一种燃料电池电堆模组及流体控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆模组及流体控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种将氧化剂(空气、氧气等)和还原剂(氢气、储氢材料等)通过电化学氧化还原反应发电的装置。现有的燃料电池主要包括燃料电池堆芯和辅助部件，燃料电池堆芯由几十至数百个单体电堆串连堆叠形成，单体电堆包括分配介质流动的双极板和电化学反应的核心结构，即膜电极；辅助部件用于压紧燃料电池堆芯，并向电池堆芯提供氧化剂、还原剂和冷却剂进行电化学氧化还原反应。
3.由于单体电堆的进出口数量较多，在将多个单体电堆集成为燃料电池堆芯时，一般采用空间错位的方式布置多个进出口以及连通各个进出口的歧管，难以同时均匀分配氢气、氧化剂和冷却液，导致从各个歧管进口流入的流体的分配一致性差，从而严重影响了各个单体电堆的输出性能，导致各个单体电堆的热管理效率不一致，从而导致燃料电池的输出性能较差，且存在散热不良的风险，从而降低了燃料电池的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆模组及流体控制方法，以解决现有技术中通过空间错位的方式布置多个进出口以及连通各个进出口的歧管，导致从各个歧管进口流入的流体的分配一致性差的问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种燃料电池电堆模组，其包括至少一个电堆组件，所述电堆组件包括：
7.两个沿高度方向依次堆叠的电堆组，所述电堆组包括两个沿高度方向依次堆叠的单体电堆，所述单体电堆沿长度方向的两端对称设置有入口组和出口组；
8.进料组件和出料组件，所述进料组件用于连通各个所述单体电堆的入口组，所述出料组件用于连通各个所述单体电堆的出口组，流体能够通过所述进料组件同步流入各个所述单体电堆的入口组，并从各个所述单体电堆的出口组同步流入所述出料组件。
9.作为优选，所述进料组件包括两个入口歧管组，所述出料组件包括两个出口歧管组，两个所述入口歧管组与两个所述电堆组一一对应设置，两个所述出口歧管组与两个所述电堆组一一对应设置；
10.所述入口歧管组用于连通所述电堆组的两个所述单体电堆的入口组，所述出口歧管组用于连通所述电堆组的两个所述单体电堆的出口组，流体能够通过所述入口歧管组同步流入所述电堆组的两个所述单体电堆的入口组，并从两个所述单体电堆的出口组同步流入所述出口歧管组。
11.作为优选，以所述电堆组沿其高度方向的中心面为第一对称面，所述电堆组的两个所述入口组以所述第一对称面对称分布，所述电堆组的两个所述出口组以所述第一对称
面对称分布。
12.作为优选，所述入口歧管组包括多个入口歧管，多个所述入口歧管均设有第一流入口，所述出口歧管组包括多个出口歧管，多个所述出口歧管均设有第一流出口；
13.各个所述第一流入口和各个所述第一流出口均分布于第一直线上，且所述第一直线为所述第一对称面上的线。
14.作为优选，所述入口歧管为注塑件，所述出口歧管为注塑件。
15.作为优选，所述入口歧管呈u形，所述出口歧管呈u形。
16.作为优选，所述进料组件还包括进料总管组，所述出料组件还包括出料总管组，所述进料总管组用于连通两个所述入口歧管组，所述出料总管组用于连通两个所述出口歧管组，所述进料总管组内的流体能够同步流入两个所述入口歧管组，两个所述出口歧管组内的流体能够同步流入所述出料总管组。
17.作为优选，所述进料总管组包括多个进料总管，多个所述进料总管均设有第二流入口，所述出料总管组包括多个出料总管，多个所述出料总管均设有第二流出口；
18.各个所述第二流入口和各个所述第二流出口均分布于第二直线上，所述电堆组件沿其高度方向上的中心面为第二对称面，所述第二直线为所述第二对称面上的线。
