CN103390757B - 用于燃料电池组的歧管块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池组的歧管块，其为内部流动通道中的冷却剂流动通道提供优异的电绝缘性。更具体地，用于燃料电池组的歧管块包括：由聚合物绝缘材料形成且包括冷却剂流动通道的冷却剂接口部件；由金属材料形成并且包括反应气体流动通道的反应气体接口部件。具体地，反应气体接口部件和冷却剂接口部件安装于电池组模块，同时整体地彼此接合。

Description

用于燃料电池组的歧管块

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池组的歧管块。更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池的歧管块，其改善内部流动通道中冷却剂流动通道的电绝缘性。

背景技术

燃料电池是一个独立的发电系统，其不是通过燃烧而将来自燃料的化学能转化为热能，而是直接将化学能通过电化学方式转化成燃料电池组或模块中的电能。目前，最引人注意的车用燃料电池之一是聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC），其在市场的燃料电池选择之中具有最高的功率密度。

PEMFC中包含的燃料电池组包括膜电极组件（MEA）、气体扩散层（GDL）、衬垫、密封部件和隔板。MEA包括聚合物电解质膜，氢离子通过聚合物电解质膜而传递。发生电化学反应的电极/催化剂层布置在聚合物电解质膜的两侧上。GDL均匀地扩散反应气体并传输所产生的电。衬垫为反应气体和冷却剂提供适当的气密性密封。密封部件提供适当的接合压力，隔板则支承MEA和GDL，汇集并传输所产生的电，传输反应气体，传输并移除反应产物，以及传输冷却剂以去除反应热等等。

燃料电池组还包括用来形成燃料电池组的进口流动通道和出口流动通道的歧管块（manifold block）。歧管块用作接口部件，其分别允许反应前和反应后的气体和冷却剂流入和流出燃料电池组。

歧管块具有长而复杂的内部流动通道，气体和冷却剂经其流通。当燃料电池车上安装有多个电池组模块时，附接在电池组模块外部的歧管块起到对各个电池组模块均匀地供应反应气体（空气和氢气）以及冷却剂的作用。例如，歧管块通常通过铝压铸制造，然后在冷却剂流动通道上形成绝缘涂层。

图1是示出沿冷却剂流动通道11截取的具有连接至电池组模块的冷却剂流动通道的常规歧管块的横截面图。如图1所示，端板31装配在燃料电池组30的最外端，歧管块10附接于端板31的外侧，衬垫32介于其间。

通过其导入冷却剂的接口单元14，连接于歧管块10的一侧，使得经接口单元14导入的冷却剂通过歧管块10中的冷却剂流场11而被供应到电池组模块30，而从电池组模块30排出的冷却剂通过接口单元14被排放到外部。接口单元14例如可以由塑料制成。在图1中，没有示出用于将存有的冷却剂从电池组模块30排放到外部的冷却剂流动通道以及对应的用于排放冷却剂的接口单元。

在图1所示的歧管块10中，冷却剂流动通道11为以预定角度弯曲的直线形式，其中一直填充有冷却剂。当歧管块10的冷却剂流场11中填充有冷却剂时，电池组模块30中产生的高压电可通过铝歧管块中的冷却剂而传递到外部（例如，车辆底盘）。这种不可控的电可能会对车辆上的驾驶者或其上工作的人产生电击。因此，通常在歧管块10的整个冷却剂流动通道11上涂覆绝缘涂层（例如，陶瓷涂层、环氧涂层、聚四氟乙烯涂层等）。

图1中示出的歧管块10对于冷却剂流动通道具有简单的设计和充足的大小，从而在其内产生压差。然而，在绝缘涂层工序中涂层的质量根据工作环境而具有显著的变化，而且表面粗糙度因涂层结块而变差，这很成问题。而且，绝缘性能最初令人满意但随着时间而变差，并且在绝缘涂覆之后被破坏，电腐蚀开始出现，这同样存在问题。

为了解决这些问题，如图2所示，公开一种冷却剂流动通道上安装有单独的绝缘部件的歧管块10。如图2所述，与冷却剂流场11形状相同的绝缘部件21布置在常规的歧管块10上，用于固定和保护绝缘部件21的二等分塑料绝缘罩23插入到流场的两侧中，由此确保冷却剂流场的绝缘，同时省去了在现有歧管块中额外进行的绝缘涂层工序。

然而，常规的歧管块10具有以下问题：使用额外的部件例如绝缘部件21、绝缘罩23等，从而增加了研发和制造成本。而且，流场中的绝缘罩23可能会损坏，其阻碍冷却剂通道，并且二等分绝缘罩的接合处可能不利地影响冷却剂流动。

