CN111244496B - 燃料电池及配流装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了燃料电池及配流装置。该配流装置包括在第一端板中形成的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管，第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管分别包括横向延伸且具有侧开口端的主通道，以及纵向延伸且具有顶开口端的多个子通道，其中，第一对歧管的主通道和第三对歧管的主通道位于第一端板的上部层面，第二对歧管的主通道位于第一端板的下部层面，第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管分别用于分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。该燃料电池通过改进配流装置中的歧管结构设计，可以提高燃料电池的反应物分配均匀性并改善水热管理，从而提高燃料电池的大电流放电性能和功率密度。在电动车辆中可以提高车辆的动力性能、燃料利用效率和续航里程。

Description

燃料电池及配流装置
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及燃料电池及配流。
背景技术
燃料电池是通过甲醇或氢等燃料在膜电极组件的催化剂层与氧化气体发生电化学反应，获取电能的发电装置。燃料电池例如包括电解质膜以及位于电解质膜两侧表面的催化剂层、扩散层以及双极板。
在燃料电池工作期间，燃料流体通过双极板的阳极流场的流道被传递到膜电极组件表面，在膜电极组件内部的传递过程为燃料流体通过扩散层扩散到阳极催化层，并在催化剂层催化剂的作用下，放出电子形成阳离子。电子从催化剂表面经由扩散层传递到双极板，再从双极板传递到外部电路，再从外部电路传送到阴极双极板，从阴极双极板传递到扩散层，从扩散层传送至阴极催化剂层；阳离子则经由电解质膜传递到阴极侧催化剂层。氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成形成阴离子，阴离子与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成完整的电子回路和离子回路。电解质膜兼有离子通道和阻挡气体以及电子的作用。
燃料流体包括气态的氢气，或者液态的甲醇或者甲醇溶液等燃料组成的流体。氧化气体可以是空气也可以是纯氧，冷却介质可以是液体也可以是气体。
燃料电池反应过程产生的反应产物为水，零排放，在反应过程中无需机械传动，直接把燃料中的化学能转化成电能，基本上没有噪音污染，因此，燃料电池作为发电装置具有发电效率高和绿色环保的优点。为了进一步提高燃料电池的输出功率和输出电压，在实际产品中，采用端板将堆叠的多个重复部件压紧固定在一起形成电池堆。在电池堆中采用配流装置向多个重复部件提供燃料流体、氧化气体和冷却介质。在电池堆中使用数量众多的重复部件，对电池堆的装配密封、冷却介质和反应物的分布均匀性形成了巨大的挑战。由于燃料电池中端板的工作环境与膜电极组件的反应环境不同，严重影响了电池堆的一致性，从而导致性能和寿命的衰减。
为提高燃料电池的可靠性、稳定性以及延长使用寿命，需要进一步改善燃料电池的结构设计，改善反应物的分布均匀性，提高燃料电池的水热管理能力，以减小燃料电池内部的温度梯度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供燃料电池及配流装置，其中，将端板兼用作配流装置的部件并且改进配流装置中的歧管结构设计，以提高燃料电池的反应物分配均匀性并改善水热管理，从而提高燃料电池的大电流放电性能和功率密度。用于电动车辆中，则可提高车辆的动力性能、燃料利用效率和续航里程。
根据本发明的第一方面，提供一种用于燃料电池的配流装置，包括：第一端板；以及在所述第一端板中形成的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别包括横向延伸且具有侧开口端的主通道，以及纵向延伸且具有顶开口端的多个子通道，其中，所述第一对歧管的主通道和所述第三对歧管的主通道位于所述第一端板的上部层面，所述第二对歧管的主通道位于所述第一端板的下部层面，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别用于分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。
优选地，所述第一对歧管的所述多个子通道周期性地连接相应的主通道，所述第三对歧管的所述多个子通道周期性地连接相应的主通道。
优选地，所述第二对歧管的所述多个子通道在所述第二对歧管的主通道的顶部与之连接。
优选地，所述第一对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸大于所述第一对歧管的所述主通道的截面尺寸，所述第二对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸小于所述第二对歧管的所述主通道的截面尺寸，所述第三对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸大于所述第三对歧管的所述主通道的截面尺寸。
