CN116682991B - 一种燃料电池进气气罩 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池进气气罩，涉及燃料电池领域，包括相对设置在电池堆两侧的燃料分配气罩和转向气罩；燃料分配气罩的内部设置有相互隔离的进气结构和出气结构，转向气罩内部设置有转向气道；转向气道的一端与进气结构相连通，另一端与出气结构相连通；进气结构包括进气口以及导向流道，导向流道包括与进气口相连通的主进气道以及与主进气道相连通的分流道，且分流道设置有多个；沿进气方向，多个分流道以数量倍增方式分布；垂直于进气方向，多个分流道以进气口的轴线为对称轴对称分布。采用这种设置方式能够在均匀分散燃料气体的过程中避免下层分流道的直径或截面积过小而导致气压急剧升高影响整个燃料电池的安全。

Description

一种燃料电池进气气罩

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池进气气罩。

背景技术

燃料电池被广泛利用以化学能提供电能。在标准燃料电池中，燃料和氧化剂分别从对应的的气罩流入电堆内，例如，氢气流入阳极侧，发生氧化反应产生电子和质子，电子通过外部电路流向阴极侧，质子通过质子交换膜流向阴极电极侧，质子与电子两部分与氧发生还原反应生成水，同时放出热量。

目前，标准燃料电池中关于气罩的布置，一般将进口与出口相对，位于电堆的两侧，即进口位于电堆的一侧，出口位于电堆的对面侧；此外还有进口与出口气罩在同一侧，燃料分配气罩按比例覆盖，对应侧采用反转气罩，使燃料能够顺利通过燃料电池；另外的，采用软管和卡箍接头直接与电堆相连接，不利于较小空间的排布，从而导致所占体积较大，造成空间利用率较低。

目前，燃料电池大多凭借较高的压力及流速将燃料送入电堆进口，电堆进口一般是连接通道，将各个单电池的阳极流道进行并联，然后燃料自由扩散到燃料电池的阳极进气表面。高速流动的燃料直接涌入电堆表面，未通过燃料均分结构进行气体平均分配，极易造成燃料分配不均匀或者比例不均衡，会造成燃料电池局部燃料供应不足，这种不足导致了电化学反应在膜电极表面不均匀严重影响电堆的水热管理能力，如果反应生成物水不能够及时排除，电堆内部会产生“水淹”，造成电堆局部过热。以上情况极易造成电堆的输出功率下降，可能对阴阳极或质子交换膜造成永久性不可逆的伤害，降低燃料电池的使用寿命。燃料的均匀分配能够提高燃料电池的使用寿命和快速启动能力，虽然目前已有的燃料分配结构主要应用于双极板上，其加工成本较高，加工难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池进气气罩，用以解决现有高速流动的燃料直接涌入电堆表面，未通过燃料均分结构进行气体平均分配，极易造成燃料分配不均匀或者比例不均衡，会造成燃料电池局部燃料供应不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池进气气罩，包括相对设置在电池堆两侧的燃料分配气罩和转向气罩；所述燃料分配气罩的内部设置有相互隔离的进气结构和出气结构，所述转向气罩内部设置有转向气道；所述转向气道的一端与所述进气结构相连通，另一端与所述出气结构相连通；

所述进气结构包括进气口以及导向流道，所述导向流道包括与所述进气口相连通的主进气道以及与所述主进气道相连通的分流道，且所述分流道设置有多个；沿进气方向，多个所述分流道以数量倍增方式分布；垂直于进气方向，多个所述分流道以所述进气口的轴线为对称轴对称分布。

作为本申请的一个优选的实施方式，沿进气方向，所述分流道分为多层，相连两层所述分流道之间通过分散流道相连通且所述分流道与所述分散流道之间呈90度夹角。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述分流道的截面积不小于所述分散流道的截面积的一半；和/或，同层所述分流道的截面积总和不小于上一层所述分流道截面积总和。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述分流道分为4层，单层所述分流道的深度为25mm；所述分流道的宽度逐层减少，且下一层所述分流道的宽度大于上一层所述分流道宽度的一半。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述进气结构还包括扩散腔；沿进气方向，最后一层所述分流道具有出气端且所述出气端与所述扩散腔相连通；垂直于进气方向，所述出气端均匀分布。