本背景技术部分公开的以上信息只用于增强对本发明的背景技术的理解，因此其可能包含本国本领域普通技术人员已知的现有技术以外的信息。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池组的歧管块，其被配置成：冷却剂接口部件通过注塑成型工序由聚合物绝缘材料形成，以确保冷却剂流动通道的电绝缘，反应气体接口部件通过铸造工序形成以便形成复杂的流动通道，接口部件被安装在电池组模块上，同时整体地彼此接合。

一方面，本发明提供一种用于燃料电池组的歧管块，该歧管块包括：由具有优异的绝缘特性的聚合物绝缘材料形成并且具有冷却剂流动通道的冷却剂接口部件；以及由具有优异的可模制性能的金属材料形成并且包括反应气体流动通道的反应气体接口部件。更具体地，接口部件安装在电池组模块上同时整体地彼此接合。

在一个示例性实施方式中，冷却剂接口部件可包括用于对电池组模块供应冷却剂的冷却剂进口，以及用于从电池组模块排放冷却剂的冷却剂出口。冷却剂进口和冷却剂出口可包括板形凸缘，该板形凸缘在各个流动通道的一端与电池组模块的相反侧相接合。

在某些示例性实施方式中，冷却剂接口部件的凸缘可包括衬垫安装槽，用于将模块衬垫安装在冷却剂接口部件与电池组模块之间。冷却剂接口部件的凸缘还可包括流动通道孔，其连接于反应气体接口部件的反应气体通道，以便用作通道。

反应气体接口部件可包括板状凸缘，其在反应气体通道的端部与冷却剂接口部件的凸缘相接合。反应气体接口部件的凸缘可包括衬垫安装槽，用于将接口部件衬垫安装在反应气体接口部件的凸缘与冷却剂接口部件的凸缘之间。

在又一个示例性实施方式中，反应气体接口部件的凸缘可包括开口，冷却剂接口部件的流动通道成形单元可通过该开口。

在又一个示例性实施方式中，冷却剂接口部件的凸缘和反应气体接口部件的凸缘可包括多个螺栓孔，以便将彼此接合的冷却剂接口部件和反应气体接口部件安装到电池组模块上。

在又一个优选的示例性实施方式中，冷却剂接口部件可以与反应气体接口部件通过嵌入注塑成型工序而整体形成，其中反应气体接口部件被用作嵌入件。

下面讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。

附图说明

下面将参考附图所示的某些示例性实施方式详细描述本发明的以上和其它特征，给出的示例性实施方式仅用于说明，而不是对本发明进行限制，且其中：

图1是示出沿冷却剂流动通道截取的连接于电池组模块的常规歧管块的横截面图；

图2是示出沿冷却剂流动通道截取的连接于电池组模块的改进的常规歧管块的横截面图；

图3是示出根据本发明示例性实施方式的歧管块的放大透视图；

图4（a）、（b）是示出根据本发明示例性实施方式的歧管块的冷却剂接口的视图；

图5是示出根据本发明示例性实施方式的歧管块的反应气体接口的视图；

图6是示出根据本发明示例性实施方式的歧管块的组装透视图；

图7是示出根据本发明示例性实施方式的歧管块连接于电池组模块的横截面图。

在附图中提及的附图标记包括对以下在下文中进一步讨论的元件的参照：

100：歧管块

110：冷却剂接口部件

111：冷却剂进口

112：冷却剂出口

113&114：凸缘

115&116：衬垫安装槽

117&118：流动通道孔

119：模块衬垫

120&121：流动通道成形单元

122&123：冷却剂流动通道

124：螺栓孔

130：反应气体接口部件

131&132：凸缘

133&134：衬垫安装槽

135&136：开口

137&138：反应气体流动通道

139：接口衬垫

140：螺栓孔

200：电池组模块

应当理解，附图并非必然是按比例绘制的，而只是呈现用于说明本发明的基本原理的各种特征的一定程度的简化表示。本文所公开的本发明的具体设计特征包括，例如，具体的尺寸、方向、位置和形状，将部分取决于特定的既定用途和应用环境。

在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

以下将详细参考本发明的不同实施方式，这些实施方式的实施例在附图中示出并在以下进行说明。尽管本发明将结合示例性实施方式说明，但可以理解的是，本说明书并不是要将本发明限制在这些示例性的实施方式中。相反地，本发明不仅要涵盖示例性的实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式以及其它实施方式。

应该理解的是，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢燃料车和其他代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