优选地，所述第二对歧管的主通道的截面尺寸为所述第一对歧管的主通道的截面尺寸的2-20倍，所述第三对歧管的主通道的截面尺寸为所述第一对歧管的主通道的截面尺寸的2-8倍。
优选地，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的顶开口端分布于所述端板的表面上以形成至少一个分配单元。
优选地，所述至少一个分配单元包括1-15个分配单元。
优选地，所述至少一个分配单元分别包括在所述端板的表面一侧依次排列的所述第一对歧管、所述第三对歧管和所述第二对歧管的第一组顶开口端，以及在所述端板的表面另一侧依次排列的所述第二对歧管、所述第三对歧管和所述第一对歧管的第二组顶开口端，所述第一组顶开口端分别流出所述燃料流体、所述冷却介质和所述氧化气体，所述第二组顶开口端分别流入所述氧化气体、所述冷却介质和所述燃料流体。
优选地，所述第一对歧管和所述第三对歧管的主通道分别具有大致矩形的截面形状，所述第二对歧管的主通道具有凸字形的截面形状。
优选地，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的主通道分别具有大致矩形的截面。
根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池，包括：重复部件，所述重复部件包括双极板以及夹在双极板之间的膜电极组件，在所述重复部件的侧边部分形成沿堆叠方向延伸的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道；以及上述的配流装置，其中，所述配流装置的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别与所述重复部件的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道彼此连通。
优选地，所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的顶开口端的位置和形状与所述重复部件的所述燃料流体通道、所述氧化气体通道和所述冷却介质通道的位置和截面形状大致相同。
优选地，还包括：在所述重复部件的第一表面依次堆叠的第一电流集流体和第一绝缘板；在所述重复部件的第二表面依次堆叠的第二电流集流体和第二绝缘板；以及第二端板，所述第一端板和所述第二端板夹持所述重复部件、以及所述第一电流集流体、所述第二电流集流体、所述第一绝缘板、所述第二绝缘板，其中，所述第一绝缘板夹在所述第一端板和所述第一电流集流体之间，所述第二绝缘板夹在所述第二端板和所述第二电流集流体之间，所述燃料流体通道、所述氧化气体通道和所述冷却介质通道沿着堆叠方向穿过所述第一集流体和所述第一绝缘板。
优选地，所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管各自的顶开口端形成至少一个分配单元，所述配流装置中的所述至少一个分配单元分别向所述重复部件中的相应发电单元供给燃料流体、氧化气体和冷却介质。
优选地，还包括：第一张力板和第二张力板，位于所述燃料电池的相对侧面，并且分别包括下凸缘和上凸缘，其中，所述第一张力板和第二张力板的下凸缘分别与所述第一端板的底面边缘接触，第一张力板和第二张力板的上凸缘分别与所述第二端板的顶面边缘接触，从而采用所述下凸缘向所述第一端板的底面施加压力，以及采用所述上凸缘向所述第二端板的顶面施加压力，以提供所述第一端板和第二端板之间的夹持力。
优选地，所述第一张力板和第二张力板的上凸缘还包括多个螺孔，采用穿过所述多个螺孔的螺栓向所述第二端板的顶面施加附加压力。
优选地，所述第一端板的侧壁形成有横向延伸的多个第一凸台，所述第二端板的侧壁形成有横向延伸的多个第二凸台，采用穿过所述多个第一凸台和所述多个第二凸台的多个螺孔的多个螺栓固定所述第一端板和所述第二端板，以提供所述第一端板和第二端板之间的夹持力。
优选地，还包括：第一接口板和第二接口板，位于所述第一端板的相对端面，并且分别包括用于连接多个外部管路的多个接口，其中，所述第一接口板和所述第二接口板中的所述多个接口的内开口端与所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的多个侧开口端分别对齐以实现彼此连通。
根据本发明实施例的配流装置，采用两层六通道的歧管结构，第三对歧管位于上层层面，并且与上部层面的第一对歧管和下部层面第二对歧管相邻，从而可以最大化冷却介质对端板以及端板内流动的反应物的冷却能力，使得端板的温度变化梯度更小，温度一致性更好，燃料电池运行环境更稳定，实现了更好的水热管理。进一步地，在配流装置中，不仅改进了主通道与子通道的连接位置，而且对子通道的顶开口端尺寸进行优化设计以形成直通道，不仅容易加工配流装置的内部通道，而且可以经由配流装置的内部通道将燃料流体和氧化气体顺畅地分配至燃料电池重复部件的燃料流体通道和氧化气体通道中，提高反应物分布均匀性，从而提高放电性能。