作为本申请的一个优选的实施方式，相邻两出气端之间的距离为45mm，且两侧所述出气端与所述扩散腔的侧壁的距离与相邻两出气端之间的距离相同。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述出气结构包括出气口和出气通道，所述出气口通过所述出气通道与所述转向气道相连通；所述进气结构与所述出气结构之间设置有沿水平方向延伸的隔板。

作为本申请的一个优选的实施方式，还包括盖板，所述燃料分配气罩朝向所述电池堆的一侧设置有导向槽，所述盖板与所述燃料分配气罩相连接，所述盖板与所述导向槽围成所述导向流道。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述盖板与所述电池堆之间设置有所述扩散腔；沿竖直方向，所述扩散腔在所述电池堆的侧部延伸，且所述扩散腔的下端与所述出气端相连通。

作为本申请的一个优选的实施方式，所述导向槽与所述燃料分配气罩一体成型；或者，所述导向槽与所述燃料分配气罩可拆卸的连接。

由于采用了上述方案，本申请所取得的有益效果为:

1.本申请中的进气结构与燃料分配气罩之间可以采用一体式结构也可以采用分体式结构。采用整体式结构时燃料分配气罩的加工工艺较为复杂但是无需在进气结构与燃料分配气罩之间另设密封件或填充密封胶等进行密封；采用分体式结构时，进气结构可以使用树脂复合材料或其他防锈防腐蚀的材料进行单独制作，进气结构的加工精度可以控制的更高已获得更佳的导气分配效果使燃料气体更均匀的分布到电池堆内的反应面上，且方便进气结构的检修维护，延长其使用寿命也有利于延长整个燃料电池的寿命。

2.本申请中的分流道的截面积不小于分散流道的截面积的一半，同层分流道的截面积总和不小于上一层分流道截面积总和，采用这种设置方式能够在均匀分散燃料气体的过程中避免下层分流道的直径或截面积过小而导致气压急剧升高影响整个燃料电池的安全。

3.本申请中，最后一层分流道的出气端之间的间距采用45mm间距且最两侧的出气端与扩散腔侧壁之间的距离与相邻两出气端之间的间距保持一致。由于在扩散腔内出气端处的气体压力是最大的，故采用上述方案有利于使得燃料气体在经过出气端进入扩散腔后首先在靠近出气端的地方快速实现在水平方向上实现均布，进而有利于燃料气体在扩散腔内沿竖直方向以均匀压力分布并朝向电池堆扩散。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例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是包含本发明的电池堆组装简图；

图2是包含本发明的电池堆的剖视图；

图3是本发明的组装爆炸示图；

图4是本发明的正视图；

图5是本发明中燃料导向流道间图；

图6是本发明的局部结构剖视图。

部件和附图标记列表：

1电池堆、2燃料分配气罩、3转向气罩、4进气口、5燃料出口、6分流道、7导向流道、8盖板、9隔板、10燃料进口腔、11出气通道、12扩散腔。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施方式的限制。

参照图1-6所示，本申请提供了一种燃料电池进气气罩，其包括设置在电池堆1两侧的燃料分配气罩2和转向气罩3；燃料分配气罩2的内部设置有相互隔离的进气结构和出气结构，转向气罩3内部设置有转向气道；转向气道的一端与进气结构相连通，另一端与出气结构相连通。燃料气体首先经过燃料分配气罩2上的进气结构进入电池堆1参与反应，反应完毕后进入转向气罩3内的转向气道中，通过转向气道转向之后进入前述出气结构中再排出。具体的，进气结构包括进气口4以及导向流道7，导向流道7包括与进气口4相连通的主进气道以及与主进气道相连通的分流道6，且分流道6设置有多个；沿进气方向，多个分流道6以数量倍增方式分布；垂直于进气方向，多个分流道6以进气口4的轴线为对称轴对称分布。

