主流道接口、冷却液出口三通流道的主流道接口和氧化剂出口三通流道的主流道接口设置于所述第一歧管主体背离两个电堆的正面上。

进一步地，燃料出口三通流道的主流道接口设置在所述第一歧管主体面向所述第二歧管元件或所述第三歧管元件的侧面上。

进一步地，燃料出口三通流道的主流道接口下方设有燃料储水池。

进一步地，所述第一歧管主体在所述燃料入口三通流道的后方留有供连接所述冷却液出口三通流道的第一分流道接口和第二歧管元件的第一转向流道的管路穿过的通道。

另一方面，本发明还提供了一种双堆燃料电池，其中，所述双堆燃料电池包括并列布置的两个电堆以及所述的歧管。

本发明具有以下优点：

(1)本发明的歧管能够借助将大型燃料电池的氧化剂、燃料和冷却液均匀的分配到每个电堆中，保证两个电堆工况条件相同，进而保证整个电堆能够稳定工作。

(2)本发明的歧管高度集成，结构紧凑，便于安装，降低了安装要求和生产成本，大大提高了燃料电池的功率密度。

(3)本发明的歧管的管路路线简单，可以有效地降低流体的阻力损失。

(4)由于大型燃料双堆歧管的开发是目前发展大型燃料电池的一个重要方向，本发明的歧管有利于燃料电池的普及应用，特别是汽车行业，传统汽车对环境的比较大，进而有利于降低现有汽车因尾气排放(如二氧化碳和有毒有害物质)对人类健康影响的维护，具有广阔的应用发展前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的歧管的一种实施方案的结构示意图；

图2是第二歧管元件的示意图；

图3是第三歧管元件的示意图；

图4是第一歧管元件的装配图；

图5是第一歧管元件的燃料入口三通流道的结构示意图；

图6是第一歧管元件的氧化剂入口三通流道的结构示意图；

图7是第一歧管元件的冷却液入口三通流道的结构示意图；

图8是第一歧管元件的氧化剂出口三通流道的结构示意图；

图9是第一歧管元件的燃料出口三通流道的结构示意图；

图10是第一歧管元件的冷却液出口三通流道的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-氧化剂出口三通流道的主流道接口；

101-氧化剂出口三通流道的第一分流道接口；

102-氧化剂出口三通流道的第二分流道接口；

2-氧化剂出口管路；

3-冷却液出口三通流道的主流道接口；

301-冷却液出口三通流道的第一分流道接口；

302-冷却液出口三通流道的第二分流道接口；

4-冷却液入口三通流道的主流道接口；

401-冷却液入口三通流道的第一分流道接口；

402-冷却液入口三通流道的第二分流道接口；

5-冷却液出口管路；

6-氧化剂入口三通流道的主流道接口；

601-氧化剂入口三通流道的第一分流道接口；

602-氧化剂入口三通流道的第二分流道接口；

7-燃料入口三通流道的主流道接口；

701-燃料入口三通流道的第一分流道接口；

702-燃料入口三通流道的第二分流道接口；

8-第一歧管元件；

9-第二歧管元件；

901-第二歧管元件的第一转向流道；

902-第二歧管元件的第二转向流道；

903-第二歧管元件的第二转向流道；

10-燃料入口管路；

11-第三歧管元件；

111-第三歧管元件的第一转向流道；

112-第三歧管元件的第二转向流道；

113-第三歧管元件的第三转向流道；

12-第一个电堆；

121-第一个电堆的氧化剂入口；

122-第一个电堆的冷却液入口；

123-第一个电堆的燃料出口；

124-第一个电堆的燃料入口；

125-第一个电堆的冷却液出口；

126-第一个电堆的氧化剂出口；

13-第二个电堆；

131-第二个电堆的燃料入口；

132-第二个电堆的冷却液出口；

133-第二个电堆的氧化剂出口；

134-第二个电堆的氧化剂入口；

135-第二个电堆的冷却液入口；

136-第二个电堆的燃料出口；

141-燃料出口三通流道的主流道接口；

142-燃料储水池；

143-燃料出口三通流道的第一分流道接口；

144-燃料出口三通流道的第二分流道接口。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种用于并列布置的双堆燃料电池的歧管，其中，所述歧管包括第一歧管元件、第二歧管元件和第三歧管元件，其中，

所述第一歧管元件用于设置在并列布置的两个电堆的端部中间，所述第一歧管元件包括第一歧管主体，所述第一歧管主体设置有三个第一种三通流道和三个第二种三通流道，每个第一种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第一种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在面向两个电堆的背面并且分别与两个电堆的内侧接口连通；每个第二种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第二种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在所述第一歧管主体的侧面；

所述第二歧管元件和所述第三歧管元件分别设置在所述第一歧管元件的左右两侧，所述第二歧管元件包括第二歧管主体，所述第三歧管元件包括第三歧管主体，所述第二歧管主体和所述第三歧管主体均设有三个转向流道，每个转向流道具有面向两个电堆的第一接口和面向所述第一歧管主体的第二接口；所述第二歧管元件的每个转向流道的第一接口被设置为与第一个电堆的外侧接口连通，所述第三歧管元件的每个转向流道的第一接口被设置为与第二个电堆的外侧接口连通；