进一步地，根据本发明实施例的燃料电池，第一端板不仅作为配流装置的部件，而且兼用作夹持装置的部件，张力板不仅用于燃料电池的侧面保护部件，而且兼用作夹持装置的部件，利用张力板的上下凸缘向第一端板和第二端板施加压力以固定燃料电池的内部堆叠层。此外，重复部件中的双极板兼有分散反应物、散热、导电、支撑结构的作用。因此，根据本发明实施例的燃料电池可以减少燃料电池的部件数量。由于燃料电池的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池可以减小燃料电池的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池的小型化以及提高可靠性。
进一步地，根据本发明实施例的燃料电池，采用模块化设计，可以根据实际功率需求，灵活地调整电池的单元数量，使设计和加工制造更加简单高效。通过结构设计，有效的提升了燃料电池堆的大电流持续放电能力，提升了燃料电池堆的额定功率和体积功率密度，从而大幅度的降低了燃料电池堆的生产成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1和图2分别示出根据本发明第一实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。
图3和图4分别示出根据本发明第二实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。
图5和图6分别示出根据本发明第三实施例的配流装置的立体结构图和俯视图。
图7a和图7b分别示出沿图6中线AA截取的剖面图和剖视图。
图8a和图8b分别示出沿图6中线BB截取的剖面图和剖视图。
图9示出根据本发明第四实施例的配流装置从端面观察的侧视图。
图10a和图10b分别示出在图9所示的配流装置两个端面连接的接口板的立体示意图。
图11示出根据本发明第一实施例的燃料电池在不同反应物计量比下的放电曲线。
附图标记
100 燃料电池
110 第一端板
120 第二端板
140 张力板
150 接口板
131 第一绝缘板
132 第一电流集流体
133 重复部件
134 第二电流集流体
135 第二绝缘板
141 下凸缘
142 上凸缘
143 螺孔
200 燃料电池
210 第一端板
220 第二端板
211 凸台
212 螺孔
221 凸台
222 螺孔
224 螺栓
300 配流装置
301 端板
310 第一对歧管
320 第二对歧管
330 第三对歧管
311 第一对歧管的主通道
312 第一对歧管的子通道
321 第二对歧管的主通道
322 第二对歧管的子通道
331 第三对歧管的主通道
332 第三对歧管的子通道
400 配流装置
401 端板
410 第一对歧管
420 第二对歧管
430 第三对歧管
250 接口板
350 接口板
251 与第一对歧管连通的接口
351 与第二对歧管连通的接口
352 与第三对歧管连通的接口
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面，参照附图对本发明进行详细说明。
<第一实施例>
图1和2分别示出根据本发明第一实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。燃料电池100包括彼此相对的第一端板110和第二端板120，在二者之间依次堆叠第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件（repeat part）133、第二电流集流体134、第二绝缘板135。如下文所述，第一端板110兼用作配流装置，用于向重复部件133中的双极板分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。
重复部件133包括双极板（bipolar plate）以及夹在双极板之间的膜电极组件。双极板包括阳极极板和阴极极板以及夹在阳极极板和阴极极板中间的冷却层。燃料电池的电池堆例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件133以提高输出电压。
膜电极组件包括电解质膜，以及在电解质膜的第一表面（燃料流体侧）上依次堆叠的阳极催化剂层、阳极扩散层，在电解质膜的第二表面（氧化气体侧）上依次堆叠的阴极催化剂层、阴极扩散层。膜电极组件大致为矩形形状，在矩形的侧边部分形成沿堆叠方向延伸的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道。阳极极板的第一表面与膜电极组件的阳极扩散层相对，在第一表面中形成有与燃料流体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。阴极极板的第一表面与膜电极组件的阴极扩散层相对，在第一表面中形成有与氧化气体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。
电解质膜是输送质子且具有使电子绝缘的功能的一种选择性渗透膜。电解质膜通过构成材料即离子交换树脂的种类，大体分为氟系电解质膜和烃系电解质膜。其中，氟系电解质膜因为具有C－F键(C－F结合)，所以耐热性或化学稳定性优异。例如，作为电解质膜，广泛使用以Nafion(注册商标，杜邦有限公司)的商品名得知的全氟磺酸膜。
阳极催化剂层含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进将氢解离成质子及电子的反应(氢氧反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。