下面将讨论本发明的上述和其它特征。

本发明的歧管块附着于燃料电池组的外侧，用以向燃料电池组供应反应气体（空气和氢气）以及冷却剂，以及将其从燃料电池组中排出。歧管块中包括用于冷却剂流动的冷却剂流动通道以及用于反应气体流动的反应气体流动通道，以便将被导入的冷却剂和反应气体通过流动通道供应到电池组模块中，并从电池组模块中排出。

当这样的歧管块中的冷却剂通道不绝缘时，在电池组模块中产生的高压电可能会通过冷却剂被传递到外侧。也就是说，如果冷却剂流动通道由金属（例如，铝）制成，则移动的电能可能会被传递到车辆的底盘，因而会对驾驶者或工作人员产生电击。因此，歧管块的冷却剂流动通道需要电绝缘，因而在本发明中冷却剂流动通道由绝缘材料制成。

然而，歧管块中的反应物流动通道被配置为通过降低流动通道中的压差来向各个电池组模块均匀地供应反应气体，因而具有非常复杂的结构。因此，几乎不可能像注塑成型产品实现一体结构（即，一件）那样地来制造整体的歧管块。

因而，本发明提供如下配置的燃料电池组用歧管块，冷却剂接口部件通过注塑成型工序由聚合物绝缘材料形成，以确保冷却剂流场的电绝缘，反应气体接口部件通过铸造工序形成以便形成复杂的流场，并且接口部件被安装到电池组模块上同时整体地彼此接合。

根据本发明通过不同形成工序形成的冷却剂和反应气体接口部件被安装在电池组模块上，同时整体地彼此接合，使得接口部件所占据的空间最小，由而可以制造出紧凑的燃料电池组。

根据本发明的歧管块，可以通过比常规方式对冷却剂流动通道涂覆绝缘涂层或单独的绝缘部件更简单的方法实现并保持冷却剂流动通道的绝缘性能，确保支承电池组模块的强度，并灵活地设置复杂的反应气体流动通道。

当具有冷却剂流动通道的接口部件以及具有反应气体流动通道的接口部件分开配置时，接口部件可安装在电池组模块上，这会需要较大的空间来安装各个接口部件。因此，燃料电池组的尺寸增大，使其难以在车内安装。

如上所述，根据本发明用于燃料电池组的歧管块100包括冷却剂接口部件110，其由具有优异的绝缘性能的聚合物绝缘材料形成并且具有通过注塑成型工序形成的冷却剂流动通道122和123；反应气体接口部件130，其通过铸造工序形成并且具有反应气体流动通道137和138，接口部件110和130安装在电池组模块200上，同时，整体地互相接合。

如图3和图4所述，冷却剂接口部件110包括用于向电池组模块200供应冷却剂的冷却剂进口111，以及用于将冷却剂从电池组模块200排到外部的冷却剂出口112。冷却剂进口111和冷却剂出口112分别具有凸缘113和114，其各自在各个流动通道122和123的一端与电池组模块200的相反侧（即，端板的相反侧）相匹配，从而在安装到电池组模块200的过程中与反应气体接口部件130相接合。

每个凸缘113和114在各个冷却剂进口111和冷却剂出口112的一侧上具有包绕各个冷却剂流动通道122和123的整体边缘的板型。当冷却剂接口部件110被安装到电池组模块200上时，每个凸缘113和114各自接合到电池组模块200的相反侧，并接合到反应气体接口部件130的各个凸缘131和132，使得歧管块100被整体地配置。而且，凸缘113和114包括衬垫安装槽115和116，用于在将冷却剂接口部件110安装到电池组模块200时将模块衬垫119安装在冷却剂接口部件110与电池组模块200之间。

因此，当冷却剂接口部件110被安装到电池组模块200时，用于密封的模块衬垫119通过衬垫安装槽115和116而置于冷却剂接口部件110的凸缘113和114与电池组模块200的相反侧之间，由此保持气密性密封。

此外，冷却剂流动通道122和123的两侧上形成有流动通道孔117和118，其在凸缘113和114接合至反应气体接口部件130的凸缘131和132时与反应气体流动通道137和138连接。流动通道孔117和118连接于反应气体流动通道137和138，以便作为反应气体被供应到电池组模块200以及从其中排出的流动通道。另外，冷却剂进口111和冷却剂出口112具有流动通道成形单元120和121，分别用于形成冷却剂流动通道122和123。

如图4所示，流动通道成形单元120和121在各个凸缘113和114的中间一体形成，即，位于布置在其两侧上的流动通道孔117与118之间。在冷却剂进口111的情况下，流动通道成形单元120具有与凸缘113相垂直的直管形状。对于冷却剂出口112，流动通道成形单元121具有大致呈形的弯管形状，其一端与凸缘114垂直。

