CN110233278A

CN110233278A - 一种燃料电池电堆模块流体分配结构

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Publication number: CN110233278A
Application number: CN201910644464.9A
Authority: CN
Inventors: 张宝; 李娜; 胡景春; 窦永香
Original assignee: Sunrise Power Co Ltd
Current assignee: Sunrise Power Co Ltd
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2019-09-13

Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆模块流体分配结构，是将依次设置的电堆端板、封装壳体壁以及用于集成氢气通道、冷却液通道和空气通道后再转换实现按需分配的分配歧管密封连接固定而成，其特征在于，分配歧管主要由本体、设置于本体一侧的转换部和另一侧的连接部构成，其中，转换部具有彼此相互隔离的腔室，分别为与电堆模块氢气通道、冷却液通道以及空气通道相连通的各腔室；连接部是突出于本体一侧端面的连接区域，其上具有与电堆端板和封装壳体壁上的氢气通道、冷却液通道和空气通道相对应的接入口，相应地，氢气接入口与氢气腔室相连通，冷却液接入口与冷却液腔室相连通，空气接入口与空气腔室相连通。本发明具有零件数量少功能集成多等优点。

Description

一种燃料电池电堆模块流体分配结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，涉及IPC分类号H01M，用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组(一般电化学的方法或装置入C25；用于转变光或热为电能的半导体或其他固态器件入H01L，例如H01L31/00，H01L35/00，H01L37/00)(2)；H01M8/00，燃料电池；及其制造(2)；具体而言，涉及一种燃料电池电堆模块流体分配结构。

背景技术

由于质子交换膜燃料电池具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，适合于作为车辆、船舶等运载工具的动力系统，同时也可以用作移动式或固定式的发电单元使用，如作为燃料电池发动机、通讯领域的备用电源或变电站的应急发电机等。但是，作为乘用车的主要驱动能量产生装置，燃料电池发动机往往需要具备较高的功率密度。也就是必然要求具备大功率输出的燃料电池电堆(燃料电池模块)，同时其拥有较小的体积或质量。这对于当前燃料电池电堆模块的设计与制造提出了较高的要求，必须使所有的零部件的体积最小化，功能多样化，连接结构紧凑化。

由于燃料电池电堆模块使用氢气和空气作为反应介质通过电化学反应发电，反应的热量通过冷却液带走后经散热器与环境进行热量交换，所以它配备有氢气供给系统、空气供给系统和水热管理系统。通常这些系统为电堆模块提供反应介质和冷却液是经过结构相对独立的管路或分体结构实现的，还需要做好密封和绝缘防护，同时增加了加工工序和成本，自然还存在更大的泄漏风险，必然导致这部分占用较大的体积。例如，作为现有技术较为典型的代表，中国实用新型专利，申请号为201820903203.5，燃料电池堆装置中公开了一种电池堆结构，其分配结构划分为与氢气、空气和冷却液分配连接结构，从实用新型文件中的图7中可见，分配连接结构先与端架固定，通过中间连接部件再实现与燃料电池单元固定连接，不难发现，从总体上看，零部件的种类很多，彼此之间的密封面也很多，泄露隐患大。同时氢气、空气和冷却液接口的方向不能调整，只能够垂直于端架，占用空间大，对于发动机零部件布局适配性不好。

可见，有必要提供一种具备一定功能性的集成分配结构用以解决彼此之间的连接问题，实现结构紧凑，绝缘密封性好。目前现有的集成分配结构基本都存在较为复杂的装配或多体连接问题，不利于批量化制造与装配。另外，中间连接环节比较多(零件多)，特别是没有能够将集成分配结构的功能最大化，而且由于系统的需要在每一个介质流通管路上分别设置温度、压力和湿度等检测接口，很难做到统一规划高效利用空间，因此整体上就使得燃料电池系统外包络空间很大，对于整车集成不利。毋庸置疑的是，只有实现上述功能且高度集成于最少的零件之上的分配连接结构，才能有效提高体积功率密度，这也是燃料电池发动机的发展趋势。

