一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构。


背景技术：

2.面对当今国内乃至全球日益严格的尾气排放标准及未来的能源危机，各大汽车厂商都在研发低排放的新能源技术，以适应这一发展趋势，其中燃料电池汽车是目前各大车企大力研发的领域之一。燃料电池具有清洁、高效等诸多优点，受到越来越多的人们的关注。
3.燃料电池通常由几十片至上百片双极板和膜电极组件经过叠加组装而成，其内部通过多分支并联管路系统实现流体的分配和流动。质子交换膜燃料电池(pemfc)内部同样存在多分支并联管路系统，最为典型的便是pemfc极板的流场结构。pemfc极板上布满尺寸微小、结构细长的流道；当燃料电池运行时，阴阳极的反应气体均通过两边的极板入口(总管路)引入，在多根流道(分支管路)约束下分流至燃料电池各区域。反应气体在电池内部充分流动、反应后通过流道合流，由极板出口引出。
4.但是，在pemfc极板多分支并联管路系统中，反应气体在分流与合流过程中常常出现脱流、涡流、脉动等现象，这些现象会造成管路系统流量分配不均和管路振动等问题，进而影响整个燃料电池系统的能耗、性能、运行稳定性和安全性等。对于非稳态的并联管路网，其中一个或多个分支流量变化会影响整个管路网的流量分配，如果总管和支管的管径、结构设计不合理，会导致近端流量少甚至无流量的情况，严重影响气体反应的正常进行。
5.并且，近年来，pemfc正朝着高能量密度的方向发展，极板因此变得越来越轻薄化，极板上的流道尺寸更是缩减到1
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10-1
mm量级，给多分支并联管路系统的设计增大了难度，很难控制好单根支管(流道)内的流动参数。


技术实现要素：

6.基于此，本实用新型实施例提供一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构，旨在解决现有的燃料电池流量分配不均、管路振动、近端流量少甚至无流量、很难控制好单根支管(流道)内的流动参数，进而影响整个燃料电池系统的能耗、性能、运行稳定性和安全性等问题。
7.为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构，包括依次连接的第一级管、第二级管和第三级管；
8.所述第二级管包括至少两个独立设置的第一支管和第二支管，所述第一支管和所述第二支管分别与所述第一级管连通；
9.所述第三级管包括至少四个独立设置的第三支管、第四支管、第五支管和第六支管；所述第三支管和所述第四支管分别与所述第一支管连通，所述第五支管和所述第六支管分别与所述第二支管连通；
10.所述第一级管与所述第二级管的交汇处设置有第一分流节点，所述第一分流节点设置于所述第一支管和所述第二支管的交汇处；
11.所述第二级管和所述第三级管的交汇处设置有第二分流节点和第三分流节点，所述第二分流节点设置于所述第三支管和所述第四支管的交汇处；所述第三分流节点设置于所述第五支管和所述第六支管的交汇处。
12.作为优选的实施方式，所述第一支管的进口与所述第二支管的进口处于不同的水平线上。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管和第二支管的流量分配均匀。
13.作为优选的实施方式，所述第一支管的管径小于所述第二支管的管径，且所述第一支管的长度大于所述第二支管的长度。这样设置，使得流体流动所引起的压降减小，有利于促进流体的分流，使得第一支管和第二支管的流量分配均匀。
14.作为优选的实施方式，所述第一支管和所述第二支管的管径之和小于所述第一级管的管径。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管和第二支管的流量分配均匀。
15.作为优选的实施方式，所述第一支管的流道曲率大于所述第二支管的流道曲率。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管和第二支管的流量分配平衡。
16.作为优选的实施方式，所述第一级管为母管，所述第二级管为一级支管，所述第三级管为二级支管。
17.作为优选的实施方式，所述第一支管和所述第二支管平行设置。这样可以保证流体在进入第三支管、第四支管、第五支管和第六支管时的流道方向相同。
18.作为优选的实施方式，所述第三支管的进口直径小于所述第四支管的进口直径；所述第五支管的进口直径小于所述第六支管的进口直径。这样设置，即对第三支管和第五支管的进口做了收束处理，使得第三支管的进口小于第四支管的进口、第五支管的进口小于第六支管的进口，保证第三支管的流量和第四支管的流量相同、第五支管的流量和第六支管的流量相同。
