CN113346120B - 一种燃料电池电堆用歧管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池电堆用歧管装置，包括设置在燃料电池电堆上方的进气歧管和设置在燃料电池电堆下方的排气歧管，所述进气歧管内设有进气歧管嵌入体，所述排气歧管内设有排气歧管嵌入体，所述进气歧管嵌入体包括基板和设于基板上阵列分布的仿生结构单元，沿着进气方向基板高度逐渐增大，所述排气歧管嵌入体由若干重复单元相互连接而成，所述重复单元均由三个圆柱体在三维空间内两两相互垂直连接而成，且沿着排气方向厚度逐渐增高。本发明提供的这种燃料电池电堆用歧管装置不仅能改善现有燃料电池电堆内各单元电池中气体分配不均匀的问题，保证各单元电池充分发挥其性能，还能加速反应生成水的排出，避免反应生成水过分聚积损坏歧管装置。

Description

一种燃料电池电堆用歧管装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆用歧管装置。
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，具有比功率和比能量高、性能稳定、低温启动快、低污染、寿命长等优点，被认为是未来最有应用前景的能源装置之一。由于单电池的输出功率较小，不能满足使用功率要求，所以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。而其中燃料电池进气歧管负责将供应的流体分配到电堆中各个单元电池进行反应，排气歧管负责将反应剩余的气体和反应生成的水进行收集并排出。
但在现有燃料电池电堆的歧管中，由于流阻、节流等因素的影响，电堆中的每片单元电池的进气压力和进气量难以保证均匀，造成了现有燃料电池电堆中的各单元电池的输出功率差异较大和反应气体浪费的问题，此外，反应产生的水容易积聚，由此排气歧管还会经常造成水淹，损害电堆材料，影响电堆的正常运行。为了提高燃料电池电堆的体积功率密度，通常会采用渐缩型歧管，虽然可以改善气体分配不均的问题，但是改善的效果不明显，并且因为渐缩型歧管会需要特定尺寸的双极板，所以在批量生产上有一定局限性。此外还有歧管中嵌入堵块的方法，也可以改善气体分配不均的问题，但是还存在着整体进气量不足的问题，不利于各单元电池充分发挥其性能。
发明内容
本发明的主要目的在解决传统燃料电池中进气歧管气体分配不均以及排气歧管容易积水的问题，通过提供一种燃料电池电堆用新型歧管，一方面改善燃料电池电堆内各单元电池的气体分配均匀性，保证每片单元电池充分发挥其性能，另一方面加速反应生成的水的排出，防止排气歧管中反应生成的水过分聚积损坏歧管装置。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种燃料电池电堆用歧管装置，包括设置在燃料电池电堆上方的进气歧管和设置在燃料电池电堆下方的排气歧管，所述进气歧管底部设有与各单元电池对应的进气口，用于将外部供应的反应气体分配至电堆内部各单元电池内，所述进气歧管内设有进气歧管嵌入体，所述进气歧管嵌入体包括基板和仿生结构单元，所述仿生结构单元设置在基板上阵列分布用于分配气流，所述基板固定进气歧管内壁板的顶部，所述仿生结构单元设于基板底部，且沿着进气方向相对于基板高度增大，使得进气歧管嵌入体整体为楔形，所述仿生结构单元包括至少一个正对进气方向的弧形迎流面，通过弧形迎流面使得部分进气流向下转向通过进气口进入相应的单元电池内。
优选的，所述仿生结构单元为四边柱状结构，其顶面采用平滑过渡，形成波浪曲面的弧形迎流面，两侧与基板之间采用曲面平滑过渡，形成过流面，背流面为垂直平面，所述仿生结构单元在基板上按行排列，行的方向与进气方向垂直，相邻两行错开半个仿生结构单元宽度，使得不同行上仿生结构单元交错排列。