阴极催化剂层含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进由质子和电子和氧生成水的反应(氧还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。
阳极扩散层和阴极扩散层分别由多孔疏松导电材料组成，例如多孔碳纸材料,阳极扩散层和阴极扩散层分别将燃料流体和氧化气体从流场的流道中均匀扩散到电解质膜催化层的两侧表面上，使燃料流体和氧化气体分别与阳极催化剂层和阴极催化剂层接触。
阳极极板的第一表面与膜电极组件的阳极扩散层接触，在第一表面中形成与燃料流体通道连接且横向延伸的流场流道，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场流道。阳极极板的流场流道将燃料流体传送至膜电极组件的第一表面。阴极极板的第一表面与膜电极组件的阴极扩散层接触，在第一表面中形成与氧化气体通道连接且横向延伸的流场，在与第一表面彼此相对的第二表面中形成有与冷却介质通道连接且横向延伸的流场。阴极极板的流场流道将氧化气体传送至膜电极组件的第二表面。
在膜电极组件的阳极侧，燃料流体在膜电极组件的阳极催化剂层上通过电化学反应产生阳离子和电子，阳离子经由电解质膜迁移至阴极侧催化剂层，电子则经由阳极扩散层传导至阳极极板，然后经由外部电路从阳极侧传送至阴极侧，之后电子经由阴极极板传导至阴极扩散层，然后传导至阴极催化剂层，氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成形成阴离子，阴离子又与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成电流回路。
第一电流集流体132与重复部件133的阳极极板彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阳极侧的导电路径。第二电流集流体134与重复部件133的阴极极板彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阴极侧的导电路径。第一电流集流体132和第二电流集流体134，可使用紫铜板、 铝等导电性强的材料制成。在该实施例中，重复部件133的阳极极板和阴极极板兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用，从而可以生产简化燃料电池的结构且减小燃料电池的体积。
第一绝缘板131位于第一电流集流体132和第一端板110之间，第二绝缘板135位于第二电流集流体134和第二端板120之间，从而将重复部件和电流集流体与第一端板110和第二端板120彼此隔离。在燃料电池100包括多个重复部件的情形下，多个重复部件堆叠在第一电流集流体132和第二电流集流体134之间。第一绝缘板131和第一电流集流体132的侧边部分分别形成有多个开口，与重复部件133的侧边部分的多个开口对齐，共同形成燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道。
燃料电池100进一步包括与第一端板110和第二端板120形成夹持装置的两个张力板140。两个张力板140位于燃料电池100的相对侧面，分别包括下凸缘141和上凸缘142。张力板140的下凸缘141与第一端板110的底面边缘接触，上凸缘142与第二端板120的顶面边缘接触，从而形成夹持装置，利用张力板140的上下凸缘向第一端板和第二端板施加压力，将第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件133、第二电流集流体134、第二绝缘板135固定在一起。优选地，张力板140的上凸缘142具有多个螺孔143，采用穿过多个螺孔143的螺栓向第二端板120的表面施加附加的压力。优选地，在堆叠的各层之间设置密封垫，从而在固定堆叠各层的同时形成堆叠各层的密封。
在该实施例中，第一端板110兼用作配流装置。在第一端板中形成用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管。在第一端板110和第二端板120固定在一起的情形下，第一端板110中的第一对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的燃料流体通道对齐，第一端板110中的第二对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的氧化气体通道对齐，第一端板110中的第三对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的冷却介质通道对齐。第一端板110的端面上形成第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的侧开口端。
燃料电池100进一步与第一端板110的端面连接的两个接口板150。两个接口板150分别包括用于连接多个外部管路的多个管路接口。接口板150中的多个管路接口的开口端与第一端板110中的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。