也就是说，组成冷却剂接口部件110的冷却剂进口111和冷却剂出口112包括管状流动通道成形单元120和121，其形成冷却剂流动通道122和123，以及在流动通道成形单元120和121的一端包绕冷却剂流动通道122和123的整体边缘的板状凸缘113和114。

反应气体接口部件130包括结构相对复杂且包括与冷却剂接口部件110的凸缘相匹配的凸缘131和132的反应气体流动通道137和138。

如图5所示，凸缘131和132各具有包绕各个反应气体流动通道137和138的整体边缘的板型。当反应气体接口部件130安装到电池组模块200上时，凸缘131和132被接合到介于冷却剂接口部件110与电池组模块200之间的冷却剂接口部件110的凸缘113和114，使得歧管块100整体配置。而且，凸缘131和132包括衬垫安装槽133和134，用于在反应气体接口部件130安装至电池组模块200时将接口部件衬垫139安装在反应气体接口部件130与冷却剂接口部件110的凸缘113和114之间。

因此，当反应气体接口部件130安装至电池组模块200时，用于密封的接口部件衬垫139通过衬垫安装槽133和134而置于反应气体接口部件130与冷却剂接口部件110的凸缘113和114之间，由此保持气密性密封。

此外，反应气体接口部件130的凸缘131和132包括可让冷却剂接口部件110的流动通道成形单元120和121通过的开口135和136。开口135和136形成于在凸缘131和132的两侧上相互隔开的反应气体流动通道137和138之间，以便在冷却剂接口部件和反应气体接口部件110和130的凸缘113、114、131、和132彼此接合时，消除流动通道成形单元120和121的任何干扰。另外，冷却剂接口部件和反应气体接口部件110和130的凸缘113、114、131、和132具有螺栓孔124和140，使得被接合的凸缘113、114、131、和132被安装到电池组模块200。

也就是说，冷却剂接口部件和反应气体接口部件110和130的凸缘113、114、131、和132具有多个螺栓孔124和140，用于接合至电池组模块200，冷却剂接口部件和反应气体接口部件110和130穿过螺栓孔124和140，然后通过组装在电池组模块200上的紧固螺栓（未示出）被安装到电池组模块200的两侧。此处，由于紧固螺栓的紧固力，冷却剂接口部件110的凸缘113和114接合到电池组模块200的两侧，反应气体接口部件130的凸缘131和132接合至冷却剂接口部件110的凸缘，同时，电池组模块200与冷却剂接口部件110的凸缘113和114之间以及冷却剂接口部件和反应气体接口部件110和130的凸缘113、114、131、和132之间的衬垫113和139被压紧，从而通过简单的设计来保持气密性密封。

也就是说，冷却剂和反应气体接口部件110和130可被安装到电池组模块200上而无需任何紧固处理并且整体地彼此接合，由此使歧管块100成为整体。

根据本发明的上述歧管块，可以实现并保持冷却剂流动通道的绝缘性，确保支承电池组模板的强度，便于形成布局复杂的反应气体流动通道，并且降低流动通道中的压差，由此改进燃料电池组的性能。

此外，相比于对冷却剂流动通道包覆绝缘涂层或单独的绝缘部件的常规方法，根据本发明的上述歧管块可以提供简单紧凑的结构以确保冷却剂流动通道的绝缘性，从而提高燃料电池组的能量密度。

另外，冷却剂接口部件100和反应物接口部130可以通过在安装到电池组模块200之前进行嵌入注塑成型工序而整体形成。为此，反应气体接口部件130通过铸造工序由金属材料（例如铝）制成。然后，通过嵌入注塑成型工序形成冷却剂接口部件110，其中在嵌入注塑成型工序中，形成的反应气体接口部件130嵌入到镶嵌模中，以使冷却剂接口部件110与反应气体接口部件130整体地形成。

如上所述，根据本发明的燃料电池组用歧管块，可以确保冷却剂流动通道具有优异的绝缘性能，防止电腐蚀，并提供简单紧凑的结构而没有任何单独的绝缘涂层或绝缘部件，由此提高燃料电池组的能量密度。

上面已经参考本发明的示例性实施方式对本发明进行详细描述，然而，本领域技术人员应该能够理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下还可以对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池组的歧管块，所述歧管块包括：