优选的，所述排气歧管顶部设有与各单元电池对应的排气口，排气歧管用于收集各单元电池反应生成的水，并排出至电堆外部，所述排气歧管内设有排气歧管嵌入体，所述排气歧管嵌入体沿着排气方向厚度逐渐增大，由于排气歧管中水流能通过的截面积越来越小，使得越往出口处方向，水的流速越快，由此产生一个正向压差，使反应剩余的气体和反应生成的水的排出更加迅速。
优选的，所述排气歧管嵌入体安装固定在排气歧管内壁板的底部，由若干重复单元组成，每个重复单元均由三个圆柱体在中部相连组成，三个圆柱体在三维空间内两两相互垂直，相邻的重复单元之间在圆柱体端部相连，沿着排气方向，重复单元在厚度方向的层数逐渐增多。
优选的，所述进气歧管为矩形截面管道，所述进气歧管嵌入体宽度与进气歧管内宽度匹配，高度渐变；所述排气歧管也为矩形截面管道，同样的，排气歧管嵌入体的宽度与排气歧管内宽度匹配，高度渐变。
优选的，所述进气歧管嵌入体和排气歧管嵌入体均采用绝缘材料制成，并且在表面做疏水处理。
优选的，所述进气歧管及其内进气歧管嵌入体用于氢气进气管、氧气进气管及冷却水进水管；所述排气歧管及其内的排气歧管嵌入体用于氢气排气管、氧气排气管及冷却水出水管。
本发明有益效果是：
本发明提供了一种燃料电池电堆用歧管装置，一方面能改善燃料电池电堆内各单元电池的气体分配均匀性，保证每片单元电池充分发挥其性能，另一方面也加速反应生成的水的排出，能防止排气歧管中反应生成的水过分聚积损坏歧管装置。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置中的进气歧管和排气歧管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置中的进气歧管嵌入体的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置中的仿生结构单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置中的排气歧管嵌入体的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种燃料电池电堆用歧管装置中的重复单元的结构示意图；
图中：2-进气歧管连接孔，3-排气歧管连接孔，4-密封圈，5-进气口，6-排气口，7-进气歧管嵌入体，8-排气歧管嵌入体，9-仿生结构单元，10-重复单元，11-间隙，12-单元电池，13-一号进气歧管入口，14-二号进气歧管入口，15-三号进气歧管入口，16-一号排气歧管出口，17-二号排气歧管出口，18-三号排气歧管出口，19-弧形迎流面，20-背流面，21-氢气进气歧管，22-冷却水进水歧管，23-空气进气歧管，24-氢气排气歧管，25-排水歧管，26-空气排气歧管，27-基板，28-过流面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明提供了一种燃料电池电堆用歧管装置，包括歧管和歧管嵌入体，所述歧管包括包括有进气歧管和排气歧管，所述歧管嵌入体分别为进气歧管嵌入体7和排气歧管嵌入体8，所述进气歧管底部设有与各单元电池12对应的进气口5，用于将外部供应的反应气体分配至电堆内部各单元电池12内；进气歧管内部设置有进气歧管嵌入体7，用于保证中后段的单元电池12可以分配得到更多的反应气体，使各单元电池12分配的气体更加均匀，所述排气歧管顶部设有与各单元电池12对应的排气口6，用于收集各单元电池12反应生成的水并运送至电堆外部，排气歧管内部设置有排气歧管嵌入体8，能使反应剩余的气体和反应生成的水更加迅速的排出。
具体的：