根据第一实施例的燃料电池100，第一端板110不仅作为配流装置的部件，而且兼用作夹持装置的部件，张力板140不仅用于燃料电池100的侧面保护部件，而且兼用作夹持装置的部件，利用张力板的上下凸缘向第一端板110和第二端板120施加压力以固定燃料电池100的内部堆叠层，起到紧固作用。此外，重复部件133的双极板兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用。因此，根据第一实施例的燃料电池100可以减少燃料电池100中的部件数量。由于燃料电池100的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池100可以减小燃料电池100的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池100的小型化以及提高可靠性。
如下文所述，本发明人进一步对配流装置的歧管结构进行了优化设计，以进一步提高燃料电池100的大电流持续放电能力，提升电池堆的功率密度。
<第二实施例>
图3和4分别示出根据本发明第二实施例的燃料电池的分解状态和组装状态的立体结构示意图。燃料电池200包括彼此相对的第一端板210和第二端板220，在二者之间依次堆叠第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件（repeat part）133、第二电流集流体134、第二绝缘板135。如下文所述，第一端板210兼用作配流装置，用于向重复部件133中的膜电极组件分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。
根据第二实施例的燃料电池200中的第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件（repeat part）133、第二电流集流体134、第二绝缘板135，均与第一实施例的燃料电池100中的相应部件结构相同，因此，不再详述。
燃料电池200的第一端板210和第二端板220形成夹持装置。第一端板210的侧壁形成有横向延伸的凸台211，多个螺孔212贯穿凸台211。第二端板220的侧壁形成有横向延伸的凸台221，多个螺孔222贯穿凸台221。第一端板210中的多个螺孔212与第二端板220中的多个螺孔222彼此相对，采用穿过多个螺孔212和222的螺栓224固定第一端板210和第二端板220，提供第一端板210和第二端板220之间的夹持力。该夹持装置将第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件（repeat part）133、第二电流集流体134、第二绝缘板135固定在一起。优选地，在堆叠的各层之间设置密封垫，从而在固定堆叠各层的同时形成堆叠各层的密封。
在该实施例中，第一端板210兼用作配流装置。在第一端板中形成用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管。在第一端板210和第二端板220固定在一起的情形下，第一端板210中的第一对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的燃料流体通道对齐，第一端板210中的第二对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的氧化气体通道对齐，第一端板210中的第三对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件中的冷却介质通道对齐。第一端板210的端面上形成第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的侧开口端。
燃料电池200进一步与第一端板210的端面连接的两个接口板150。两个接口板150分别包括用于连接多个外部管路的多个管路接口。接口板150中的多个管路接口的内开口端与第一端板210中的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。
根据第二实施例的燃料电池200，第一端板210不仅作为配流装置的部件，而且兼用作夹持装置的部件，第一端板210和第二端板220兼用作夹持装置的部件，利用第一端板210和第二端板220施加压力以固定燃料电池200的内部堆叠层。此外，重复部件133的双极板兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用。因此，根据第二实施例的燃料电池200可以省去张力板，从而进一步减少燃料电池200中的部件数量。由于燃料电池200的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池200可以减小燃料电池200的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池200的小型化以及提高可靠性。如下文所述，本发明人进一步对配流装置的歧管结构进行了优化设计，以进一步提高燃料电池200的性能。
<第三实施例>