19.作为优选，所述入口组包括沿所述单体电堆的高度方向间隔设置的第一入口、第二入口和第三入口，所述出口组包括沿所述单体电堆的高度方向间隔设置的第一出口、第二出口和第三出口，所述第一入口与所述第一出口连通，所述第二入口与所述第二出口连通，所述第三入口和所述第三出口连通，所述第一入口的中心轴线和所述第一出口的中心轴线沿所述单体电堆的长度方向对称分布，所述第二入口的中心轴线和所述第二出口的中心轴线沿所述单体电堆的长度方向对称分布，所述第三入口的中心轴线和所述第三出口的中心轴线沿所述单体电堆的长度方向对称分布。
20.一种流体控制方法，应用于上述的燃料电池电堆模组，其包括：
21.流体从所述进料组件同步流入各个所述单体电堆的入口组，并从各个所述单体电堆的出口组同步流入所述出料组件。
22.本发明的有益效果：
23.本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆模，其中，该燃料电池电堆模组包括至少一个电堆组件，电堆组件包括两个沿高度方向依次堆叠的电堆组、进料组件和出料组件，电堆组包括两个沿高度方向依次堆叠的单体电堆，单体电堆沿长度方向的两端对称设置有入口组和出口组；进料组件用于连通各个单体电堆的入口组，出料组件用于连通各个单体电堆的出口组，流体能够通过进料组件同步流入各个单体电堆的入口组，并从各个单体电堆的出口组同步流入出料组件。该燃料电池电堆模组，通过将电堆组件的两个电堆组沿高度方向依次堆叠，且将电堆组的两个单体电堆沿高度方向依次堆叠，可以理解的是，四个单体电堆沿高度方向依次堆叠，进料组件用于连通各个单体电堆的入口组，出料组件用于连通各个单体电堆的出口组，具体地，流体通过进料组件流入各个单体电堆的入口组，并通过各个单体电堆的出口组流出各个单体电堆，从而实现各个单体电堆的内部均发生电化学反应；其中通过设置流体能够通过进料组件同步流入各个单体电堆的入口组，并从各个单体电堆的出口组同步流入出料组件，如此设置，能够使得通过进料组件流入各个单体电堆内的流体的量基本相同，使得流体流入各个单体电堆的流动一致性好，从而使得各个单体电
堆的输出性能一致，且有效提高了各个单体电堆的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
24.本发明还提供一种流体控制方法，该流体控制方法应用上述的燃料电池电堆模组，使得各个单体电堆的输出性能一致，且有效提高了单体电堆的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
附图说明
25.图1是本发明的具体实施例提供的燃料电池电堆模组的结构示意图；
26.图2是本发明具体实施例提供的燃料电池电堆模组的部分结构示意图。
27.图中：
28.1、电堆组；11、单体电堆；111、入口组；112、出口组；
29.2、进料组件；21、入口歧管组；211、入口歧管；2111、第一流入口；22、进料总管组；221、进料总管；
30.3、出料组件；31、出口歧管组；311、出口歧管；3111、第一流出口；32、出料总管组；321、出料总管。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
32.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
35.现有的燃料电池主要包括燃料电池堆芯和辅助部件，燃料电池堆芯由几十至数百个单体电堆串连堆叠形成，单体电堆包括分配介质流动的双极板和电化学反应的核心结构，即膜电极；辅助部件用于压紧燃料电池堆芯，并向电池堆芯提供氧化剂、还原剂和冷却剂进行电化学氧化还原反应。由于单体电堆的进出口数量较多，在将多个单体电堆集成为
燃料电池堆芯时，一般采用空间错位的方式布置多个进出口以及连通各个进出口的歧管，难以同时均匀分配氢气、氧化剂和冷却液，导致从各个歧管进口流入的流体的分配一致性差，从而严重影响了各个单体电堆的输出性能，导致各个单体电堆的热管理效率不一致，从而导致燃料电池的输出性能较差，且存在散热不良的风险，从而降低了燃料电池的使用寿命。
