CN220710357U - 一种燃料电池气体入堆分配模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池气体入堆分配模块，主要由两部分组成：气体分配模块腔室与气体分配模块端板，二者均采用精密加工的方式成型，同时二者之间用O型圈密封元件及螺栓预紧的方式进行密封，防止气体泄漏，气体分配模块端板的同侧设有气体入堆上端口和气体入堆下端口，气体分配模块腔室底部设有气体总输入端口，气体分配模块端板的底部设有第一传感器安装端口和第二传感器安装端口。本实用新型CFD仿真结果是进入上下两个电堆的空气质量流量偏差值控制在3％以内，节省了实际设计开发成本，同时又可以满足上下两电堆入堆质量流量的均衡性，提高了电堆的使用性能及寿命。
Description
技术领域
本实用新型属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池气体入堆分配模块。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。随着燃料电池系统的发展，燃料电池系统的需求功率越来越高。由于单电堆的双极板不能够无限的叠加，因此单电堆的总功率会受到限制，这时多电堆方案应运而生。但是多电堆存在入电堆流量分配问题，若入电堆流量分配不均，会严重影响电堆整体性能及其使用寿命。
一般单电堆有水、氢、空三个子系统至少有6个进出口，而多电堆进出口则大于等于12个。目前很多企业将多电堆的进出口集成于一块端板上，存在的弊端是当其中某个子系统流量分配出现问题时，需要拆卸或者更换整块端板，导致资源浪费，同时也增加了维修成本。
实用新型内容
针对上述不足，本实用新型提供了一种燃料电池气体入堆分配模块，保证流体分配均匀和入堆压力分布稳定的同时，无需拆卸或者更换整块端板，从而提高燃料电池使用寿命，降低成本。
本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种燃料电池气体入堆分配模块，主要由两部分组成：气体分配模块腔室与气体分配模块端板，二者均采用精密加工的方式成型，同时二者之间用O型圈密封元件及螺栓预紧的方式进行密封，防止气体泄漏，气体分配模块端板的同侧设有气体入堆上端口和气体入堆下端口，气体分配模块腔室底部设有气体总输入端口，气体分配模块端板的底部设有第一传感器安装端口和第二传感器安装端口。
进一步的，所述气体入堆上端口内径为D1，气体入堆下端口内径为D2，气体总输入端口直径为D3，满足
进一步的，所述气体分配模块腔室1内一侧呈现一定的倾斜角度θ，该角度要满足70°≤θ＜90°。
进一步的，所述气体分配模块腔室可以是圆形、三角形或者是矩形等。
本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
本实用新型实现了能够满足多电堆燃料电池系统气体分配方法，通过设计优化计算，并通过CFD仿真分析对该结构进行了验证，CFD仿真结果是进入上下两个电堆的空气质量流量偏差值控制在3％以内，节省了实际设计开发成本，同时又可以满足上下两电堆入堆质量流量的均衡性，提高了电堆的使用性能及寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型气体分配模块结构示意图一；
图2是本实用新型气体分配模块结构示意图二；
图3是本实用新型气体分配模块结构示意图三；
图4是本实用新型气体流体域示意图；
图5是本实用新型仿真结果图。
图中：1、气体分配模块腔室；2、气体分配模块端板；3、气体总输入端口；4、气体入堆上端口；5、气体入堆下端口；6、第一传感器安装端口；7、第二传感器安装端口；D1、气体入堆上端口内径；D2、气体入堆下端口内径；D3、气体总输入端口内径。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本实用新型，但不限制本实用新型的保护范围。如无特殊说明，本实用新型所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
该气体入堆分配模块主要由两部分组成，气体分配模块腔室1与气体分配模块端板2，二者均采用精密加工的方式成型，同时二者之间用O型圈密封元件及螺栓预紧的方式进行密封，防止气体泄漏。