图5和6分别示出根据本发明第三实施例的配流装置的立体结构图和俯视图。图7a和7b分别示出沿图6中线AA截取的剖面图和剖视图；图8a和8b分别示出沿图6中线BB截取的剖面图和剖视图。在图1所示的第一实施例中，第一端板110整体兼用作配流装置300。在图2所示的第二实施例中，第二端板210的主体用作配流装置300。
配流装置300用于将外部管路提供的反应物和冷却介质均匀地供给重复部件。配流装置300包括大致长方体形状的端板301。在端板301的内部形成多个歧管，包括用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管310、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管320、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管330。在燃料电池的组装状态中，端板301中的第一对歧管310的顶开口端与重复部件133的燃料流体通道对齐，端板301中的第二对歧管320的顶开口端与重复部件133的氧化气体通道对齐，端板301中的第三对歧管330的顶开口端与重复部件133的冷却介质通道对齐。进一步地，在燃料电池的组装状态中，端板301中的第一对歧管310的侧开口端与接口板中的燃料流体管路接口对齐，端板301中的第二对歧管320的侧开口端与接口板中的氧化气体管路接口对齐，端板301中的第三对歧管330的侧开口端与接口板中的冷却介质管路接口对齐。
第一对歧管310中的每个歧管包括横向延伸（即，垂直于燃料电池的堆叠方向）且具有侧开口端的主通道311，以及纵向延伸（即，沿着燃料电池的堆叠方向）且具有顶开口端的多个子通道312。在端板301的内部，主通道311与多个子通道312连通。第二对歧管320中的每个歧管包括横向延伸且具有侧开口端的主通道321，以及纵向延伸且具有顶开口端的多个子通道322，在端板301的内部，主通道321与多个子通道322连通。第三对歧管330中的每个歧管包括横向延伸且具有侧开口端的主通道331，以及纵向延伸且具有顶开口端的多个子通道332，在端板301的内部，主通道331与多个子通道332连通。
在配流装置300中，第一对歧管310、第二对歧管320和第三对歧管330的主通道例如分别具有类似矩形截面的截面形状，且截面尺寸彼此不同。第二对歧管320的主通道321的截面尺寸例如是第一对歧管310的主通道311的截面尺寸的2-20倍，第三对歧管330的主通道331的截面尺寸例如是第一对歧管310的主通道311的截面尺寸的2-8倍。
进一步地，第一对歧管310、第二对歧管320和第三对歧管330的主通道分布在两个层面中。如图所示，在上部层面中，第一对歧管310的两个主通道311与第三对歧管330的两个主通道331并排排列，并且，第一对歧管310的两个主通道311分布于第三对歧管330的两个主通道331的外侧。在下部层面中，第二对歧管320的两个主通道321并排排列。
进一步地，第一对歧管310、第二对歧管320和第三对歧管330的顶开口端分布于端板301的表面上。在端板301的表面的一侧，第一对歧管310、第三对歧管330和第二对歧管320的流出通道（即，从配流装置300流向第一绝缘板131、第一电流集流体132及重复部件133）的顶开口端依次排列。在端板301的表面的另一侧，第二对歧管320、第三对歧管330和第一对歧管310的流入通道（即，从重复部件133流向第一电流集流体132、再流向第一绝缘板131，最后流向配流装置300）的顶开口端依次排列。第一对歧管310、第三对歧管330和第二对歧管320的流出通道的顶开口端和流入通道的顶开口端形成一个分配单元，用于向重复部件133供给反应物和冷却介质。因此，第一对歧管310、第二对歧管320和第三对歧管330的顶开口端的位置和形状与重复部件中的反应物通道和冷却介质通道的位置和截面形状大致相同。根据燃料电池的功率需求，在重复部件中可以包含1-15个重复单元，配流装置300中包含相应数量的分配单元。
第一对歧管310的多个子通道312沿着主通道311的延伸方向周期性地连接主通道311，从而实现多个子通道312与主通道311之间的连通。第三对歧管330的多个子通道332沿着主通道331的延伸方向周期性地连接主通道331，从而实现多个子通道332与主通道331之间的连通。第二对歧管320的子通道与主通道的连接位置均位于主通道的顶部。
第一对歧管310、第二对歧管320和第三对歧管330各自的顶开口端尺寸可以大于、等于或小于主通道的截面尺寸。优选地，第一对歧管310和第三对歧管330的顶开口端尺寸大于主通道的截面尺寸，第二对歧管320的顶开口端尺寸小于主通道的截面尺寸，第一对歧管310和第三对歧管330采用大开口端的歧管可以减小燃料流体和冷却介质的阻力以适应压力变化，从而提高燃料电池的稳定性。
根据第三实施例的配流装置300，采用两层六通道的歧管结构，第三对歧管330位于上层层面，并且与上部层面的第一对歧管310和下部层面第二对歧管320相邻，从而可以最大化冷却介质对端板的冷却能力，使得端板的温度变化梯度更小，温度一致性更好，燃料电池运行环境更稳定，实现了更好的水热管理。进一步地，在配流装置300中，不仅改进了主通道与子通道的连接位置，而且对子通道的顶开口端尺寸进行优化设计以形成直通道，不仅容易加工配流装置的内部通道，而且可以经由配流装置的内部通道将燃料流体和氧化气体顺畅地分配至双极板的燃料流体通道和氧化气体通道中，提高反应物分布均匀性从而提高放电性能。