19.作为优选的实施方式，所述第四支管远离所述第三支管的侧壁与所述第一支管通过圆角连接。这样设置，可以扩大第四支管的流量，使经第一支管的流体引流至第四支管，同时也减少流体流动过程中湍动能的损失。
20.本实用新型实施例所述均衡分配流动的单向多分支并联管路结构可以应用于燃料电池结构中。
21.例如，所述均衡分配流动的单向多分支并联管路结构可以应用于燃料电池的极板的氢气流道、氧气流道或者水流道中，采用本技术均衡分配流动的单向多分支并联管路结构的氢气流道、氧气流道或者水流道流量分配均匀，系统的整体压降降低，没有出现管路振动、近端流量少甚至无流量的情况，能够较好的控制单根支管(流道)内的流量参数，使得整个燃料电池系统性能稳定、运行稳定性和安全性均较好，而且结构简单、能耗较低，经济实用，安装方便，可加工性好。
22.本实用新型提出的一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构，通过设置三级分流结构，可以实现控制多分支并联管路多层级进口气体(流体)流动的功能，能够保证进入各个流道中的气体(流体)流量分配更均匀，有效降低系统的整体压降，没有出现管路振动、近端流量少甚至无流量等情况，能够较好的控制单根支管(流道)内的流量参数，使得整个系统性能稳定、运行稳定性和安全性均较好，而且结构简单、能耗较低，经济实用，安装方
便，可加工性好，可以应用于燃料电池系统中进行使用。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
24.图1为本发明一实施例的均衡分配流动的单向多分支并联管路结构的结构主视图；
25.图2为图1的均衡分配流动的单向多分支并联管路结构的立体结构示意图。
26.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
31.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
32.一般的，单个燃料电池串联叠加组成电堆，每个燃料电池单元由膜电极和双极板两部分组成。通过模压/冲压技术在双极板的表面加工出沟槽区域，即流道；燃料电池内部的流体流动(氢气、空气、水)被限制在沟槽内，形成燃料电池的内部流场。燃料电池性能的好坏很大一部分取决于双极板的流场，具体影响因素包括：流场板的类型；流体在流场中的
流动方向；流道的长度与数量；流道中添加挡板；流道尺寸。
33.上述因素与伴有电化学反应的传热、传质及界面现象关联。由于极板承担着供气和排水的作用，极板上的流道结构不仅直接影响着反应气体向气体扩散层的扩散传质以及生成水排出的过程，还间接影响着电化学反应产生的热量传递与分布过程。燃料电池性能好坏取决于反应物以及水热管理性能，因此，通过对极板上的流道结构进行设计与改进来强化内部传质与传热过程是提升燃料电池性能需要重点考虑的因素。
34.目前，现有技术的质子交换膜燃料电池极板流道设计不合理，导致流体流量分配不均匀的现象。这种不均一性的另一种不良反应就是燃料电池系统的压力损失上升、反应物扩散传质能力下降、利用率下降以及燃料电池性能下降。为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构。
35.具体的，如图1和图2所示，本实用新型一实施例提供一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构，包括依次连接的第一级管10、第二级管20和第三级管30；
36.所述第二级管20包括至少两个独立设置的第一支管21和第二支管22，所述第一支管21和所述第二支管22分别与所述第一级管10连通；
37.所述第三级管30包括至少四个独立设置的第三支管31、第四支管32、第五支管33和第六支管34；所述第三支管31和所述第四支管32分别与所述第一支管21连通，所述第五支管33和所述第六支管34分别与所述第二支管22连通；
38.所述第一级管10与所述第二级管20的交汇处设置有第一分流节点40，所述第一分流节点40设置于所述第一支管21和所述第二支管22的交汇处；
39.所述第二级管20和所述第三级管30的交汇处设置有第二分流节点50和第三分流节点60，所述第二分流节点50设置于所述第三支管31和所述第四支管32的交汇处；所述第三分流节点60设置于所述第五支管33和所述第六支管34的交汇处。
40.作为优选的实施方式，所述第一支管21的进口与所述第二支管22的进口处于不同的水平线上。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管21和第二支管22的流量分配均匀。