如图1和图2所示，所述歧管包括进气歧管和排气歧管，其中所述进气歧管和排气歧管各有三个且整体结构都为一个矩形管道结构，其中所述三个进气歧管从左至右分别为氢气进气歧管21、冷却水进水歧管22和空气进气歧管23，所述三个排气歧管从左至右分别为空气排气歧管26、排水歧管25和氢气排气歧管24，所述进气歧管的底部壁板上均开有与各单元电池12对应的进气口5，用于垂直向下往单元电池12中分配反应气体和冷却水，所述进气歧管都安装设置在燃料电池电堆上方，通过与电池电堆中单元电池12上的进气歧管连接孔2进行配合连接，并使用密封圈4进行密封来保证其气密性，所述排气歧管的顶部壁板上均开有与各单元电池12对应的排气口6，用于排掉反应尾气和反应生成的水，所述排气歧管都安装设置在燃料电池电堆下方，通过与电池电堆中单元电池12上的排气歧管连接孔3进行配合连接，并使用密封圈4进行密封保证单元电池12之间的气密性，所述的进气歧管进气方向和排气歧管排气方向处于相对平行，进气歧管入口和排气歧管出口位于电池电堆的同侧，使进气管入口处的电池单元优先反应所生成的水和反应剩余气体能够尽快从排气歧管出口处排出，充分利用反应时间快速排出剩余反应气体和反应生成水。
如图3和图4所示，作为一种优选实施例，所述进气歧管嵌入体7嵌入安装在排气歧管内壁板的顶部，其具体尺寸是根据实际的电池电堆的设计而定的，并与进气歧管内宽度匹配，高度渐变，所述进气歧管嵌入体7包括基板27和设于基板27上的仿生结构单元9，所述基板27安装固定在进气歧管内壁板的顶部，所述仿生结构单元9为基板27上的鱼鳞状凸起，采用一体铣削加工而成，所述仿生结构单元9在基板27上按行排列，行的方向与进气方向垂直，相邻两行错开半个仿生结构单元9宽度，使得不同行上仿生结构单元9交错排列，前一行仿生结构单元9之间的空隙对应后一行仿生结构单元9进气歧管入口方向的弧形迎流面19，使得反应气体能够在进气歧管内的流动更加均匀，所述仿生结构单元9为四边柱状结构，其顶面采用平滑过渡，形成波浪曲面的弧形迎流面19，两侧与基板27之间采用曲面平滑过渡，形成过流面28，背流面20为垂直平面。所述进气歧管嵌入体7沿着进气方向相对于基板27高度逐渐增高，使得进气歧管嵌入体7整体为楔形，所述仿生结构单元27包括至少一个正对进气方向的弧形迎流面19，当反应气体进入气歧管通过弧形迎流面19时，能使部分进气流向下转向通过进气口进入相应的单元电池12内，随着越往进气歧管末端方向，弧形迎流面19的高度相对与基板的高度越高，使得反应气体越往进气歧管末端方向流动，弧形迎流面19垂直向下分流的气体也越多，从而保证了原本气流分配较少中后段的单元电池12也能分配得到更多的反应气体。
需要注意的是，在此实施例基础之上，所述进气歧管嵌入体7还可以通过对于楔形弧度的微调，调小进气歧管前半段的楔形弧度并调大进气歧管后半段的楔形弧度，在不影响电堆整体性能的前提下，能使得越接近进气歧管入口处下方单元电池12分配的反应气体会更少，而越接近进气歧管末端处单元电池12剩余的气体会更多。
如图5和图6所示，作为一种优选实施例，所述排气歧管嵌入体8嵌入安装固定在排气歧管内壁板的底部，其具体尺寸是根据实际的电池电堆的设计而定的，并与排气歧管内宽度匹配，高度渐变，所述排气歧管嵌入体8由若干重复单元10组成，每个重复单元10均由三个圆柱体在中部相连组成，三个圆柱体在三维空间内两两相互垂直，相邻的重复单元10之间在圆柱体端部相连，相邻两个重复单元10的竖直圆柱体之间距离大于排气歧管上的排气口的宽度，通过这种宽度及其光滑的表面设计，对排气和排水的阻力很小，故不会引起水的粘滞，仅对排气过程起到整流输送的作用，沿着排气方向，所述重复单元10在厚度方向的层数逐渐增多，使得排气歧管嵌入体8的截面沿歧管末端向出口方向逐渐增高，使得气体流通截面大致呈渐缩状，由此产生一个正向压差，于是囤积在歧管中的生成水和反应气体在向排气歧管出口运动的过程中，其速度呈加速趋势，避免了反应生成的水和反应气体在排气歧管中的堆积。使得每个单元电池内的尾气和水能够迅速排走，降低了损坏歧管装置的风险。
在本实施例中，所述歧管嵌入体可根据实际具体规格需要做适当调整，能同时用于氢气和空气歧管内，冷却水歧管也同样可用，而且所述歧管嵌入体还都采用的是绝缘材料，并对其表面进行了疏水处理，不仅能保障设备安全而且阻力小，提高了单元电池12的工作效率，也极大避免了反应生成的水在装置内粘滞而损坏歧管装置。
本发明具体工作流程如下：