<第四实施例>
图9示出根据本发明第四实施例的配流装置从端面观察的侧视图。图10a和10b分别示出在图9所示的配流装置两个端面连接的接口板的立体示意图。
配流装置400用于将外部管路提供的反应物和冷却介质均匀地供给重复部件。配流装置400包括大致长方体形状的端板401。在端板401的内部形成多个歧管，包括用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管410、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管420、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管430。
接口板250和350分别连接在端板401的相对端面上。接口板250包括用于连接用于流入和流出燃料流体的外部管路的接口251。接口板250的接口251与端板401中的第一对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。接口板350包括用于连接用于流入和流出氧化气体的外部管路的接口351，以及用于连接用于流入和流出冷却介质的外部管路的接口352，接口板350的接口351与端板401中的第二对歧管的开口端彼此对齐，接口352与端板401中的第三对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。
根据第四实施例的配流装置将第二对歧管420的主通道的截面形状设计为凸字形，以扩大第二对歧管420的主通道的截面尺寸，从而进一步改善氧化气体的供给，以提高燃料电池的放电性能。进一步地，在配流装置的端板两端设置外部管路的接口，有利于燃料电池的小型化和改善兼容性，即燃料电池可以适配不同尺寸的外部管路。
图11示出根据本发明第一实施例的燃料电池在不同反应物计量比下的放电曲线。从图中所示的实际测量数据可以得出：
1）在反应物计量比发生变化时，燃料电池放电性能变化较小，说明反应物进出口通道可以很好地实现反应物的均匀分配。
2）通过实际测试，在活性面积超过两百平方厘米的燃料电池堆上，电池在2.0A/cm2的放电电流密度下，单电池电压达到0.628～0.641V；放电电流密度达2.5A/cm2时，单电池电压0.598～0.612V；放电电流密度达3.0A/cm2时，单电池电压仍有0.567～0.587V。燃料电池堆的大电流放电性能得到很大改善。
根据本发明的上述实施例的燃料电池可以应用于电动车辆中，由于燃料电池功率密度高、大电流放电性能好，可提高车辆的动力性能、燃料利用效率和续航里程。
在上述的实施例中，描述了燃料电池100包括彼此相对的第一端板110和第二端板120，在二者之间依次堆叠第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件（repeat part）133、第二电流集流体134、第二绝缘板135。燃料电池100的电池堆例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件133以提高输出电压。在替代的实施例中，燃料电池的重复部件133中的双极板可以兼作集流体，重复部件133中的密封垫可以兼作绝缘板，从而可以省去第一绝缘板131、第一电流集流体132、第二电流集流体134、第二绝缘板135中的至少一个，从而进一步减少燃料电池100中的部件数量。由于燃料电池100的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池100可以减小燃料电池100的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池100的小型化并进一步提升功率密度。
应当说明的是，在本发明的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (17)

1.一种用于燃料电池的配流装置，包括：
第一端板；以及
在所述第一端板中形成的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别包括横向延伸且具有侧开口端的主通道，以及纵向延伸且具有顶开口端的多个子通道，
其中，所述第一对歧管的主通道和所述第三对歧管的主通道位于所述第一端板的上部层面，所述第二对歧管的主通道位于所述第一端板的下部层面，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别用于分配燃料流体、氧化气体和冷却介质，
所述第二对歧管的所述多个子通道在所述第二对歧管的主通道的顶部与之连接。
2.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第一对歧管的所述多个子通道周期性地连接相应的主通道，所述第三对歧管的所述多个子通道周期性地连接相应的主通道。
