[发明专利]具有分配引导件的歧管嵌入件和包含该歧管嵌入件的燃料电池组

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有分配引导件的歧管嵌入件和包含该歧管嵌入件的燃料电池组。本发明更特别涉及一种可通过稳定地分配供应给燃料电池组的流体流来减小输出电压偏差并防止流不稳定的具有多个分配引导件的歧管嵌入件，以及包含该歧管嵌入件的燃料电池组。

背景技术

燃料电池是一种发电系统，用电化学方法将化学能直接转换成燃料电池组中的电能，而不是通过燃烧将燃料的化学能转换成热。燃料电池不但可以应用到工业、家用电器和车辆，还可以应用到诸如便携设备等小规模电力和电子设备的电力供应。

安装在车辆中的典型燃料电池系统包括：通过电化学反应发电的燃料电池组；用于将作为燃料的氢气供给燃料电池组的氢气供给系统；用于供给作为燃料电池中的电化学反应所需要的氧化剂的含氧气的空气的氧气(空气)供给系统；热管理系统(TMS)，用于将反应热从燃料电池组去除到燃料电池系统外，控制燃料电池的操作温度，并执行水管理功能；和用于控制燃料电池系统的整个操作的系统控制器。燃料电池系统利用氢气和含氧气的空气的电化学反应产生电力，并产生作为副产物的热量和水。

一种最引人注目的车用燃料电池是质子交换膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC中包含的燃料电池组包括：膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、衬垫、密封件和双极板。膜电极组件包括运输氢离子的聚合物电解质膜。发生电化学反应的电解质/催化剂层，布置在聚合物电解质膜两侧的每一侧上。气体扩散层起到均匀地扩散反应物气体和传送所产生电力的作用。衬垫起到为反应物气体和冷却剂提供适当的密封性的功能。密封件起到提供适当粘合压力的作用。双极板起到支撑膜电极组件和气体扩散层，收集并传送所产生电力、传送反应物气体、传送和去除反应产物，并传送冷却剂以去除反应热等的作用。

燃料电池组由多个单元电池构成，每个单元电池包括阳极、阴极和电解质(电解质膜)。氢气供应到阳极(“燃料电极”或“氧化电极”)，而含有氧气的空气被供应到阴极(“空气电极”、“氧气电极”或者“还原电极”)。

在具有上述配置的燃料电池车辆中，膜电极组件、气体扩散层和双极板按顺序并重复地堆叠以形成燃料电池组。此外，歧管(manifold)一体形成在沿单元电池堆叠方向的双极板上。歧管形成柱状的流场，使得氢气、氧气(空气)和冷却剂流经该流场。

同时，在燃料电池车中，每个负载的燃料消耗率保持稳定以优化氢气和氧气的消耗量，该量被定义成化学计量比(SR)。例如，由化学计量比(SR)计算出的，产生300A电流所需的氢气量为231SLPM(标准公升每分钟)。

为了去除杂质，例如浓缩水，并增大实际系统中的电势，通过供应与含有氧化剂的气体相同的过剩氢气来供应化学计量比为1.1至2.0的燃料。

然而，如果使用具有较高的体积功率密度(KW/L)的燃料电池组来改善车辆的动力性能，则堆叠在燃料电池组中的单元电池的数目将增加。这种增加会造成供给单元电池管道的气体通过用于分配气体的歧管的流率不均匀。

随着燃料电池组中的单元电池数目的增加，歧管的尺寸也增大，使得歧管能够容纳产生高功率所需要的气流。因此，如果单元电池的数目超出预定范围，则电压稳定的流率范围被限制或者化学计量比应该被保持在高水平，这将导致燃料效率的劣化。因此，有必要提供一种最佳的歧管，可以在不使燃料效率劣化的情况下确保供给单元电池均匀的气流。

图1和图2示出在部分载荷操作过程中(低流率，图1)和满载操作过程中(高流率，图2)供给燃料电池组的流体流相对于电池数目的分配。

如图1所示，在车辆部分载荷操作过程中，供给燃料电池组的气体的流率较低时，多个位置之间的单元电池的流率差异不明显。然而，如图2所示，在根据驾驶员的要求，例如突然加速的负载快速改变的过程中，与不同位置的单元电池相对应的流率是不均匀的，因而增大输出电压的偏差。

在流入口附近的单位电池(例如第一至第三个电池)中，与隔开一定距离的单元电池相比，存在因负载的快速变化在流率发生变化时所引起的流不稳定而导致的流率不足的区域。尽管歧管的横截面积是恒定的，但是能够到达隔开预定距离的单元电池的气体量减少。因此，多余的气体被供给单元电池，但是，存在由于气体压力的部分降低而导致的流率不足的区域，这将导致发电量的减少。因此，导致在发电中的限制，并且，如果供应到单元电池的气体的流率的不均匀超出控制范围，则可能会发展成启动失败和车辆熄火。

在过去，为试图解决这些问题，人们已经提出一种其中歧管以内部歧管的形式被设置以使现有双极板的设计变化最小并能均匀分配流体的双极板。