进一步地，参照图5所示，沿进气方向，分流道6分为多层，相连两层分流道6之间通过分散流道相连通且分流道6与分散流道之间呈90度夹角。在分流道6与分散流道之间设置90夹角能够在夹角转弯处有效的降低燃料气体的流动速度，从而有利于提升燃料气体在分布在各个分流道6内的均匀程度。

进一步地，参照图5所示，分流道6的截面积不小于分散流道的截面积的一半；和/或，同层分流道6的截面积总和不小于上一层分流道6截面积总和。在一个示例中，分流道6分为4层，单层分流道6的深度为25mm；分流道6的宽度逐层减少，且下一层分流道6的宽度大于上一层分流道6宽度的一半。采用这种设置方式能够在均匀分散燃料气体的过程中避免下层分流道6的直径或截面积过小而导致气压急剧升高影响整个燃料电池的安全。

这里需要说明的是，上述举例仅为本申请的一个优选实施方式，本申请中的分流道6的深度及宽度并不局限于上述举例。

进一步地，参照图5及图6所示，进气结构还包括扩散腔12；沿进气方向，最后一层分流道6具有出气端且出气端与扩散腔12相连通；垂直于进气方向，出气端均匀分布。扩散腔12的设置保证导向流道7与电池堆1表面仍留有一定距离，从而给燃料留有通畅分散的空间。整个过程中，高速流动的燃料由进气口4经过导向流道7之后，由单点聚集的气体流，分散到左右即水平方向上的均匀分布，并且速度有所降低。同时，该结构也避免了高速流动的燃料直接进入电池堆1，防止破坏电池堆1的水热平衡、避免对膜电极造成不可逆的损伤。

在一个优选的示例中，参照图5所示，相邻两出气端之间的距离为45mm，且两侧出气端与扩散腔12的侧壁的距离与相邻两出气端之间的距离相同。根据伯努利方程，实现气体能够稳定快速扩散的主要变化因素取决于气体的静压和动压，为消除单一流道产生的流速不均匀性，故在前述方案中通过设置多层分流道6避免压差过大，又由于在扩散腔12内出气端处的气体压力是最大的，故采用本示例中的上述方案，有利于使得燃料气体在经过出气端进入扩散腔12后首先在靠近出气端的地方快速在水平方向上实现均布，进而有利于燃料气体在扩散腔12内沿竖直方向以均匀压力分布并均匀朝向电堆扩散。此外，当分流道6的宽度或深度增加时，每个出气端的气体流量增大，可以适当放宽出气端之间的间距。

进一步地，参照图2、图4、图5及图6所示，出气结构包括出气口和出气通道11，出气口通过出气通道11与转向气道相连通；进气结构与出气结构之间设置有沿水平方向延伸的隔板9。通过设置隔板9将进气结构和出气结构隔开，避免燃料气体不经过电池堆1参与反应就直接流出，且隔板9的结构简单，设置方便且使用效果好。

进一步地，参照图2、图3、图4及图6所示，本申请中的进气结构还包括盖板8，燃料分配气罩2朝向电池堆1的一侧设置有导向槽，盖板8与燃料分配气罩2相连接，盖板8与导向槽围成导向流道7。在一个示例中，盖板8和导向槽开口面处涂抹密封胶，并使用螺栓（树脂材料）将盖板8固定在导向槽上，形成密闭向下的导向流道7。盖板8与电池堆1之间设置有前述扩散腔12；沿竖直方向，扩散腔12在电池堆1的侧部延伸，且扩散腔12的下端与出气端相连通。在实际的加工过程中，由于导向槽是属于单侧开放的结构故其在加工过程中相较于直接在燃料分配气罩2上钻设导向流道7而言更加方便加工且更便于控制导向槽的加工尺寸和加工质量，从而有利于保障气体的均匀分布。