36.本发明提供一种燃料电池电堆模组，如图1和图2所示，该燃料电池电堆模组包括至少一个电堆组件，电堆组件包括两个沿高度方向依次堆叠的电堆组1、进料组件2和出料组件3，电堆组1包括两个沿高度方向依次堆叠的单体电堆11，单体电堆11沿长度方向的两端对称设置有入口组111和出口组112；进料组件2用于连通各个单体电堆11的入口组111，出料组件3用于连通各个单体电堆11的出口组112，流体能够通过进料组件2同步流入各个单体电堆11的入口组111，并从各个单体电堆11的出口组112同步流入出料组件3。
37.如图1和图2所示，该燃料电池电堆模组，通过将电堆组件的两个电堆组1沿高度方向依次堆叠，且将电堆组1的两个单体电堆11沿高度方向依次堆叠，可以理解的是，四个单体电堆11沿高度方向依次堆叠，进料组件2用于连通各个单体电堆11的入口组111，出料组件3用于连通各个单体电堆11的出口组112，具体地，流体通过进料组件2流入各个单体电堆11的入口组111，并通过各个单体电堆11的出口组112流出各个单体电堆11，从而实现各个单体电堆11的内部均发生电化学反应；其中通过设置流体能够通过进料组件2同步流入各个单体电堆11的入口组111，并从各个单体电堆11的出口组112同步流入出料组件3，如此设置，能够使得通过进料组件2流入各个单体电堆11内的流体的量基本相同，使得流体流入各个单体电堆11的流动一致性好，从而使得各个单体电堆11的输出性能一致，且有效提高了单体电堆11的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
38.其中，在本实施例中，如图1所示，仅示例性的以一个电堆组件为例。
39.其中，图2中ab方向为电堆组件的高度方向；图2中cd方向为电堆组件的长度方向。其中，电堆组件的高度方向与电堆组1的高度方向、以及单体电堆11的高度方向均平行；电堆组件的长度方向与电堆组1的长度方向、以及单体电堆11的长度方向均平行。
40.其中，如图1和图2所示，进料组件2包括两个入口歧管组21，出料组件3包括两个出口歧管组31，两个入口歧管组21与两个电堆组1一一对应设置，两个出口歧管组31与两个电堆组1一一对应设置；入口歧管组21用于连通电堆组1的两个单体电堆11的入口组111，出口歧管组31用于连通电堆组1的两个单体电堆11的出口组112，流体能够通过入口歧管组21同步流入电堆组1的两个单体电堆11的入口组111，并从两个单体电堆11的出口组112同步流入出口歧管组31。具体地，流体从入口歧管组21同步流入电堆组1的两个单体电堆11的入口组111，并从两个单体电堆11的入口组111同步流入两个单体电堆11内，使得两个单体电堆11的内部同步进行电化学反应，完成电化学反应的流体再通过各自的出口组112同步流入出口歧管组31，从而使得各个单体电堆11的输出性能一致，且有效提高了单体电堆11的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
41.具体地，如图1和图2所示，以电堆组1沿其高度方向的中心面为第一对称面，电堆组1的两个入口组111以第一对称面对称分布，电堆组1的两个出口组112以第一对称面对称分布。如此设置，使得流体通过入口歧管组21流入两个入口组111的流通路径的长度相同，也使得流体从两个出口组112流入出口歧管组31的流通路径的长度相同，进一步保证了单
体电堆11的输出性能一致。
42.具体地，如图1和图2所示，入口歧管组21包括多个入口歧管211，多个入口歧管211均设有第一流入口2111，出口歧管组31包括多个出口歧管311，多个出口歧管311均设有第一流出口3111；各个第一流入口2111和各个第一流出口3111均分布于第一直线上，且第一直线为第一对称面上的线。如此设置，使得多个第一流入口2111和多个第一流出口3111独立分布，互不干扰，便于安装和维护入口歧管组21的多个入口歧管211；同时，如此设置，使得通过各个第一流入口2111流入对应的入口歧管211内的流体能够同步流入电堆组1的两个单体电堆11。在本实施例中，入口歧管组21包括三个入口歧管211，出口歧管组31包括三个出口歧管311。
