CN112310434B - 燃料电池模块及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，提供一种燃料电池模块及车辆，其中，所述燃料电池模块包括壳体和电堆，所述燃料电池模块中设置有第一对、第二对及第三对流体腔，第一对流体腔位于所述电堆与所述壳体之间，所述第二对和所述第三对流体腔设置在所述电堆中，所述第一对流体腔为氢气入口腔和氢气出口腔、空气入口腔和空气出口腔、冷却介质入口腔和冷却介质出口腔中的一组，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔为另外两组，所述壳体上设置有冷却介质入口接管和冷却介质出口接管。本发明所述的燃料电池模块中，采用冷却介质循环的方式将冷却介质不断地导出、导入，避免出现密封的冷却腔中因冷却介质不能冷凝而缺少冷却介质的问题，保证散热冷却效果。

Description

燃料电池模块及车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池的技术领域，特别涉及一种燃料电池模块及车辆。

背景技术

燃料电池需要为氢气和空气提供循环流路，并且，为了在燃料电池内部形成恒温及接近等温的环境，通常采用冷却液(例如水和乙二醇的混合物)流过燃料电池以带走反应产生的废热。

日本本田汽车公司公开的专利US2007154757A1中，燃料电池被放置在密封壳体中，密封壳体中容纳有低沸点的冷却液，燃料电池浸入在冷却液中，燃料电池的上部设置有冷凝器，冷却液吸收燃料电池的热量沸腾后上升到冷凝器处，冷凝器将沸腾的气态冷却液冷凝为液态而回落到下部继续对燃料电池进行冷却。然而，为了保证冷却液在普通的环境下可以沸腾，一般选择沸点为10℃至25℃的冷却液，这导致在极端温度环境下(高温天气)，冷却液始终保持为气态而不能冷凝为液态，冷却效果大打折扣。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池模块，以解决燃料电池中冷却剂无法冷凝而失效的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池模块，其中，所述燃料电池模块包括壳体和设置在所述壳体中的电堆，所述燃料电池模块中设置有均通过所述电堆连通的第一对流体腔、第二对流体腔以及第三对流体腔，所述第一对流体腔分别位于所述电堆与所述壳体之间，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔设置在所述电堆中，所述第一对流体腔为氢气入口腔和氢气出口腔、空气入口腔和空气出口腔、冷却介质入口腔和冷却介质出口腔中的一组，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔为氢气入口腔和氢气出口腔、空气入口腔和空气出口腔、冷却介质入口腔和冷却介质出口腔中的另外两组，所述壳体上设置有与所述冷却介质入口腔连通的冷却介质入口接管以及与所述冷却介质出口腔连通的冷却介质出口接管。

进一步的，所述燃料电池模块中的冷却介质的沸点高于所述燃料电池模块的额定运行温度。

进一步的，所述第一对流体腔位于所述电堆的两侧，所述壳体设置有与所述第一对流体腔连通的入口接管和出口接管。

进一步的，所述壳体的两个侧壁分别相对于所述电堆的两侧成角度地倾斜，其中一个所述第一对流体腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐减小，另一个所述第一对流体腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐增加。

进一步的，所述壳体的顶壁与所述电堆之间以及所述壳体的底壁与所述电堆之间均设置有密封垫片。

进一步的，所述第一对流体腔为冷却介质入口腔和冷却介质出口腔，所述第二对流体腔为空气入口腔和空气出口腔，所述第三对流体腔为氢气入口腔和氢气出口腔。

进一步的，所述空气入口腔和所述氢气出口腔位于所述电堆顶部，所述空气出口腔和所述氢气入口腔位于所述电堆底部，所述空气入口腔和所述空气出口腔在水平方向错开，所述氢气入口腔和所述氢气出口腔在水平方向错开。

进一步的，所述第一对流体腔为空气入口腔和空气出口腔，所述第二对流体腔为氢气入口腔和氢气出口腔，所述第三对流体腔为冷却介质入口腔和冷却介质出口腔。

进一步的，所述冷却介质出口腔和所述氢气出口腔位于所述电堆顶部，所述冷却介质入口腔和所述氢气入口腔位于所述电堆底部，所述空气入口腔和所述空气出口腔在水平方向错开，所述氢气入口腔和所述氢气出口腔在水平方向错开。