当燃料电池工作时，燃料气体之一的氢气会由一号进气歧管入口13进入进气歧管内，另一种燃料气体氧气由三号进气歧管入口15进入进气歧管内，冷却水则通过二号进气歧管入口14进入进气歧管内，当反应气体流经进气歧管后，所述进气歧管内部的进气歧管嵌入体7会对气流进行分配处理，使反应气体更加均匀，流向也会发生改变，一部分会垂直进入单元电池12，而另一部分则会继续沿水平方向进入进气歧管后段继续进行气流分配，保证了原本气流分配较少中后段的单元电池12也可以得到较多的反应气体，然后大部分进入的反应气体会在单元电池12中进行化学反应，将化学能转换成电能，反应生成的水会通过二号排气歧管出口17排出，反应多余的氢气和氧气也会分别由一号排气歧管出口16排出和三号排气歧管出口18排出，由于排气歧管中排气歧管嵌入体8的截面沿歧管末端向出口方向逐渐增高，使得气体流通截面大致呈渐缩状，由此产生一个正向压差，于是囤积在歧管中的生成水和反应气体在向排气歧管出口运动的过程中，其速度呈加速趋势，避免了反应生成的水和反应气体在排气歧管中的堆积。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种燃料电池电堆用歧管装置，包括设置在燃料电池电堆上方的进气歧管和设置在燃料电池电堆下方的排气歧管，所述进气歧管底部设有与各单元电池对应的进气口，用于将外部供应的反应气体分配至电堆内部各单元电池内；所述排气歧管顶部设有与各单元电池对应的排气口，排气歧管用于收集各单元电池反应剩余的气体和反应生成的水，并排出至电堆外部；其特征在于：所述进气歧管内设有进气歧管嵌入体，所述排气歧管内设有排气歧管嵌入体，所述进气歧管嵌入体包括基板和设于基板上阵列分布用于分配气流的仿生结构单元，所述基板安装固定在进气歧管内壁板的顶部，所述仿生结构单元设于基板底部，且沿着进气方向相对于基板高度增大，使得进气歧管嵌入体整体为楔形，所述仿生结构单元包括至少一个正对进气方向的弧形迎流面，通过弧形迎流面使得部分进气流向下转向通过进气口进入相应的单元电池内；
所述仿生结构单元为四边柱状结构，其顶面采用平滑过渡，形成波浪曲面的弧形迎流面，两侧与基板之间采用曲面平滑过渡，形成过流面，背流面为垂直平面；
所述仿生结构单元在基板上按行排列，行的方向与进气方向垂直，相邻两行错开半个仿生结构单元宽度，使得不同行上仿生结构单元交错排列；
所述排气歧管嵌入体沿着排气方向厚度逐渐增大，使得各单元电池排出反应剩余气体和反应生成水的阻力趋向均一；
所述排气歧管嵌入体安装固定在排气歧管内壁板的底部，由若干重复单元组成，每个重复单元均由三个圆柱体在中部相连组成，三个圆柱体在三维空间内两两相互垂直，相邻的重复单元之间在圆柱体端部相连，沿着排气方向，重复单元在厚度方向的层数逐渐增多；
相邻两个重复单元的竖直圆柱体之间距离大于排气歧管上的排气口的宽度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆用歧管装置，其特征在于：所述进气歧管嵌入体和排气歧管嵌入体均采用绝缘材料制成，并且在表面做疏水处理。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆用歧管装置，其特征在于：所述进气歧管为矩形截面管道，所述进气歧管嵌入体宽度与进气歧管内宽度匹配，高度渐变；所述排气歧管也为矩形截面管道，同样的，排气歧管嵌入体的宽度与排气歧管内宽度匹配，高度渐变。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆用歧管装置，其特征在于：所述进气歧管及其内进气歧管嵌入体用于氢气进气管、氧气进气管及冷却水进水管；所述排气歧管及其内的排气歧管嵌入体用于氢气排气管、氧气排气管及冷却水出水管。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用歧管装置，其特征在于：所述进气歧管进气方向和排气歧管排气方向处于相对平行，进气歧管入口和排气歧管出口位于电池电堆的同侧。
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