发明内容

根据上述提出现有的燃料电池中的各管路或分体结构难以实现高度集成且密封和绝缘防护性不佳的技术问题，而提供一种燃料电池电堆模块流体分配结构。本发明主要通过设置具有转换部的分配歧管，实现各管路合理汇集和分配转换，以及通过分配歧管的连接部与端板和封装壳体的连接方式，实现密封和绝缘防护的效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种燃料电池电堆模块流体分配结构，是将依次设置的电堆端板、封装壳体壁以及用于集成氢气通道、冷却液通道和空气通道后再转换实现按需分配的分配歧管密封连接固定而成，其特征在于，

所述分配歧管主要由本体、设置于所述本体一侧的转换部和另一侧的连接部构成，其中，所述转换部具有彼此相互隔离的腔室，分别为与电堆模块氢气通道相连通的氢气腔室、与电堆模块冷却液通道相连通的冷却液腔室、以及与电堆模块空气通道相连通的空气腔室；所述连接部是突出于所述本体一侧端面的连接区域，其上具有与所述电堆端板上的氢气通道、冷却液通道和空气通道相对应的接入口，相应地，氢气接入口与所述氢气腔室相连通，冷却液接入口与所述冷却液腔室相连通，空气接入口与所述空气腔室相连通。

进一步地，所述连接部为一体式连接区域或者分体式连接区域，分体式连接区域即包括氢气连接区、冷却液连接区和空气连接区。

进一步地，所述连接部的连接区域外壁面尺寸小于所述封装壳体壁上相应的通道口内径，所述连接区域的厚度与所述封装壳体壁的厚度相匹配；装配时，将所述分配歧管的连接部嵌入所述封装壳体壁的通道口Ⅰ内，且与所述电堆端板上的各通道口Ⅱ相对应后，再与所述电堆端板相对固定。

进一步地，所述分配歧管的本体与所述封装壳体壁之间通过密封胶线Ⅱ形成第一道密封，所述分配歧管的连接部的前端面与所述电堆端板之间通过密封胶线Ⅰ形成第二道密封。

进一步地，所述分配歧管的材质选用PA66+30％GF或者PBT+30％GF，即尼龙66+30％玻纤或者聚对苯二甲酸丁二醇酯+30％玻纤或者吸水性小于1.0％且抗弯强度大于70MPa的工程塑料。

进一步地，氢气、冷却液、空气经所述分配歧管连接部上的各接入口进入所述分配歧管的流入方向与上述介质经所述分配歧管转换部集成转换的流出方向根据需求及满足应用空间大小与结构限制设置成相同或不同。

进一步地，所述分配歧管转换部集成转换的各腔室流入口径与流出口径均小于或等于所述分配歧管连接部上的各接入口的当量口径，并可以按流量匹配计算确定合适尺寸。

进一步地，所述分配歧管在电堆模块整体冷却液流动状态下对所述电堆端板和所述封装壳体壁绝缘电阻大于550MΩ。

进一步地，所述分配歧管之上具有平坦部，可以设置压力、温度与湿度等物理参数检测接口。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的分配歧管的转换部具有彼此相互隔离的腔室，三个腔室分别与电堆模块氢气通道、电堆模块冷却液通道以及电堆模块空气通道相连通；最大程度的实现集成；

2、本发明提供的分配歧管的连接部是突出于所述本体一侧端面的连接区域，可根据安装需要设置成一体式或者分体式，与封装壳体相配合后与电堆端板或封装壳体壁固定，从根本上解决了高效连接与绝缘防护的问题；

3、本发明通过两道密封胶线，进一步解决了密封问题，确保燃料电池模块具备良好的气密性与可靠性，从而达到安全使用的目的。

综上，本发明的设计可针对不同结构形式的燃料电池堆，通用性强，设计了流体介质通路，考虑了总体密封及绝缘，以最少的零件数量、最小的空间使用实现了最多的功能集成。这种燃料电池模块在能够实现提升总输出功率的同时也显著地提高了其功率密度。