相对于现有技术，本发明所述的燃料电池模块具有以下优势：

本发明所述的燃料电池模块中，将三对流体腔中的一组设置在壳体与电堆之间，充分利用电堆与壳体间的空间，节省了电堆中的空间，优化了电池模块中的空间布局，便于更灵活地进行安装结构排布，并且采用冷却介质循环的方式将冷却介质不断地导出、导入，以冷却介质流动的方式进行传热冷却而不需要冷却介质不断地蒸发、冷凝，因此避免了密封的冷却腔中因冷却介质不能冷凝而缺少冷却介质的问题，在将燃料电池安装于车辆后，也可以利用车辆状况的散热器对燃料电池进行散热处理，进一步保证散热冷却效果。

本发明的另一目的在于提出一种车辆，以解决燃料电池中冷却剂无法冷凝而失效的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种车辆，其中，所述车辆设置有以上方案所述的燃料电池模块。

所述车辆与上述燃料电池模块相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的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方式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为本发明一种实施方式所述的燃料电池模块的内部结构示意图；

图2为本发明另一种实施方式所述的燃料电池模块的内部结构示意图。

附图标记说明：

1-壳体，2-电堆，3-冷却介质入口腔，4-冷却介质出口腔，5-氢气入口腔，6-氢气出口腔，7-空气入口腔，8-空气出口腔，9-入口接管，10-出口接管，11-密封垫片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

本发明提供了一种燃料电池模块，其中，所述燃料电池模块包括壳体1和设置在所述壳体1中的电堆2，所述燃料电池模块中设置有均通过所述电堆2连通的第一对流体腔、第二对流体腔以及第三对流体腔，所述第一对流体腔分别位于所述电堆2与所述壳体1之间，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔设置在所述电堆2中，所述第一对流体腔为氢气入口腔5和氢气出口腔6、空气入口腔7和空气出口腔8、冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4中的一组，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔为氢气入口腔5和氢气出口腔6、空气入口腔7和空气出口腔8、冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4中的另外两组，所述壳体1上设置有与所述冷却介质入口腔3连通的冷却介质入口接管以及与所述冷却介质出口腔4连通的冷却介质出口接管。

燃料电池模块包括壳体1及位于其中的电堆2，电堆2与壳体1之间设置有一对流体腔，即第一对流体腔，电堆2内部设置有两对流体腔，即第二对流体腔和第三对流体腔，每对流体腔均通过电堆2连通，即流体需要流过电堆2，三对流体腔分别为氢气入口腔5和氢气出口腔6、空气入口腔7和空气出口腔8、冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4，分别设置在电堆2与壳体1之间及电堆2之中。

对于壳体1来说，为了增加其整体强度，避免出现弯曲、变形，可在以壳体1的内表面上设置沿多个方向延伸的加强筋，当然，也可以在壳体1的外表面上设置沿多个方向延伸的加强筋，从而提高对外部压力的抵抗作用。

本发明中，鉴于电堆内部的空间有限，于是将三组流体腔中的一对设置在壳体1与电堆2之间，充分地利用了本来就不可避免地要求密封的壳体，可以优化燃料电池模块中的空间，允许灵活的结构设计及安装布局，便于保证燃料电池模块的温度均匀性，降低了电池中的温度梯度，显著降低了燃料电池的设计成本、材料成本、加工成本、故障率、故障间接损失、质量控制成本。

另外，现有的燃料电池中，电堆位于冷却剂中，冷却剂吸热蒸发而上升到上部的冷凝器进行冷却散热，冷却剂散热后冷凝下降到电堆继续对电堆吸热，实现对电堆的冷却保护，但是，在环境温度较高的情况下，可以造成气态冷却剂不能散热冷凝，冷却剂不能回落到电堆附近，严重影响散热。本方案中，在壳体中设置冷却介质入口腔和冷却介质出口腔，并通过冷却介质入口接管和冷却介质出口接管与外部冷却介质循环设备相连，使得冷却介质可以在壳体中形成穿过电堆的强制循环流，保证电堆中始终存在冷却介质，保证散热效率。

