CN115332583B - 一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置，属于燃料电池技术领域，包括分流块，分流块的一侧设置有氢气流道和空气流道；分流块的另一侧上设置有冷却液流道，分流块的两侧分别设置有密封氢气流道、空气流道和冷却液流道的第一盖板和第二盖板。密封氢气流道、空气流道和冷却液流道的尺寸计算方法包括步骤S1‑S7。本发明能满足多个电堆的大功率多堆系统集成，能实现多个电堆的流体输送和合理分配，合并了流体分配、气液分离以及冷却液排气多个功能，且结构尺寸小，空间利用率高。

Description

一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置。

背景技术

燃料电池是一种将富氢燃料中的化学能直接转换为电能和热的发电装置，是氢能源利用的关键技术。推进氢能源的应用是解决城市拥堵、空气污染和能源短缺的有效途径。

燃料电池不受卡诺循环效率的限制，发电效率可以高达40%~50%，而且产物只有水，不会产生氮、硫、碳等氧化物，极其清洁高效，是一种理想的交通发动机系统。尤其是质子交换膜燃料电池，除了具有燃料电池共有的优点外，还具有工作温度低、启动快、寿命长、响应速度快和技术成熟等突出优点，适用于车辆、船舶等运载工具的动力系统，如作为氢燃料电池发动机、新能源备用电源、特种车辆（雷达车辆、工程作业车）、无人机、全电船等军民融合装备。

在大功率燃料电池系统中，一般需要集成多个电堆已达到更大功率。由于较高的功率输出要求，因而需要足量的氢气和空气反应生成电能和热量。热量也需要被较多的冷却液带走通过外接散热器散掉，以保证燃料电池内部达到最佳的工作温度。可见，对燃料电池电堆流体分配装置的要求也更高，即需要在满足同时输送和排出氢气、空气和冷却液的条件下，还需要保证多电堆的流量分配均衡以及气体腔内产生液体后能进行气液分离并把液体及时排出等要求。同时，还应该保证流体分配装置结构紧凑，连接可靠，密封性好以及绝缘防护性高等要求。

目前现有的流体分配装置结构较为复杂，加工难度较大，功能都较为单一，并且不能满足多堆之间的集成和流体均衡分配。特别是较难实现6个电堆的集成连接与氢气、空气的均衡分配，以及冷却液的有效冷却，在流体分配装置上也不能同时进行气液分离，难以保证电堆系统的高效工作。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能实现多个电堆模块集成连接、氢气和空气的均衡分配、冷却液的有效冷却，以及能同时进行气液分离的燃料电池电堆流体分配及气液分离装置。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置，其包括分流块，分流块的一侧设置有氢气流道和空气流道；分流块的另一侧上设置有冷却液流道，氢气流道和空气流道底部分别均匀设置有若干空气通孔和氢气通孔，空气通孔和氢气通孔从分流块一侧贯穿到另一侧；

分流块的两侧分别设置有密封氢气流道、空气流道和冷却液流道的第一盖板和第二盖板，第一盖板上分别设置有空气接头和氢气接头，空气接头和氢气接头分别与空气流道和氢气流道连通，分流块的侧面设置有与冷却液流道连通的冷却液接头；

第二盖板上分别设置有若干空气接口、氢气接口和冷却液接口，空气接口和氢气接口分别设置在空气通孔和孔氢气通孔的上方，冷却液接口设置在冷却液通孔的上方。

进一步地，氢气流道上均匀设置若干第一分流道，空气流道上均匀设置有若干第二分流道，冷却液流道上均匀设置有若干第三分流道；

第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道之间均成T形连通；氢气通孔和和空气通孔分别贯穿设置在第一分流道和第二分流道的底部，冷却液接口设置在第三分流道的上方。

进一步地，氢气流道和空气流道平行，第一分流道和第二分流道均向氢气流道和空气流道之间的空间延伸，且第一分流道和第二分流道交叉平行分布。

进一步地，第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道的边沿均设置有密封圈，氢气通孔和和空气通孔靠近第二盖板的边沿也设置有密封圈，密封圈设置在分流块上开设的卡槽内，第一盖板和第二盖板与密封圈配合密封。

进一步地，第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道的连接位置均采用圆弧过度，两个第一分流道之间的氢气流道上、两个第二分流道之间的空气流道上、两个第三分流道之间的冷却液流道上均设置有流道扩口。

进一步地，第一盖板上设置有冷却液排气接头，冷却液排气接头与冷却液流道连通。

进一步地，还包括气液分离块，气液分离块上设置有氢气气液分离腔和空气气液分离腔，氢气气液分离腔和空气气液分离腔的侧面分别设置有第一排液口和第二排液口，气液分离块安装在分流块的侧面，且氢气气液分离腔和空气气液分离腔分别与氢气流道和空气流道连通。