3.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第一对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸大于所述第一对歧管的所述主通道的截面尺寸，所述第二对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸小于所述第二对歧管的所述主通道的截面尺寸，所述第三对歧管的所述多个子通道的顶开口端尺寸大于所述第三对歧管的所述主通道的截面尺寸。
4.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第二对歧管的主通道的截面尺寸为所述第一对歧管的主通道的截面尺寸的2-20倍，所述第三对歧管的主通道的截面尺寸为所述第一对歧管的主通道的截面尺寸的2-8倍。
5.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的顶开口端分布于所述端板的表面上以形成至少一个分配单元。
6.根据权利要求5所述的配流装置，其中，所述至少一个分配单元包括1-15个分配单元。
7.根据权利要求5所述的配流装置，其中，所述至少一个分配单元分别包括在所述端板的表面一侧依次排列的所述第一对歧管、所述第三对歧管和所述第二对歧管的第一组顶开口端，以及在所述端板的表面另一侧依次排列的所述第二对歧管、所述第三对歧管和所述第一对歧管的第二组顶开口端，所述第一组顶开口端分别流出所述燃料流体、所述冷却介质和所述氧化气体，所述第二组顶开口端分别流入所述氧化气体、所述冷却介质和所述燃料流体。
8.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第一对歧管和所述第三对歧管各自的主通道分别具有大致矩形的截面形状，所述第二对歧管的主通道具有凸字形的截面形状。
9.根据权利要求1所述的配流装置，其中，所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管各自的主通道分别具有大致矩形的截面。
10.一种燃料电池，包括：
重复部件，所述重复部件包括阳极极板、阴极极板以及夹在二者之间的膜电极组件，在所述重复部件的侧边部分形成沿堆叠方向延伸的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道；以及
根据权利要求1至9中任一项所述的配流装置，
其中，所述配流装置的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管分别与所述重复部件的燃料流体通道、氧化气体通道和冷却介质通道彼此连通。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的顶开口端的位置和形状与所述重复部件的所述燃料流体通道、所述氧化气体通道和所述冷却介质通道的位置和截面形状大致相同。
12.根据权利要求10所述的燃料电池，还包括：
在所述重复部件的第一表面依次堆叠的第一电流集流体和第一绝缘板；
在所述重复部件的第二表面依次堆叠的第二电流集流体和第二绝缘板；以及
第二端板，所述第一端板和所述第二端板夹持所述重复部件、以及所述第一电流集流体、所述第二电流集流体、所述第一绝缘板、所述第二绝缘板，
其中，所述第一绝缘板夹在所述第一端板和所述第一电流集流体之间，所述第二绝缘板夹在所述第二端板和所述第二电流集流体之间，所述燃料流体通道、所述氧化气体通道和所述冷却介质通道沿着堆叠方向穿过所述第一电流集流体和所述第一绝缘板。
13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管各自的顶开口端形成至少一个分配单元，所述配流装置中的所述至少一个分配单元分别向所述重复部件中的相应发电单元供给燃料流体、氧化气体和冷却介质。
14.根据权利要求12所述的燃料电池，还包括：
第一张力板和第二张力板，位于所述燃料电池的相对侧面，并且分别包括下凸缘和上凸缘，
其中，所述第一张力板和第二张力板的下凸缘分别与所述第一端板的底面边缘接触，第一张力板和第二张力板的上凸缘分别与所述第二端板的顶面边缘接触，从而采用所述下凸缘向所述第一端板的底面施加压力，以及采用所述上凸缘向所述第二端板的顶面施加压力，以提供所述第一端板和第二端板之间的夹持力。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述第一张力板和第二张力板的上凸缘还包括多个螺孔，采用穿过所述多个螺孔的螺栓向所述第二端板的顶面施加附加压力。
16.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，所述第一端板的侧壁形成有横向延伸的多个第一凸台，所述第二端板的侧壁形成有横向延伸的多个第二凸台，采用穿过所述多个第一凸台和所述多个第二凸台的多个螺孔的多个螺栓固定所述第一端板和所述第二端板，以提供所述第一端板和第二端板之间的夹持力。
17.根据权利要求12所述的燃料电池，还包括：
第一接口板和第二接口板，位于所述第一端板的相对端面，并且分别包括用于连接多个外部管路的多个接口，
其中，所述第一接口板和所述第二接口板中的所述多个接口的内开口端与所述配流装置中的所述第一对歧管、所述第二对歧管和所述第三对歧管的多个侧开口端分别对齐以实现彼此连通。
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