CN111244523A - 一种用于燃料电池电堆的歧管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于燃料电池电堆的歧管装置，包括上下对称设置的进气歧管和排气歧管，进气歧管的入口与排气歧管的出口分别位于电堆左右两侧，进气歧管的底部均匀间隔设有多个进气口，分别与电堆内各个单元电池的进气口相对应，排气歧管的顶部均匀间隔设有多个排气口，分别与电堆内各个单元电池的排气口相对应，进气歧管内部设有匀气装置，调整各个单元电池的进气均匀性，本发明可以有效提高进入各单元电池内反应气体流量分配的均匀性。

Description

一种用于燃料电池电堆的歧管装置
技术领域
本发明属于燃料电池电堆的技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池电堆的歧管装置。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料中的化学能转化成电能的发电装置，以其能量转换效率高、可靠性高、环境友好、噪音低、工作温度低广以及寿命长等突出等优点，可作为多种运输交通工具的主要动力源。为满足使用功率要求，通常将一定数量的单元电池进行串联组装成电堆，以保证有足够的输出功率。
燃料电池进出气歧管分别负责将外部供入的流体分配至每个单元电池进行反应，以及将反应剩余的气体进行收集并排出电堆。燃料电池歧管受流动阻力、节流等因素影响,电堆中每个电池单元的进气压力和进气量都难以保证均匀,由此产生的问题是电池单元之间的性能存在差异,进气量不充分的电池单元性能较低，进气量过多的电池单元由于气体过于富裕造成了气体浪费，导致电堆输出功率降低。
目前现有的燃料电池电堆歧管，反应气体流经电堆内每片单元电池的流量均匀性不够理想，两端的电池单元气体流量差异较大。采用渐缩型歧管，虽然气体的均匀性略微得到改善，但效果不足以满足大幅提升气体分配均匀性的目的，此外也造成了双极板尺寸存在差异，不便于批量化生产。基于这些存在的问题，有必要发明一种新的燃料电池歧管，以改善燃料电池电堆内各单元电池气体分配均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于燃料电池电堆的歧管装置，对进气歧管进行优化设计，可以有效地提升进气分配均匀性，从而提高燃料电池电堆的体积功率密度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于燃料电池电堆的歧管装置，包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管及排气歧管上下对称设置，进气歧管的入口与排气歧管的出口分别位于电堆左右两侧，进气歧管的底部均匀间隔设有多个进气口，分别与电堆内各个单元电池的进气口相对应，排气歧管的顶部均匀间隔设有多个排气口，分别与电堆内各个单元电池的排气口相对应，其特征在于，进气歧管内部设有匀气装置，调整各个单元电池的进气均匀性。
按上述方案，所述匀气装置为堵块，所述堵块设于所述进气歧管内腔。
按上述方案，所述堵块由多孔材料制成，填充整个所述进气歧管的内腔，堵块的孔隙率沿进气方向递减。
按上述方案，所述堵块由多孔材料制成，堵块厚度沿进气方向递增，孔隙率均匀。
按上述方案，所述堵块由多个子块沿进气方向均匀间隔排列组成，堵块高度沿进气方向递增。
按上述方案，所述子块由前、后固定板及圆柱块组成，所述前、后固定板的内侧面上对称设有数对卡凸，所述圆柱块水平设置，两端分别通过前、后固定板上的卡凸卡合定位，所述前、后固定块的尺寸与所述进气歧管的内腔相配置，与进气歧管间隙配合安装，多个子块上的圆柱块数量沿进气方向递增。
按上述方案，所述堵块进行疏水处理。
按上述方案，所述堵块由表面阻力小的绝缘材料制成。
按上述方案，所述进气歧管和排气歧管均为矩形结构的方管。
本发明的有益效果是：本发明提供一种用于燃料电池电堆的歧管装置，在进气歧管内部空腔中设置堵块，通过孔隙率或堵块高度来调节点对中各个电池单元的气体分配均匀性，使每片电池通过的进气量保持在同等水平，达到提升整体性能的目的，从而提高燃料电池电堆的体积功率密度，充分发挥每一片电池单元的性能。
附图说明
图1为本发明一个实施例的总体布置示意图。
图2为本发明一个实施例的进气歧管与常规进气歧管的进气均匀性对比图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种用于燃料电池电堆的歧管装置，包括进气歧管1和排气歧管2，进气歧管及排气歧管上下对称设置，进气歧管的入口5与排气歧管的出口6分别位于电堆3左右两侧，进气歧管的底部均匀间隔设有多个进气口，分别与电堆内各个单元电池4的进气口相对应，排气歧管的顶部均匀间隔设有多个排气口，分别与电堆内各个单元电池的排气口相对应，进气歧管是指由多个燃料电池单元上的进气口组合而成的歧管，排气歧管是指由多个燃料电池单元上的排气口组合而成的歧管。进气歧管内部设有匀气装置，调整各个单元电池的进气均匀性。进气歧管将外部供应的反应气体分配至电堆内部各单元电池内；匀气装置可提高进入分配至各单元电池气体的均匀性；排气歧管收集各单元电池排出的尾气并运送至电堆外部。