43.具体地，入口歧管211为注塑件，出口歧管311为注塑件。具体地，入口歧管211包括第一部分和第二部分，第一部分的两端分别连通于电堆组1的两个单体电堆11，第二部分和第一部分连通，且第一流入口2111设置于第二部分，其中，在本实施例中，第一部分和第二部分均由塑料材料注塑成型后，再通过激光焊接、摩擦焊或螺栓连接的方式将入口歧管211的第一部分和第二部分密封连接；出口歧管311包括第三部分和第四部分，第三部分的两端分别连通于电堆组1的两个单体电堆11，第四部分和第三部分连通，且第一流出口3111设置于第四部分，其中，在本实施例中，第三部分和第四部分均由塑料材料注塑成型后，再通过激光焊接、摩擦焊或螺栓连接的方式将出口歧管311的第三部分和第四部分密封连接。
44.具体地，在本实施例中，入口歧管211呈u形，出口歧管311呈u形。可以理解的是，入口歧管211为轴对称件，第一流入口2111位于入口歧管211的轴对称线上，使得通过第一流入口2111流入入口歧管211内的流体能够同时流入电堆组1的两个单体电堆11内；出口歧管311也为轴对称件，第一流出口3111位于出口歧管311的轴对称线上，使得两个单体电堆11内的流体能够同步流入出口歧管311。
45.其中，如图1和图2所示，进料组件2还包括进料总管组22，出料组件3还包括出料总管组32，进料总管组22用于连通两个入口歧管组21，出料总管组32用于连通两个出口歧管组31，进料总管组22内的流体能够同步流入两个入口歧管组21，两个出口歧管组31内的流体能够同步流入出料总管组32。具体地，流入进料总管组22的流体同步流入两个入口歧管组21，流体再从两个入口歧管组21同步流入两个电堆组1的四个单体电堆11的入口组111，并从四个单体电堆11的入口组111同步流入四个单体电堆11内，使得四个单体电堆11的内部同步进行电化学反应，完成电化学反应的流体再通过各自的出口组112同步流入对应的出口歧管组31，两个出口歧管组31内的流体再同步流入出料总管组32，从而使得各个单体电堆11的输出性能一致，从而有效提高了燃料电池电堆模组的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
46.具体地，进料总管组22包括多个进料总管221，多个进料总管221均设有第二流入口，出料总管组32包括多个出料总管321，多个出料总管321均设有第二流出口；各个第二流入口和各个第二流出口均分布于第二直线上，电堆组件沿其高度方向上的中心面为第二对称面，第二直线为第二对称面上的线。具体地，通过第二流入口流入进料总管221的流体通过第一流入口2111分别同步流入两个入口歧管211，流体再从入口歧管211同步流入电堆组1的两个单体电堆11的入口组111，并从两个单体电堆11的入口组111同步流入两个单体电堆11内，使得两个单体电堆11的内部同步进行电化学反应，完成电化学反应的流体再通过
各自的出口组112同步流入出口歧管311，从而使得各个单体电堆11的输出性能一致，从而有效提高了单体电堆11的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命；其中，通过设置多个第二流入口和多个第二流出口均分布于第二直线上，使得第二流入口和第二流出口独立分布，互不干扰，便于安装和维护；同时，如此设置，使得流体通过第二流入口同步流入两个入口歧管组21内，两个入口歧管组21内的流体能够通同步流入四个单体电堆11。在本实施例中，进料总管组22包括三个进料总管221，进料总管组22包括三个进料总管221。
47.具体地，入口组111包括沿单体电堆11的高度方向间隔设置的第一入口、第二入口和第三入口，出口组112包括沿单体电堆11的高度方向间隔设置的第一出口、第二出口和第三出口，第一入口与第一出口连通，第二入口与第二出口连通，第三入口和第三出口连通，第一入口的中心轴线和第一出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布，第二入口的中心轴线和第二出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布，第三入口的中心轴线和第三出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布。