冷却剂接口部件，由聚合物绝缘材料形成并且包括多个冷却剂流动通道；和

反应气体接口部件，由可模制的金属材料形成并且包括多个反应气体流动通道，

其中所述冷却剂接口部件和所述反应气体接口部件安装于燃料电池的电池组模块，同时整体地彼此接合，

其中所述冷却剂接口部件包括冷却剂进口，被配置为向所述电池组模块供应冷却剂；和冷却剂出口，被配置为从所述电池组模块排出冷却剂，所述冷却剂进口和所述冷却剂出口包括板状凸缘，每个所述板状凸缘在所述多个冷却剂流动通道中的每个冷却剂流动通道的一端与所述电池组模块的相反侧相接合，并且

所述冷却剂接口部件的所述凸缘包括多个流动通道孔，所述多个流动通道孔连接于所述反应气体接口部件的所述多个反应气体流动通道，以便用作所述多个反应气体流动通道的一部分。

2.如权利要求1所述的歧管块，其中所述冷却剂接口部件的所述凸缘包括多个衬垫槽，所述衬垫槽被配置为将模块衬垫安装在所述冷却剂接口部件与所述电池组模块之间。

3.如权利要求1所述的歧管块，其中所述反应气体接口部件包括板状凸缘，所述板状凸缘在所述多个反应气体流动通道的端部与所述冷却剂接口部件的所述凸缘相接合。

4.如权利要求3所述的歧管块，其中所述反应气体接口部件的所述凸缘包括衬垫槽，所述衬垫槽被配置为将所述接口部件衬垫安装在所述反应气体接口部件的所述凸缘与所述冷却剂接口部件的所述凸缘之间。

5.如权利要求3所述的歧管块，其中所述反应气体接口部件的所述凸缘包括开口，所述冷却剂接口部件的流动通道成形单元通过所述开口。

6.如权利要求3所述的歧管块，其中所述冷却剂接口部件的所述凸缘和所述反应气体接口部件的所述凸缘包括多个螺栓孔，所述多个螺栓孔用于将彼此接合的所述冷却剂接口部件和所述反应气体接口部件安装到所述电池组模块上。

7.如权利要求3所述的歧管块，其中所述冷却剂接口部件与所述反应气体接口部件通过嵌入注塑成型工序整体地形成，其中所述反应气体接口部件用作嵌入件。

8.一种包括用于燃料电池组的歧管块的车辆，所述歧管块包括：

冷却剂接口部件，由聚合物绝缘材料形成并且包括多个冷却剂流动通道；和

反应气体接口部件，由可模制的金属材料形成并且包括多个反应气体流动通道，

其中所述冷却剂接口部件和所述反应气体接口部件整体地彼此接合并安装于所述电池组模块，

其中所述冷却剂接口部件包括冷却剂进口，被配置为向所述电池组模块供应冷却剂；和冷却剂出口，被配置为从所述电池组模块排出冷却剂，所述冷却剂进口和所述冷却剂出口包括板状凸缘，每个所述板状凸缘在所述多个冷却剂流动通道中的每个冷却剂流动通道的一端与所述电池组模块的相反侧相接合，并且

所述冷却剂接口部件的所述凸缘包括多个流动通道孔，所述多个流动通道孔连接于所述反应气体接口部件的所述多个反应气体流动通道，以便用作所述多个反应气体流动通道的一部分。

9.如权利要求8所述的车辆，其中所述冷却剂接口部件的所述凸缘包括多个衬垫槽，所述衬垫槽被配置为将模块衬垫安装在所述冷却剂接口部件与所述电池组模块之间。

10.如权利要求8所述的车辆，其中所述反应气体接口部件包括板状凸缘，所述板状凸缘在所述多个反应气体流动通道的端部与所述冷却剂接口部件的所述凸缘相接合。

11.如权利要求10所述的车辆，其中所述反应气体接口部件的所述凸缘包括衬垫槽，所述衬垫槽被配置为将所述接口部件衬垫安装在所述反应气体接口部件的所述凸缘与所述冷却剂接口部件的所述凸缘之间。

12.如权利要求10所述的车辆，其中所述反应气体接口部件的所述凸缘包括开口，所述冷却剂接口部件的流动通道成形单元通过所述开口。

13.如权利要求10所述的车辆，其中所述冷却剂接口部件的所述凸缘和所述反应气体接口部件的所述凸缘包括多个螺栓孔，所述多个螺栓孔用于将彼此接合的所述冷却剂接口部件和所述反应气体接口部件安装到所述电池组模块上。

14.如权利要求10所述的车辆，其中所述冷却剂接口部件与所述反应气体接口部件通过嵌入注塑成型工序整体地形成，其中所述反应气体接口部件用作嵌入件。