其中，所述燃料电池模块中的冷却介质的沸点高于所述燃料电池模块的额定运行温度。例如，冷却介质的沸点可以高于燃料电池模块的运行温度5-10度，避免冷却介质沸腾、汽化，使得冷却介质更多地保持为液态，而形成稳定地穿过电堆的冷却介质流。

可选择的，所述第一对流体腔位于所述电堆2的两侧，所述壳体1设置有与所述第一对流体腔连通的入口接管9出口接管10。参考图1和图2所示，位于电堆2与壳体1之间的流体腔位于电堆2的两侧，例如，空气入口腔7和空气出口腔8，或者，冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4，使得空气或冷却介质可以大致沿直线方向穿过电堆2。通过入口接管9和出口接管10，可以将第一对流体腔的入口腔和出口腔连接于外部流体循环设备，例如，冷却介质、空气循环设备等。另外，壳体1的侧壁上可以设置与电堆2中的第二对流体腔、第三对流体腔分别连通的接管件，从而可以连接于对应的流体供应设备，实现循环。入口接管9和出口接管10可以分别为所述冷却介质入口接管和冷却介质出口接管，当然，也可以连通于氢气入口腔5和氢气出口腔6，或者连通于空气入口腔7和空气出口腔8。

进一步的，所述壳体1的两个侧壁分别相对于所述电堆2的两侧成角度地倾斜，其中一个所述第一对流体垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐减小，另一个所述第一对流体垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐增加。参考图1和图2所示，第一对流体腔的入口腔的截面为顶角向上的三角形，出口腔的截面为顶角向下的三角形，入口腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐减小，而出口腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐增加。不进入入口腔的流体为液态时，其在向上流动时不断地进入电堆2中，因此，到达上部的流体相对较少，入口腔上部的流通面积可以相对较小，而在出口腔中，流体不断地从电堆2中流出，并向上流动，使得上部的流体流量更大，需要更大的流通面积。下大上小的入口腔和下小上大的出口腔可以适应流体的特性，特别是液态流体的特征，节省空间，避免不必要的材料、空间浪费。

另外，所述壳体1的顶壁与所述电堆2之间以及所述壳体1的底壁与所述电堆2之间均设置有密封垫片11。第二对流体腔和第三对流体腔设置在电堆2中，为了避免其中的流体向壳体1的顶壁和底壁扩散、泄漏，可以在壳体1的顶壁、底壁与电堆2之间设置密封垫片。

根据本发明的一种实施方式，所述第一对流体腔为冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4，所述第二对流体腔为空气入口腔7和空气出口腔8，所述第三对流体腔为氢气入口腔5和氢气出口腔6。参考图1，冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4分别位于壳体1和电堆2之间，且可以位于电堆2的两侧，空气入口腔7和空气出口腔8、氢气入口腔5和氢气出口腔6均设置在电堆2之中。如上所述，入口接管9位于壳体1的底壁上，出口接管10位于顶壁上，以适应液态流体特性。

进一步的，所述空气入口腔7和所述氢气出口腔6位于所述电堆2顶部，所述空气出口腔8和所述氢气入口腔5位于所述电堆2底部，所述空气入口腔7和所述空气出口腔8在水平方向错开，所述氢气入口腔5和所述氢气出口腔6在水平方向错开。也就是说，空气从电堆2上部进入，向下穿过电堆2后，到达下部的空气出口腔8而排出，而氢气从电堆2的下部进入，向上穿过电堆2后，到达上部的氢气出口腔6而排出，作为电池的两种反应燃料，空气与氢气沿大致相反的方向在电堆2中流动。另外，空气入口腔7和空气出口腔8在水平方向上错开，使得来自空气入口腔7的空气尽量地流经整体电堆2后到达空气出口腔8，类似的，氢气入口腔5和氢气出口腔6也在水平方向上错开。

根据本发明的另一种实施方式，所述第一对流体腔为空气入口腔7和空气出口腔8，所述第二对流体腔为氢气入口腔5和氢气出口腔6，所述第三对流体腔为冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4。参考图2，空气入口腔7和空气出口腔8位于壳体1和电堆2之间，并且位于电堆2的两侧，使得空气可以从电堆2的一侧穿过电堆2到达另一侧，氢气入口腔5和氢气出口腔6、冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4均设置在电堆2中。其中，入口接管9位于壳体1的顶壁上，而出口接管10位于底壁上。