进一步地，氢气流道、空气流道和冷却液流道尺寸的计算方法为：

S1：根据燃料电池电堆的工作电流I和节数N计算分离装置所需提供的空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O ；

其中，λ ₁为空气化学计量比；

S2：根据空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O 设定空气、氢气和冷却液分别在空气流道、氢气流道和冷却液流道内的体积流量v ₀和流速u；

S3：利用空气、氢气和冷却液的流速v ₀分别计算空气、氢气和冷却液在管道内流动时所需的理论管道内径d：

；

S4：根据理论管道内径d和流速u计算空气、氢气和冷却液在流动过程中受到的阻力损失∆p ₁：

其中，λ ₂为摩擦因子，Re为雷诺数，ε为绝对粗糙度，

为相对粗糙度，l为分离装置所需的空气流道、氢气流道和冷却液流道的总长度，ρ为空气、氢气和冷却液的密度，μ为介质黏度，

为雷诺数Re与相对粗糙度

之间的关系函数；

S5：计算空气、氢气和冷却液在流动过程经过弯头、接头部件时受到的局部阻力压降∆p ₂：

其中，K为局部阻力系数；

S6：计算总阻力损失压降∆p：∆p=∆p ₂+∆p ₁；判断∆p是否在允许压力降控制值内，若是，则将该理论管道内径d作为实际的管径D；否则，根据∆p调整理论管道内径d，返回步骤S4；

S7：利用实际管径D计算空气流道、氢气流道和冷却液流道的宽度W和深度H：

。

本发明的有益效果为：

本发明能满足多个电堆的大功率多堆系统集成，能实现多个电堆的流体输送和合理分配，合并了流体分配、气液分离以及冷却液排气多个功能，且结构尺寸小，空间利用率高。

本发明的分离装置可分别安装在电堆系统的输入端和输出端，安装在输入端时对氢气、空气和冷却液进行引流和分流，在输出端通过设置对应的气液分离块实现气液分离功能，同时具备冷却液排气功能，整个装置的密封和绝缘性好，满足防护的要求，有效提升了燃料电池系统的输出功率以及功率密度。

本发明采用的氢气、空气和冷却液流道的计算方法对于燃料电池系统给定的流体流量，能够计算合理可靠的流道尺寸，能够减少材料消耗、多次加工以及操作等费用，提高燃料电池系统经济性，从而保证流体的安全流速，提高燃料电池系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为燃料电池电堆流体分配及气液分离装置安装在燃料电池电堆燃料入口的结构图。

图2为燃料电池电堆流体分配及气液分离装置安装在燃料电池电堆燃料出口的结构图。

图3为分流块背面的结构图。

其中，1、第一盖板，2、空气接头，3、氢气接头，4、空气流道，5、冷却液流道，6、第三分流道，7、第一分流道，8、密封圈，9、第二分流道，10、氢气流道，11、第二盖板，12、空气接口，13、冷却液接头，14、氢气接口，15、冷却液接口，16、分流块，17、冷却液排气接头，18、第一排液口，19、空气气液分离腔，20、氢气气液分离腔，21、气液分离块。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图3所示，本方案的燃料电池电堆流体分配及气液分离装置包括分流块16，分流块16的一侧设置有氢气流道10和空气流道4；分流块16的另一侧上设置有冷却液流道5，氢气流道10和空气流道4底部分别均匀设置有若干空气通孔和氢气通孔，空气通孔和氢气通孔从分流块16一侧贯穿到另一侧。

分流块16的两侧分别设置有密封氢气流道10、空气流道4和冷却液流道5的第一盖板1和第二盖板11，第一盖板1上分别设置有空气接头2和氢气接头3，空气接头2和氢气接头3分别与空气流道4和氢气流道10连通，分流块16的侧面设置有与冷却液流道5连通的冷却液接头13。

第二盖板11上分别设置有若干空气接口12、氢气接口14和冷却液接口15，空气接口12和氢气接口14分别设置在空气通孔和孔氢气通孔的上方，冷却液接口15设置在冷却液通孔的上方。

氢气流道10上均匀设置若干第一分流道7，空气流道4上均匀设置有若干第二分流道9，冷却液流道5上均匀设置有若干第三分流道6；第一分流道7与氢气流道10、空气流道4与第二分流道9、冷却液流道5与第三分流道6之间均成T形连通；氢气通孔和和空气通孔分别贯穿设置在第一分流道7和第二分流道9的底部，冷却液接口15设置在第三分流道6的上方。