匀气装置为堵块7，堵块设于进气歧管内腔。
实施例一
堵块由多孔材料制成，填充整个所述进气歧管的内腔，堵块的孔隙率沿进气方向递减。
燃料气体由进气歧管入口进入电堆，气体流经堵块时，通过孔隙率大小不同的调节，使得通过靠近入口处的电池单元的气体流量与远离入口处电池单元的气体流量大小发生不同的变化，使原本分配气体流量均匀性较差的矩形管道进气管改善其气体分配性能，提高流量均匀性，提高了整体电池电堆的性能及使用寿命。
实施例二
堵块由多孔材料制成，堵块厚度沿进气方向递增，孔隙率均匀。
利用3D打印技术，可以实现梯形或三角形结构的渐变厚度的多孔材料堵块成形，在进气歧管气量较大的位置加大多孔材料的厚度，在进气歧管气量较小的位置减少多孔材料的厚度。
堵块的孔隙率均匀一致，通过堵块厚度不同的调节，实现改善进气歧管的气体分配性能。
实施例三
堵块由多个子块沿进气方向均匀间隔排列组成，堵块高度沿进气方向递增。
子块由前、后固定板及圆柱块组成，前、后固定板的内侧面上对称设有数对卡凸，圆柱块水平设置，两端分别通过前、后固定板上的卡凸卡合定位，前、后固定块的尺寸与进气歧管的内腔相配置，与进气歧管间隙配合安装，多个子块上的圆柱块数量沿进气方向递增。前、后固定板的厚度尽可能小，与圆柱块形成整体后再嵌入进气歧管内腔，安装稳固，不会因气体流动的影响改变位置。
堵块进行疏水处理，避免液态水在装置内粘滞而影响电堆性能。并采用表面阻力小的绝缘材料，避免发生短路。
进气歧管和排气歧管均为矩形结构的方管。
由于在进气歧管已经设置了堵块作为匀气装置，很大程度上改善了气体分配均匀性，无需在排气歧管处添加类似装置，可降低成本，减小压降，且能保证反应的水气能够顺利排出电堆。
可同时用于氢气和空气歧管内，冷却水歧管同样可用，只是装置的具体规格需要适当调整。
通过对一个设计功率为10kW，含50个电池单元的电堆常规歧管以及添加了堵块的模型分别进行仿真计算(见图2)。在常规歧管中流量较大的电池单元对应的区域增加堵块，同时根据歧管的长度有规律的进行排列，在气体流量较大的电池单元对应的进气管位置(靠近进气歧管末端)增加较多数量的堵块，在气体流量较小的电池单元对应的进气管位置(靠近进气歧管入口处)添加较少的堵块或者不安装堵块。经仿真结果可以证明此方法可以有效改善不同电池单元之间气体流量的均匀性，且与常规模型相比，添加了多孔进气歧管装置后压力仅升高了8.3％。由此说明，本发明具有很大的实用价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池电堆的歧管装置，包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管及排气歧管上下对称设置，进气歧管的入口与排气歧管的出口分别位于电堆左右两侧，进气歧管的底部均匀间隔设有多个进气口，分别与电堆内各个单元电池的进气口相对应，排气歧管的顶部均匀间隔设有多个排气口，分别与电堆内各个单元电池的排气口相对应，其特征在于，进气歧管内部设有匀气装置，调整各个单元电池的进气均匀性。
2.根据上述权利要求1所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述匀气装置为堵块，所述堵块设于所述进气歧管内腔。
3.根据上述权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述堵块由多孔材料制成，填充整个所述进气歧管的内腔，堵块的孔隙率沿进气方向递减。
4.根据上述权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述堵块由多孔材料制成，堵块厚度沿进气方向递增，孔隙率均匀。
5.根据上述权利要求2所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述堵块由多个子块沿进气方向均匀间隔排列组成，堵块高度沿进气方向递增。
6.根据上述权利要求5所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述子块由前、后固定板及圆柱块组成，所述前、后固定板的内侧面上对称设有数对卡凸，所述圆柱块水平设置，两端分别通过前、后固定板上的卡凸卡合定位，所述前、后固定块的尺寸与所述进气歧管的内腔相配置，与进气歧管间隙配合安装，多个子块上的圆柱块数量沿进气方向递增。
7.根据上述权利要求3或4或6所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述堵块进行疏水处理。
8.根据上述权利要求7所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述堵块由表面阻力小的绝缘材料制成。
9.根据上述权利要求7所述的一种用于燃料电池电堆的歧管装置，其特征在于，所述进气歧管和排气歧管均为矩形结构的方管。
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