基于上述理由，本发明对于车载应用具有很大潜力，同时也适合于其他高功率输出及高功率密度要求的工作环境，可广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃料电池电堆模块流体分配结构的示意图。

图2为本发明燃料电池电堆模块流体分配结构的主视图。

图3为图2中A-A向的剖视图。

图4为图3中C处的局部放大图。

图5为本发明燃料电池电堆模块流体分配结构的俯视图。

图6为图5中B-B向的剖视图。

图中：1、电堆端板；2、封装壳体壁；3、分配歧管；3.1、本体；3.2、转换部；3.3、连接部；3.4、电堆模块氢气通道；3.5、电堆模块冷却液通道；3.6、电堆模块空气通道；3.7、安装固定孔；4、密封胶线Ⅰ；5、密封胶线Ⅱ。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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发明的示例性实施方式。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，应当清楚，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己知的技术、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，任向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。

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“在其位器件或构造之下”。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。

如图1所示，本发明提供了一种燃料电池电堆模块流体分配结构，是将依次设置的电堆端板1、封装壳体壁2以及用于集成氢气通道、冷却液通道和空通气道后再转换实现按需分配的分配歧管3密封连接固定而成。

如图2-6所示，所述分配歧管3主要由本体3.1、设置于所述本体3.1一侧的转换部3.2和另一侧的连接部3.3构成，其中，所述转换部3.2具有彼此相互隔离的腔室，分别为与电堆模块氢气通道3.4相连通的氢气腔室、与电堆模块冷却液通道3.5相连通的冷却液腔室、以及与电堆模块空气通道3.6相连通的空气腔室；所述连接部3.3是突出于所述本体3.1一侧端面的连接区域，其上具有与所述电堆端板1上的氢气通道、冷却液通道和空气通道相对应的接入口，相应地，氢气接入口与所述氢气腔室相连通，冷却液接入口与所述冷却液腔室相连通，空气接入口与所述空气腔室相连通。

根据实际设计需要，所述连接部3.3为一体式连接区域或者分体式连接区域，分体式连接区域即包括氢气连接区、冷却液连接区和空气连接区。当为一体式连接区域设计时，即突出部分为一体结构，在各通道的接入口之间通过互相间隔的隔板隔开。

所述连接部3.3的连接区域外壁面尺寸小于所述封装壳体壁2上相应的通道口内径，即当连接部3.3为一体式连接区时，所述封装壳体壁2上的通道口为一通孔，与所述连接部的外壁面匹配，可间隙配合并通过下述的两道密封胶线密封；当连接部3.3为分体式连接区域时，如图3所示，所述封装壳体壁2上设有相应的通道口，连接部3.3上的各个接入口的外壁面尺寸小于等于通道口内径，实现间隙配合；所述连接区域的厚度与所述封装壳体壁2的厚度相匹配，即装配时，将所述分配歧管3的连接部3.3嵌入(保持一定间隙进入)所述封装壳体壁2的通道口Ⅰ内，且与所述电堆端板1上的各通道口Ⅱ相对应后，再与所述电堆端板1相对固定。

所述分配歧管3的本体3.1与所述封装壳体壁2之间通过密封胶线Ⅱ5形成第一道密封，所述分配歧管3的连接部3.3的前端面与所述电堆端板1之间通过密封胶线Ⅰ形成第二道密封；所述分配歧管3的材质选用尼龙66+30％玻纤或者聚对苯二甲酸丁二醇酯+30％玻纤(PA66+30％GF或者PBT+30％GF)或者吸水性小于1.0％且抗弯强度大于70MPa的工程塑料。