具体地，在本实施例中，第一入口、第二入口和第三入口分别用于流通氢气、氧化剂和冷却液，从而使得单体电堆11的内部能够正常进行电化学反应，也保证了各个单体电堆11的散热性能；通过设置，第一入口的中心轴线和第一出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布，第二入口的中心轴线和第二出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布，第三入口的中心轴线和第三出口的中心轴线沿单体电堆11的长度方向对称分布，使得第一入口、第二入口和第三入口流入的流体完成电化学反应后，能够同步从第一出口、第二出口和第三出口流出，从而保证各个单体电堆11的输出一致性。
48.具体地，在本实施例中，第一入口的口径小于第一出口的口径，第一入口的口径小于第一出口的口径，第一入口的口径小于第一出口的口径。如此设置，以减小完成电化学反应的流体的流阻，使得完成电化学反应的流体能够快速流出单体电堆11。可以理解的是，也可依据实际工况适应性的调整第一入口、第一出口、第二入口、第二出口、第三入口，以及第三出口的口径大小。
49.优选地，在本实施例中，入口组111的第一入口、第二入口和第三入口沿单体电堆11的高度方向均匀间隔分布，出口组112的第一出口、第二出口和第三出口沿单体电堆11的高度方向均匀间隔分布。
50.其中，如图1所示，沿电堆组件的高度方向，任意相邻两个单体电堆11中位于上方的单体电堆11的底部和位于下方的单体电堆11的顶部串联。如此设置，以便于将单体电堆11集成为电堆组件，能够有效减小电堆组件的空间占用率。
51.可以理解的是，电堆组件的数量也可为多个，当电堆组件的数量为多个时，多个电堆组件沿其高度方向依次堆叠，其中，任意相邻两个单体电堆11中位于上方的单体电堆11的底部和位于下方的单体电堆11的顶部串联。示例性的，以两个电堆组件为例，将两个电堆组件沿其高度方向依次堆叠，以将两个电堆组件集成为燃料电池电堆模组。
52.本发明还提供一种流体控制方法，该流体控制方法应用上述的燃料电池电堆模组。该流体控制方法包括：流体从进料组件2同步流入各个单体电堆11的入口组111，并从各个单体电堆11的出口组112同步流入出料组件3。
53.具体地，流体从进料组件2同步流入各个单体电堆11的入口组111，并从各个单体电堆11的出口组112同步流入出料组件3的具体步骤如下。
54.s1、流体从进料总管组22同步流入两个入口歧管组21。具体，流体通过第二流入口流入进料总管组22，并通过第一流入口2111同步流入两个入口歧管组21。
55.s2、流入入口歧管组21的流体同步流入电堆组1的两个单体电堆11。具体地，流入两个入口歧管组21的流体通过单体电堆11的入口组111同步流入各个单体电堆11内。
56.s3、单体电堆11内进行电化学反应。
57.s4、从各个单体电堆11的出口组112流出的流体同步流入对应的出口歧管组31。具体地，当各个单体电堆11完成电化学反应后，各个单体电堆11内的流体通过各自的出口组112流入对应的出口歧管组31。
58.s5、两个出口歧管组31的流体同步流入出料总管组32。具体地，两个出口歧管组31的流体通过第一流出口3111流入出料总管组32。
59.将该流体控制方法应用上述的燃料电池电堆模组，使得通过第二流入口流入进料总管221的流体通过第一流入口2111分别同步流入两个入口歧管组21，流体再从入口歧管组21同步流入两个电堆组1的四个单体电堆11的入口组111，并从四个单体电堆11的入口组111同步流入四个单体电堆11内，使得四个单体电堆11的内部同步进行电化学反应，完成电化学反应的流体再通过各自的出口组112同步流入对应的出口歧管组31，从而使得各个单体电堆11的输出性能一致，从而有效提高了单体电堆11的输出性能，有效提高了燃料电池的使用寿命。
60.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。