作为本申请的一个优选的实施方式，导向槽与燃料分配气罩2一体成型；或者，导向槽与燃料分配气罩2可拆卸的连接。采用整体式结构时燃料分配气罩2的加工工艺较为复杂但是无需在进气结构与燃料分配气罩2之间另设密封件或填充密封胶等进行密封；采用分体式结构时，进气结构可以使用树脂复合材料或其他防锈防腐蚀的材料进行单独制作，进气结构的加工精度可以控制的更高已获得更佳的导气分配效果使燃料气体更均匀的分布到电池堆1内的反应面上，且方便进气结构的检修维护，延长其使用寿命也有利于延长整个燃料电池的寿命。

在实际的应用过程中，燃料气体通过进气口4，在进气口4的尽头遇到盖板8；燃料向左右两个方向转向90°进入导向流道7；旋转90°的转向设计有利于高速流动的燃料进行减速，同时均匀分散到两侧的导向流道7内，并顺着导向流道7内的分散流道及分流道6，继续均匀向下分散。导向流道7内的分流道6并不一定终止于图示的16个出气端，这要根据电堆中单电池燃料进口的宽度进一步进行分叉，达到在宽度方向上燃料的均匀分布。在上下方向上，燃料气体进入扩散腔12的内部之后上下均匀分散，当燃料进入电池堆1时，能够保证各个方向的流道均能够保证均匀的燃料，避免出现局部出现“缺气”现象，进而防止了电池堆1的局部过热或“水淹”现象，延长电池堆1的运行使用寿命，进而燃料均匀地进入阳极双极板的流道，并通过电池堆1后，通过转向气罩3进行转弯，再次经过电池堆1进入出气通道11，最终燃料从出气口流出。

本发明所保护的技术方案，并不局限于上述实施例，应当指出，任意一个实施例的技术方案与其他一个或多个实施例中技术方案的结合，在本发明的保护范围内。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池进气气罩，其特征在于，包括相对设置在电池堆两侧的燃料分配气罩和转向气罩；所述燃料分配气罩的内部设置有相互隔离的进气结构和出气结构，所述转向气罩内部设置有转向气道；所述转向气道的一端与所述进气结构相连通，另一端与所述出气结构相连通；

所述进气结构包括进气口以及导向流道，所述导向流道包括与所述进气口相连通的主进气道以及与所述主进气道相连通的分流道，且所述分流道设置有多个；沿进气方向，多个所述分流道以数量倍增方式分布；垂直于进气方向，多个所述分流道以所述进气口的轴线为对称轴对称分布；沿进气方向，所述分流道分为多层，相连两层所述分流道之间通过分散流道相连通；

且所述分流道的截面积不小于所述分散流道的截面积的一半；和/或，同层所述分流道的截面积总和不小于上一层所述分流道截面积总和；

所述分流道的宽度逐层减少，且下一层所述分流道的宽度大于上一层所述分流道宽度的一半；

所述进气结构还包括扩散腔；沿进气方向，最后一层所述分流道具有出气端且所述出气端与所述扩散腔相连通；垂直于进气方向，所述出气端均匀分布，且两侧所述出气端与所述扩散腔的侧壁的距离与相邻两出气端之间的距离相同。

2.如权利要求1所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，所述分流道与所述分散流道之间呈90度夹角。

3.如权利要求1所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，所述分流道分为4层，单层所述分流道的深度为25mm。

4.如权利要求1所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，相邻两出气端之间的距离为45mm。

5.如权利要求1所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，所述出气结构包括出气口和出气通道，所述出气口通过所述出气通道与所述转向气道相连通；所述进气结构与所述出气结构之间设置有沿水平方向延伸的隔板。

6.如权利要求5所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，还包括盖板，所述燃料分配气罩朝向所述电池堆的一侧设置有导向槽，所述盖板与所述燃料分配气罩相连接，所述盖板与所述导向槽围成所述导向流道。

7.如权利要求6所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，所述盖板与所述电池堆之间设置有所述扩散腔；沿竖直方向，所述扩散腔在所述电池堆的侧部延伸，且所述扩散腔的下端与所述出气端相连通。

8.如权利要求7所述的燃料电池进气气罩，其特征在于，所述导向槽与所述燃料分配气罩一体成型；或者，所述导向槽与所述燃料分配气罩可拆卸的连接。