如图3所示，所述分配歧管3的连接部3.3通过密封胶线实现与电堆端板相对固定，从根本上实现了绝缘密封的问题。

氢气、冷却液、空气经所述分配歧管3连接部3.3上的各接入口进入所述分配歧管3的流入方向与上述介质经所述分配歧管3转换部3.2集成转换的流出方向根据需求及满足应用空间大小与结构限制设置成相同或不同，即电堆模块氢气通道3.4、电堆模块冷却液通道3.5以及电堆模块空气通道3.6可根据需要设置在所述分配歧管3的转换部3.2的不同侧面上。如图6所示，显示的各接入口的流入方向与流出方向成90°换向，即从水平流入方向转换成竖直流出方向，在有限的空间内，合理分布各通路出口。

所述分配歧管3转换部3.2集成转换的各腔室流入口径与流出口径均小于或等于所述分配歧管3连接部3.3上的各接入口的当量口径，并可以按流量匹配计算确定合适尺寸。

所述分配歧管3在电堆模块整体冷却液流动状态下对所述电堆端板1和所述封装壳体壁2绝缘电堆大于550MΩ。

所述分配歧管3之上具有平坦部，可以设置压力、温度与湿度等物理参数检测接口。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种燃料电池电堆模块流体分配结构，是将依次设置的电堆端板(1)、封装壳体壁(2)以及用于集成氢气通道、冷却液通道和空气通道后再转换实现按需分配的分配歧管(3)密封连接固定而成，其特征在于，

所述分配歧管(3)主要由本体(3.1)、设置于所述本体(3.1)一侧的转换部(3.2)和另一侧的连接部(3.3)构成，其中，所述转换部(3.2)具有彼此相互隔离的腔室，分别为与电堆模块氢气通道(3.4)相连通的氢气腔室、与电堆模块冷却液通道(3.5)相连通的冷却液腔室、以及与电堆模块空气通道(3.6)相连通的空气腔室；所述连接部(3.3)是突出于所述本体(3.1)一侧端面的连接区域，其上具有与所述电堆端板(1)上的氢气通道、冷却液通道和空气通道相对应的接入口，相应地，氢气接入口与所述氢气腔室相连通，冷却液接入口与所述冷却液腔室相连通，空气接入口与所述空气腔室相连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述连接部(3.3)为一体式连接区域或者分体式连接区域，分体式连接区域即包括氢气连接区、冷却液连接区和空气连接区。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述连接部(3.3)的连接区域外壁面尺寸小于所述封装壳体壁(2)上相应的通道口内径，所述连接区域的厚度与所述封装壳体壁(2)的厚度相匹配；装配时，将所述分配歧管(3)的连接部(3.3)嵌入所述封装壳体壁(2)的通道口Ⅰ内，且与所述电堆端板(1)上的各通道口Ⅱ相对应后，再与所述电堆端板(1)相对固定。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述分配歧管(3)的本体(3.1)与所述封装壳体壁(2)之间通过密封胶线Ⅱ(5)形成第一道密封，所述分配歧管(3)的连接部(3.3)的前端面与所述电堆端板(1)之间通过密封胶线Ⅰ形成第二道密封。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述分配歧管(3)的材质选用PA66+30％GF或者PBT+30％GF或者吸水性小于1.0％且抗弯强度大于70MPa的工程塑料。

6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，氢气、冷却液、空气经所述分配歧管(3)连接部(3.3)上的各接入口进入所述分配歧管(3)的流入方向与上述介质经所述分配歧管(3)转换部(3.2)集成转换的流出方向根据需求及满足应用空间大小与结构限制设置成相同或不同。

7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述分配歧管(3)转换部(3.2)集成转换的各腔室流入口径与流出口径均小于或等于所述分配歧管(3)连接部(3.3)上的各接入口的当量口径，并可以按流量匹配计算确定合适尺寸。

8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述分配歧管(3)在电堆模块整体冷却液流动状态下对所述电堆端板(1)和所述封装壳体壁(2)绝缘电阻大于550MΩ。

9.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块流体分配结构，其特征在于，所述分配歧管(3)之上具有平坦部，可以设置压力、温度与湿度等物理参数检测接口。