每个第二种三通流道的第一分流道接口经由管路分别与所述第二歧管元件的转向流道的第二接口两两连通，每个第二种三通流道的第二分流道接口经由管路分别与所述第三歧管元件的各转向流道的第二接口两两连通。

参照图1和4，本发明的歧管包括第一歧管元件8、第二歧管元件9和第三歧管元件11。

第一歧管元件8用于设置在并列布置的两个电堆的端部中间，第一歧管元件8包括第一歧管主体，第一歧管主体设置有三个第一种三通流道和三个第二种三通流道，每个第一种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第一种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在面向两个电堆的背面并且分别与两个电堆的内侧接口连通；每个第二种三通流道具有主流道接口、第一分流道接口和第二分流道接口，每个第二种三通流道的第一分流道接口和第二分流道接口设置在所述第一歧管主体的侧面。

第二歧管元件9和第三歧管元件11分别设置在第一歧管元件8的左右两侧，第二歧管元件9包括第二歧管主体，第三歧管元件11包括第三歧管主体，第二歧管主体和第三歧管主体均设有三个转向流道，每个转向流道具有面向两个电堆的第一接口和面向第一歧管主体的第二接口；第二歧管元件9的每个转向流道的第一接口被设置为与第一个电堆12的外侧接口连通，所述第三歧管元件11的每个转向流道的第一接口被设置为与第二个电堆13的外侧接口连通。

每个第二种三通流道的第一分流道接口经由管路分别与第二歧管元件9的转向流道的第二接口两两连通，每个第二种三通流道的第二分流道接口经由管路分别与第三歧管元件11的各转向流道的第二接口两两连通。

在本发明的一个实施例中，三个第一种三通流道分别为氧化剂入口三通流道、冷却液入口三通流道和燃料出口三通流道。参照图2-4、6-7和9，氧化剂入口三通流道的第一分流道接口601被设置成与第一个电堆的氧化剂入口121连通，氧化剂入口三通流道的第二分流道接口602被设置成与第二个电堆的氧化剂入口134连通。冷却液入口三通流道的第一分流道接口401被设置成与第一个电堆的冷却液入口122连通，冷却液入口三通流道的第二分流道接口402被设置成与第二个电堆的冷却液入口135连通。燃料出口三通流道的第一分流道接口143被设置成与第一个电堆的燃料出口123连通，燃料出口三通流道的第二分流道接口144被设置成与第二个电堆的燃料出口136连通。

在本发明的一个实施例中，三个第二种三通流道分别为燃料入口三通流道、冷却液出口三通流道和氧化剂出口三通流道。参照图1-5、8和10，燃料入口三通流道的第一分流道接口701和燃料入口三通流道的第二分流道接口702分别经由燃料入口管路10与第二歧管元件的第一转向流道901和第三歧管元件的第一转向流道111连通。冷却液出口三通流道的第一分流道接口301和冷却液出口三通流道的第二分流道接口302分别经由冷却液出口管路5与第二歧管元件的第二转向流道902和第三歧管元件的第二转向流道112连通。氧化剂出口三通流道的第一分流道接口101和氧化剂出口三通流道的第二分流道接口102分别经由氧化剂出口管路2与第二歧管元件的第三转向流道903和第三歧管元件的第三转向流道113连通。

在本发明的一个实施例中，第一种三通流道和第二种三通流道可以采用本领域中任何已知的结构，例如，T型或Y型。如图5-8所示，燃料入口三通流道为T型，氧化剂入口三通流道、氧化剂出口三通流道和冷却液入口三通流道为Y型。

当然，第一种三通流道和第二种三通流道也可以采用其他形式。如图9-10所示，燃料出口三通流道和冷却液出口三通流道为T型或Y型三通流道的变形。

在本发明的一个实施例中，燃料入口三通流道、氧化剂入口三通流道、冷却液入口三通流道、燃料出口三通流道和氧化剂出口三通流道自上而下依次布置在第一歧管主体。

在本发明的一个实施例中，参照图1和4，第一歧管主体还包括朝向第三歧管元件11延伸的凸部，冷却液出口三通流道设置在凸部上。由此，可以减少第一歧管主体的体积。

在本发明的一个实施例中，参照图1和4，燃料入口三通流道的主流道接口7、氧化剂入口三通流道的主流道接口6、冷却液入口三通流道的主流道接口4、冷却液出口三通流道的主流道接口3和氧化剂出口三通流道的主流道接口1设置于第一歧管主体背离两个电堆的正面上。

在本发明的一个实施例中，参照图4，燃料出口三通流道的主流道接口141设置在第一歧管主体面向第二歧管元件9或第三歧管元件11的侧面上。

在本发明的一个实施例中，燃料出口三通流道的主流道接口141下方设有燃料储水池142。燃料储水池142用于储存电堆中的水，然后例如通过尾排阀定时排出。另外，来自燃料出口三通流道的主流道接口141的多余燃料可以返回电堆。

在本发明的一个实施例中，第一歧管主体在所述燃料入口三通流道的后方留有供连接冷却液出口三通流道的第一分流道接口301和第二歧管元件的第一转向流道901的管路穿过的通道。

如图1所示，本发明的双堆燃料电池包括并列布置的两个电堆以及歧管。

在本发明的一个实施例中，第一歧管元件8、第二歧管元件9和第三歧管元件11经由螺栓安装到两个电堆的端板上。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。