氢气流道10和空气流道4平行，第一分流道7和第二分流道9均向氢气流道10和空气流道4之间的空间延伸，且第一分流道7和第二分流道9交叉平行分布。第一分流道7与氢气流道10、空气流道4与第二分流道9、冷却液流道5与第三分流道6的边沿均设置有密封圈8，氢气通孔和和空气通孔靠近第二盖板11的边沿也设置有密封圈8，密封圈8设置在分流块16上开设的卡槽内，第一盖板1和第二盖板11与密封圈8配合密封。

第一分流道7与氢气流道10、空气流道4与第二分流道9、冷却液流道5与第三分流道6的连接位置均采用圆弧过度，两个第一分流道7之间的氢气流道10上、两个第二分流道9之间的空气流道4上、两个第三分流道6之间的冷却液流道5上均设置有流道扩口。第一盖板1上设置有冷却液排气接头17，冷却液排气接头17与冷却液流道5连通。

还包括气液分离块21，气液分离块21上设置有氢气气液分离腔20和空气气液分离腔19，氢气气液分离腔20和空气气液分离腔19的侧面分别设置有第一排液口18和第二排液口，气液分离块21安装在分流块16的侧面，且氢气气液分离腔20和空气气液分离腔19分别与氢气流道10和空气流道4连通。

氢燃料电池发电系统所需要的氢气通过氢气接头3进入氢气流道10，再通过氢气流道10上均匀分布的若干氢气通孔流出后，分别进入第二盖板11上中的氢气接口14进一步进入电堆内部进行反应。

同样地，空气通过空气接头2进入空气流道4，再通过空气流道4上的若空气通孔流出后，分别进入第二盖板11中的空气接口12，进一步再进入电堆内部进行反应。

冷却液也通过冷却液接头13进入冷却液流道5，再通过冷却液流道5上的若干第三分流道6分流后，分别流出进入第二盖板11中的冷却液接口15，进一步再进入电堆内部进行反应。

整个过程中，因为燃料电池电堆流体分配及气液分离装置中设计了多个密封圈8，具有很好的密封性能，从而能保证氢气、空气和冷却液同步流入，但彼此在独立的流道内流动。

氢气流道10和空气流道4中的流体在气液分离主体中会进行气液分离过程，使分离出的气体再次进入其他零部件进行循环使用，而分离出的液体会通过第一排液口18和第二排液口排出。其作用是保证氢燃料电池电堆系统中气体腔不发生水淹现象，能保持电堆正常工作，该功能的集成对燃料电池电堆流体分配及气液分离装置至关重要。

冷却液会进入外部散热器进行冷却后循环进入电堆。其次，冷却液在氢燃料电池系统运行过程中会产生很多气泡，需要及时被排出才能保证系统正常工作，因此本发明提供的燃料电池电堆流体分配及气液分离装置中，在电堆出口流体分配主体内部的冷却液流道5顶部设置了冷却液排气接头17，能够及时将产生的气泡顺利排出，又不影响冷却液的冷却效果。整个过程连续稳定进行从而保证了氢燃料电池系统的功率输出。

本方案中氢气流道10、空气流道4和冷却液流道5尺寸的计算方法为：

S1：根据燃料电池电堆的工作电流I和节数N计算分离装置所需提供的空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O ；

其中，λ ₁为空气化学计量比；

S2：根据空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O 设定空气、氢气和冷却液分别在空气流道4、氢气流道10和冷却液流道5内的体积流量v ₀和流速u；

S3：利用空气、氢气和冷却液的流速v ₀分别计算空气、氢气和冷却液在管道内流动时所需的理论管道内径d：

；

S4：根据理论管道内径d和流速u计算空气、氢气和冷却液在流动过程中受到的阻力损失∆p ₁：

其中，λ ₂为摩擦因子，Re为雷诺数，ε为绝对粗糙度，

为相对粗糙度，l为分离装置所需的空气流道4、氢气流道10和冷却液流道5的总长度，ρ为空气、氢气和冷却液的密度，μ为介质黏度，

为雷诺数Re与相对粗糙度

之间的关系函数；

S5：计算空气、氢气和冷却液在流动过程经过弯头、接头部件时受到的局部阻力压降∆p ₂：

其中，K为局部阻力系数；

S6：计算总阻力损失压降∆p：∆p=∆p ₂+∆p ₁；判断∆p是否在允许压力降控制值内，若是，则将该理论管道内径d作为实际的管径D；否则，根据∆p调整理论管道内径d，返回步骤S4；

S7：利用实际管径D计算空气流道4、氢气流道10和冷却液流道5的宽度W和深度H：

。

本发明采用的氢气、空气和冷却液流道的计算方法对于燃料电池系统给定的流体流量，能够计算合理可靠的流道尺寸，能够减少材料消耗、多次加工以及操作等费用，提高燃料电池系统经济性，从而保证流体的安全流速，提高燃料电池系统的安全性和可靠性。