进一步的，所述冷却介质出口腔4和所述氢气出口腔6位于所述电堆2顶部，所述冷却介质入口腔3和所述氢气入口腔5位于所述电堆2底部，所述空气入口腔7和所述空气出口腔8在水平方向错开，所述氢气入口腔5和所述氢气出口腔6在水平方向错开。也就是说，冷却介质从电堆2的下部进入，向上穿过电堆2后到达上部的冷却介质出口腔4而排出，类似的，氢气也从电堆2的下部进入，向上穿过电堆2后到达上部的氢气出口腔6而排出。另外，冷却介质入口腔3和冷却介质出口腔4在水平方向上错开，使得来自冷却介质入口腔3的冷却介质尽量地穿过整个电堆2，类似的，氢气入口腔5和氢气出口腔6也在水平方向上错开。

另外，本发明还提供了一种车辆，其中，所述车辆设置有以上方案所述的燃料电池模块。所述车辆可以为电动车辆，燃料电池模块可以作为其主要的动力电池，当然，燃料电池模块也可以作为车辆电子部件的动力。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种燃料电池模块，其特征在于，所述燃料电池模块包括壳体(1)和设置在所述壳体(1)中的电堆(2)，所述燃料电池模块中设置有均通过所述电堆(2)连通的第一对流体腔、第二对流体腔以及第三对流体腔，所述第一对流体腔分别位于所述电堆(2)与所述壳体(1)之间，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔设置在所述电堆(2)中，所述第一对流体腔为氢气入口腔(5)和氢气出口腔(6)、空气入口腔(7)和空气出口腔(8)、冷却介质入口腔(3)和冷却介质出口腔(4)中的一组，所述第二对流体腔和所述第三对流体腔为所述氢气入口腔(5)和所述氢气出口腔(6)、所述空气入口腔(7)和所述空气出口腔(8)、所述冷却介质入口腔(3)和所述冷却介质出口腔(4)中的另外两组，所述壳体(1)上设置有与所述冷却介质入口腔(3)连通的冷却介质入口接管以及与所述冷却介质出口腔(4)连通的冷却介质出口接管，所述第一对流体腔位于所述电堆(2)的两侧，所述壳体(1)设置有与所述第一对流体腔连通的入口接管(9)和出口接管(10)，所述壳体(1)的两个侧壁分别相对于所述电堆(2)的两侧成角度地倾斜，其中一个所述第一对流体腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐减小，另一个所述第一对流体腔垂直于竖直方向的截面从下向上逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，所述燃料电池模块中的冷却介质的沸点高于所述燃料电池模块的额定运行温度。

3.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，所述壳体(1)的顶壁与所述电堆(2)之间以及所述壳体(1)的底壁与所述电堆(2)之间均设置有密封垫片(11)。

4.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，所述第一对流体腔为冷却介质入口腔(3)和冷却介质出口腔(4)，所述第二对流体腔为空气入口腔(7)和空气出口腔(8)，所述第三对流体腔为氢气入口腔(5)和氢气出口腔(6)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池模块，其特征在于，所述空气入口腔(7)和所述氢气出口腔(6)位于所述电堆(2)顶部，所述空气出口腔(8)和所述氢气入口腔(5)位于所述电堆(2)底部，所述空气入口腔(7)和所述空气出口腔(8)在水平方向错开，所述氢气入口腔(5)和所述氢气出口腔(6)在水平方向错开。

6.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，所述第一对流体腔为空气入口腔(7)和空气出口腔(8)，所述第二对流体腔为氢气入口腔(5)和氢气出口腔(6)，所述第三对流体腔为冷却介质入口腔(3)和冷却介质出口腔(4)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池模块，其特征在于，所述冷却介质出口腔(4)和所述氢气出口腔(6)位于所述电堆(2)顶部，所述冷却介质入口腔(3)和所述氢气入口腔(5)位于所述电堆(2)底部，所述空气入口腔(7)和所述空气出口腔(8)在水平方向错开，所述氢气入口腔(5)和所述氢气出口腔(6)在水平方向错开。

8.一种车辆，其特征在于，所述车辆设置有权利要求1-7中任意一项所述的燃料电池模块。

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