空气通过空压机升压之后经过增湿器增湿，通过连接管路首先进入到气体总输入端口3中，再进入到气体分配模块腔室1中，进入气体分配模块腔室1的气体沿内部结构流经到气体入堆上端口4和气体入堆下端口5处，然后再通过气体分配模块与电堆之间的连接管路进入到两个电堆中参与还原反应，同时在气体分配模块端板2上有第一传感器安装端口6和第二传感器安装端口7，可以随时监测进入电堆的压力及温度。
为满足上下两个电堆入堆流量分配的均匀性，设定气体入堆上端口4内径为D1，气体入堆下端口5内径为D2，气体总输入端口3直径为D3。可以参考两个电堆气体入堆口径的大小来确定气体入堆上端口4直径为D1及气体入堆下端口5直径为D2，一般气体入堆上端口4直径D1及气体入堆下端口5直径D2选取与两个电堆气体入堆孔径大小相等。同时气体总输入端口3直径为D3的选取条件需满足的条件是：气体入堆上端口的入口面积与气体入堆下端口的入口面积之和要小于气体总输入端口面积，即：
从图3中可以看出，气体分配模块腔室1内一侧呈现一定的倾斜角度θ，该角度要满足70°≤θ＜90°。这是由于分流歧管的流动特点决定了在主管内的流体静压沿着流向不断增大，从而使歧管末端支管流出的流量显著增大。因此为满足气体进入上下两电堆内的气体流量均衡，对气体分配模块腔室1内侧靠近气体入堆上端口4进行了倾斜角处理。
为了验证上述方法的准确性，对气体入堆分配模块进行了CFD仿真分析，图4是空气流经气体分配模块以及出入堆连接管路的整个路径，线框内是本实用新型气体入堆分配模块的内部腔室结构。电堆内部阴极侧流道结构复杂，为了使CFD仿真分析更充分，其阴极侧流阻用流阻相等的连接管路进行了替代处理，其余连接管路均是为满足CFD仿真分析充分而连接添加的。
通过图4可以看出，压缩且增湿后的空气通过连接管路进入到气体入堆分配模块以及入出电堆的整个仿真分析路径。通过CFD仿真分析结果，气体入堆上端口4以及气体入堆下端口5处的质量流量值来校核该气体入堆分配模块结构是否能解决上下两电堆入口处流体分配均匀性的问题。
具体的CFD仿真结果如图5所示，当气体总输入端口3处的入口质量流量是0.22kg/s，则气体入堆上端口4的质量流量为0.108557kg/s，气体入堆下端口5的质量流量为0.111443kg/s，气体进入上下两个电堆质量流量的均衡度偏差值小于3％。
本实用新型中电堆可以是两个或者多个电堆。多个电堆可以采用同样的方法，比如三个电堆，那就三个入口，要想三个入口的质量流量分配均匀，那还是同时考虑采用上述两种策略，第一满足气体总输入端口尺寸与气体入堆端口尺寸的计算公式；第二计算好入堆分配块内侧的倾斜角度。然后再用流体仿真分析对设计的入堆分配模块进行尺寸优化完善，直到满足三个入口质量流量分配均匀。
气体分配模块腔室结构可以是圆形、三角形或者是矩形等。
该气体分配模块不止可以用于空气侧，也可以用于氢气侧以及冷却液侧。
本实用新型中传感器安装端口可以按实际进行增加或调整位置。
以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，而并非本实用新型可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种燃料电池气体入堆分配模块，其特征是，包括气体分配模块腔室(1)与气体分配模块端板(2)，二者均采用精密加工的方式成型，同时二者之间用O型圈密封元件及螺栓预紧的方式进行密封，气体分配模块端板(2)的同侧设有气体入堆上端口(4)和气体入堆下端口(5)，气体分配模块腔室(1)底部设有气体总输入端口(3)，气体分配模块端板(2)的底部设有第一传感器安装端口(6)和第二传感器安装端口(7)。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池气体入堆分配模块，其特征是，所述气体入堆上端口(4)内径为D1，气体入堆下端口(5)内径为D2，气体总输入端口直径为D3，满足
3.如权利要求1所述的一种燃料电池气体入堆分配模块，其特征是，所述气体分配模块腔室(1)内一侧呈现一定的倾斜角度θ，该角度要满足70°≤θ＜90°。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池气体入堆分配模块，其特征是，所述气体分配模块腔室(1)是圆形或三角形或矩形。
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