本发明能满足多个电堆的大功率多堆系统集成，能实现多个电堆的流体输送和合理分配，合并了流体分配、气液分离以及冷却液排气多个功能，且结构尺寸小，空间利用率高。

本发明的分离装置可分别安装在电堆系统的输入端和输出端，安装在输入端时对氢气、空气和冷却液进行引流和分流，在输出端通过设置对应的气液分离块21实现气液分离功能，同时具备冷却液排气功能，整个装置的密封和绝缘性好，满足防护的要求，有效提升了燃料电池系统的输出功率以及功率密度。

Claims (2)

1.一种燃料电池电堆流体分配及气液分离装置，其特征在于，包括分流块，所述分流块的一侧设置有氢气流道和空气流道；所述分流块的另一侧上设置有冷却液流道，所述氢气流道和空气流道底部分别均匀设置有若干空气通孔和氢气通孔，所述空气通孔和氢气通孔从分流块一侧贯穿到另一侧；

所述分流块的两侧分别设置有密封氢气流道、空气流道和冷却液流道的第一盖板和第二盖板，所述第一盖板上分别设置有空气接头和氢气接头，所述空气接头和氢气接头分别与空气流道和氢气流道连通，所述分流块的侧面设置有与冷却液流道连通的冷却液接头；

所述第二盖板上分别设置有若干空气接口、氢气接口和冷却液接口，所述空气接口和氢气接口分别设置在空气通孔和孔氢气通孔的上方，所述冷却液接口设置在冷却液通孔的上方；

所述氢气流道上均匀设置若干第一分流道，所述空气流道上均匀设置有若干第二分流道，所述冷却液流道上均匀设置有若干第三分流道；

所述第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道之间均成T形连通；所述氢气通孔和空气通孔分别贯穿设置在第一分流道和第二分流道的底部，所述冷却液接口设置在第三分流道的上方；

所述氢气流道和空气流道平行，所述第一分流道和第二分流道均向氢气流道和空气流道之间的空间延伸，且第一分流道和第二分流道交叉平行分布；

所述第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道的边沿均设置有密封圈，所述氢气通孔和空气通孔靠近第二盖板的边沿也设置有密封圈，所述密封圈设置在分流块上开设的卡槽内，所述第一盖板和第二盖板与密封圈配合密封；

所述第一分流道与氢气流道、空气流道与第二分流道、冷却液流道与第三分流道的连接位置均采用圆弧过度，两个所述第一分流道之间的氢气流道上、两个所述第二分流道之间的空气流道上、两个所述第三分流道之间的冷却液流道上均设置有流道扩口；

所述第一盖板上设置有冷却液排气接头，所述冷却液排气接头与冷却液流道连通；

还包括气液分离块，所述气液分离块上设置有氢气气液分离腔和空气气液分离腔，所述氢气气液分离腔和空气气液分离腔的侧面分别设置有第一排液口和第二排液口，所述气液分离块安装在分流块的侧面，且氢气气液分离腔和空气气液分离腔分别与氢气流道和空气流道连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆流体分配及气液分离装置，其特征在于，所述氢气流道、空气流道和冷却液流道尺寸的计算方法为：

S1：根据燃料电池电堆的工作电流I和节数N计算分离装置所需提供的空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O ；

其中，λ ₁为空气化学计量比；

S2：根据空气流量F _AIR 、氢气流量F _H2 和冷却液流量F _H2O 设定空气、氢气和冷却液分别在空气流道、氢气流道和冷却液流道内的体积流量v ₀和流速u；

S3：利用空气、氢气和冷却液的流速v ₀分别计算空气、氢气和冷却液在管道内流动时所需的理论管道内径d：

；

S4：根据理论管道内径d和流速u计算空气、氢气和冷却液在流动过程中受到的阻力损失∆p ₁：

其中，λ ₂为摩擦因子，Re为雷诺数，ε为绝对粗糙度，

为相对粗糙度，l为分离装置所需的空气流道、氢气流道和冷却液流道的总长度，ρ为空气、氢气和冷却液的密度，μ为介质黏度，

为雷诺数Re与相对粗糙度

之间的关系函数；

S5：计算空气、氢气和冷却液在流动过程经过弯头、接头部件时受到的局部阻力压降∆p ₂：

其中，K为局部阻力系数；

S6：计算总阻力损失压降∆p：∆p=∆p ₂+∆p ₁；判断∆p是否在允许压力降控制值内，若是，则将该理论管道内径d作为实际的管径D；否则，根据∆p调整理论管道内径d，返回步骤S4；

S7：利用实际管径D计算空气流道、氢气流道和冷却液流道的宽度W和深度H：

。

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