41.作为优选的实施方式，所述第一支管21的管径小于所述第二支管22的管径，且所述第一支管21的长度大于所述第二支管22的长度。这样设置，使得流体流动所引起的压降减小，有利于促进流体的分流，使得第一支管21和第二支管22的流量分配均匀；同时，能够很好的提高极板的空间利用率，有效增大气体的反应面积。
42.作为优选的实施方式，所述第一支管21和所述第二支管22的管径之和小于所述第一级管10的管径。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管21和第二支管22的流量分配均匀；同时，能够很好的提高极板的空间利用率，有效增大气体的反应面积。
43.作为优选的实施方式，所述第一支管21的流道曲率大于所述第二支管22的流道曲率。这样设置，有利于促进流体的分流，使得第一支管21和第二支管22的流量分配平衡。
44.作为优选的实施方式，所述第一级管10为母管，所述第二级管20为一级支管，所述第三级管30为二级支管。
45.作为优选的实施方式，所述第一支管21和所述第二支管22平行设置。这样可以保证流体在进入第三支管31、第四支管32、第五支管33和第六支管34时的流道方向相同。
46.作为优选的实施方式，所述第三支管31的进口直径小于所述第四支管32的进口直
径；所述第五支管33的进口直径小于所述第六支管34的进口直径。这样设置，即对第三支管31和第五支管33的进口做了收束处理，使得第三支管31的进口小于第四支管32的进口、第五支管33的进口小于第六支管34的进口，保证第三支管31的流量和第四支管32的流量相同、第五支管33的流量和第六支管34的流量相同。
47.作为优选的实施方式，所述第四支管32远离所述第三支管31的侧壁与所述第一支管21通过圆角(第一圆角)连接。圆角的弧度可以根据实际需要进行设置。这样，可以扩大第四支管32的流量，使经第一支管21的流体引流至第四支管32，同时也减少流体流动过程中湍动能的损失。
48.此外，作为优选的实施方式，所述第三支管31靠近所述第四支管32的侧壁与所述第一支管21通过圆角(第二圆角)连接；所述第三支管31远离所述第四支管32的侧壁与所述第一支管21通过圆角(第三圆角)连接；所述第一支管21远离所述第二支管22的侧壁通过圆角(第四圆角)与所述第一级管10连接；所述第二支管22远离所述第一支管21的侧壁通过圆角(第五圆角)与所述第一级管10连接。各圆角的弧度可以根据实际需要进行设置，可以很好的起到扩流和引流的作用，同时也减少流体流动过程中湍动能的损失。
49.本实用新型实施例所述均衡分配流动的单向多分支并联管路结构可以应用于燃料电池结构中。
50.例如，所述均衡分配流动的单向多分支并联管路结构可以应用于燃料电池的极板的氢气流道、氧气流道或者水流道中，采用本技术均衡分配流动的单向多分支并联管路结构的氢气流道、氧气流道或者水流道流量分配均匀，系统的整体压降降低，没有出现管路振动、近端流量少甚至无流量的情况，能够较好的控制单根支管(流道)内的流量参数，使得整个燃料电池系统性能稳定、运行稳定性和安全性均较好，而且结构简单、能耗较低，经济实用，安装方便，可加工性好。
51.使用本技术结构的时候，流体从结构右侧的第一级管10流入管路系统，带有向左的水平速度，通过控制第一支管21和第二支管22的进口水平线、流道曲率、管径大小、长度等，有利于促进流体的分流，使得第一支管21和第二支管22的流量分配平衡(流量可以通过现有的cfd方法计算得到)。并且，通过第一支管21和第二支管22平行设置、第三支管31的进口直径小于第四支管32的进口直径、第五支管33的进口直径小于第六支管34的进口直径以及第四支管32远离第三支管31的内侧壁与第一支管21通过大弧度圆角连接，在进入第三支管31、第四支管32、第五支管33和第六支管34时的流道方向和流量相同，同时也减少流体流动过程中湍动能的损失。
52.本实用新型提出的一种均衡分配流动的单向多分支并联管路结构，通过设置三级分流结构，可以实现控制多分支并联管路多层级进口气体(流体)流动的功能，能够保证进入各个流道中的气体(流体)流量分配更均匀，有效降低系统的整体压降，没有出现管路振动、近端流量少甚至无流量等情况，能够较好的控制单根支管(流道)内的流量参数，使得整个系统性能稳定、运行稳定性和安全性均较好，而且结构简单、能耗较低，经济实用，安装方便，可加工性好，可以应用于燃料电池系统中进行使用。
53.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。