[發(fā)明專利]具有分配引導(dǎo)件的歧管嵌入件和包含該歧管嵌入件的燃料電池組

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110138951.1
• 申請日: 2011-05-19
• 公開（公告）號: CN102468502A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高幸進(jìn);琴榮范;南起榮;金允錫
• 申請（專利權(quán)）人: 現(xiàn)代自動車株式會社;起亞自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/24;B60L11/18
• 代理公司: 北京尚誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有分配引導(dǎo)件的歧管嵌入件和包含該歧管嵌入件的燃料電池組。本發(fā)明更特別涉及一種可通過穩(wěn)定地分配供應(yīng)給燃料電池組的流體流來減小輸出電壓偏差并防止流不穩(wěn)定的具有多個分配引導(dǎo)件的歧管嵌入件，以及包含該歧管嵌入件的燃料電池組。

背景技術(shù)

燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，用電化學(xué)方法將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成燃料電池組中的電能，而不是通過燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱。燃料電池不但可以應(yīng)用到工業(yè)、家用電器和車輛，還可以應(yīng)用到諸如便攜設(shè)備等小規(guī)模電力和電子設(shè)備的電力供應(yīng)。

安裝在車輛中的典型燃料電池系統(tǒng)包括：通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池組；用于將作為燃料的氫氣供給燃料電池組的氫氣供給系統(tǒng)；用于供給作為燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)所需要的氧化劑的含氧氣的空氣的氧氣(空氣)供給系統(tǒng)；熱管理系統(tǒng)(TMS)，用于將反應(yīng)熱從燃料電池組去除到燃料電池系統(tǒng)外，控制燃料電池的操作溫度，并執(zhí)行水管理功能；和用于控制燃料電池系統(tǒng)的整個操作的系統(tǒng)控制器。燃料電池系統(tǒng)利用氫氣和含氧氣的空氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，并產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的熱量和水。

一種最引人注目的車用燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC中包含的燃料電池組包括：膜電極組件(MEA)、氣體擴(kuò)散層(GDL)、襯墊、密封件和雙極板。膜電極組件包括運輸氫離子的聚合物電解質(zhì)膜。發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)/催化劑層，布置在聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)的每一側(cè)上。氣體擴(kuò)散層起到均勻地擴(kuò)散反應(yīng)物氣體和傳送所產(chǎn)生電力的作用。襯墊起到為反應(yīng)物氣體和冷卻劑提供適當(dāng)?shù)拿芊庑缘墓δ堋Ｃ芊饧鸬教峁┻m當(dāng)粘合壓力的作用。雙極板起到支撐膜電極組件和氣體擴(kuò)散層，收集并傳送所產(chǎn)生電力、傳送反應(yīng)物氣體、傳送和去除反應(yīng)產(chǎn)物，并傳送冷卻劑以去除反應(yīng)熱等的作用。

燃料電池組由多個單元電池構(gòu)成，每個單元電池包括陽極、陰極和電解質(zhì)(電解質(zhì)膜)。氫氣供應(yīng)到陽極(“燃料電極”或“氧化電極”)，而含有氧氣的空氣被供應(yīng)到陰極(“空氣電極”、“氧氣電極”或者“還原電極”)。

在具有上述配置的燃料電池車輛中，膜電極組件、氣體擴(kuò)散層和雙極板按順序并重復(fù)地堆疊以形成燃料電池組。此外，歧管(manifold)一體形成在沿單元電池堆疊方向的雙極板上。歧管形成柱狀的流場，使得氫氣、氧氣(空氣)和冷卻劑流經(jīng)該流場。

同時，在燃料電池車中，每個負(fù)載的燃料消耗率保持穩(wěn)定以優(yōu)化氫氣和氧氣的消耗量，該量被定義成化學(xué)計量比(SR)。例如，由化學(xué)計量比(SR)計算出的，產(chǎn)生300A電流所需的氫氣量為231SLPM(標(biāo)準(zhǔn)公升每分鐘)。

為了去除雜質(zhì)，例如濃縮水，并增大實際系統(tǒng)中的電勢，通過供應(yīng)與含有氧化劑的氣體相同的過剩氫氣來供應(yīng)化學(xué)計量比為1.1至2.0的燃料。

然而，如果使用具有較高的體積功率密度(KW/L)的燃料電池組來改善車輛的動力性能，則堆疊在燃料電池組中的單元電池的數(shù)目將增加。這種增加會造成供給單元電池管道的氣體通過用于分配氣體的歧管的流率不均勻。

隨著燃料電池組中的單元電池數(shù)目的增加，歧管的尺寸也增大，使得歧管能夠容納產(chǎn)生高功率所需要的氣流。因此，如果單元電池的數(shù)目超出預(yù)定范圍，則電壓穩(wěn)定的流率范圍被限制或者化學(xué)計量比應(yīng)該被保持在高水平，這將導(dǎo)致燃料效率的劣化。因此，有必要提供一種最佳的歧管，可以在不使燃料效率劣化的情況下確保供給單元電池均勻的氣流。

圖1和圖2示出在部分載荷操作過程中(低流率，圖1)和滿載操作過程中(高流率，圖2)供給燃料電池組的流體流相對于電池數(shù)目的分配。

如圖1所示，在車輛部分載荷操作過程中，供給燃料電池組的氣體的流率較低時，多個位置之間的單元電池的流率差異不明顯。然而，如圖2所示，在根據(jù)駕駛員的要求，例如突然加速的負(fù)載快速改變的過程中，與不同位置的單元電池相對應(yīng)的流率是不均勻的，因而增大輸出電壓的偏差。

在流入口附近的單位電池(例如第一至第三個電池)中，與隔開一定距離的單元電池相比，存在因負(fù)載的快速變化在流率發(fā)生變化時所引起的流不穩(wěn)定而導(dǎo)致的流率不足的區(qū)域。盡管歧管的橫截面積是恒定的，但是能夠到達(dá)隔開預(yù)定距離的單元電池的氣體量減少。因此，多余的氣體被供給單元電池，但是，存在由于氣體壓力的部分降低而導(dǎo)致的流率不足的區(qū)域，這將導(dǎo)致發(fā)電量的減少。因此，導(dǎo)致在發(fā)電中的限制，并且，如果供應(yīng)到單元電池的氣體的流率的不均勻超出控制范圍，則可能會發(fā)展成啟動失敗和車輛熄火。

在過去，為試圖解決這些問題，人們已經(jīng)提出一種其中歧管以內(nèi)部歧管的形式被設(shè)置以使現(xiàn)有雙極板的設(shè)計變化最小并能均勻分配流體的雙極板。