一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构。


背景技术：

2.燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的化学装置。按电解质性质，燃料电池可细分为有碱性燃料电池(afc)、质子交换膜燃料电池(pemfc)、磷酸燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固态氧化物燃料电池(sofc)。从工作方式来看，燃料电池较接近与汽油或柴油发电机。
3.燃料电池堆通常由一系列电池单体组成。每个电池单体由一对阳极和阴极及位于阳极和阴极间的膜电极组件mea组成。每个电池单体上的电压由电池中发生的电化学反应的类型决定。已有的燃料电池系统将燃料电池堆与不同的子系统集成，例如管理水、燃料、空气、加湿和热条件。目前，市场上的主流电堆大都为30kw～50kw的石墨板电堆，且工艺较为成熟，但随着市场需求，大功率电堆开发成为研发热点，现在主流技术方案为电堆外部供气管道并联实现电堆功率叠加，采用2个及以上电堆并联方式会增加电堆外部进气管道，增加额外体积，同时气体分配复杂，且存在每个单堆气体分配不均匀问题，电池数量增加还会影响电堆内部应力和气流分布的均匀性，这些都会对电堆的性能产生负面影响。在燃料电池堆芯进行反应时，需要从管道中吹入反应气流，让反应气流进入到堆芯公共管道中参与反应，但反应气流进入到堆芯公共管道时容易发生紊流，影响堆芯中各电池单元之间的气体分配效果和稳定性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现小流量下平稳供气和大流量下的涡流供气的大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，所述堆芯公共管道包括气体入口和气体出口，在所述气体入口和气体出口之间并联设有大管径低流速管道和小管径高流速管道。
7.进一步地，所述小管径高流速管道的最小横截面积c与大管径低流速管道的最小横截面积d均小于堆芯公共管道的横截面积s。
8.进一步地，所述小管径高流速管道的最小横截面积c与堆芯公共管道的横截面积s的关系为：c＝0.05s～0.5s。
9.进一步地，所述大管径低流速管道的最小横截面积d与堆芯公共管道的横截面积s的关系为：d》0.5s。
10.进一步地，所述小管径高流速管道的最小横截面积c与大管径低流速管道的最小横截面积d的关系为d＝3c～30c。
11.进一步地，所述气体入口尾端分叉形成小管径高流速管道和大管径低流速管道。
12.进一步地，所述小管径高流速管道沿着气体入口的方向布置。
13.进一步地，所述大管径低流速管道内气体流向与气体入口内气体流向形成大于45度的夹角。
14.进一步地，所述小管径高流速管道的最大截面积a与最小横截面积c之间的关系为：a＝1.5c～50c。
15.进一步地，所述堆芯公共管道为圆管或方管。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
17.(1)大管径低流速区与小管径高流速区并联，利用特斯拉阀的原理，实现堆芯公共管道内小流量下的平缓供气和大流量下的涡流供气，从而减少了大气流量工况下公共管道中的湍流对电堆运行状态稳定性的影响。
附图说明
18.图1为本实用新型堆芯公共管道结构示意图；
19.图2为本实用新型堆芯公共管道内气体流向示意图；
20.图3为本实用新型大管径低流速管道内气体流向示意图；
21.图4为本实用新型小管径高流速管道内气体流向示意图。
22.图中：1、堆芯公共管道；101、气体入口；102、气体出口；2、大管径低流速管道；3、小管径高流速管道。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
24.实施例
25.如图1所示，一种燃料电堆堆芯公共管道1导流结构，堆芯公共管道1包括气体入口101和气体出口102，在所述气体入口101和气体出口102之间并联设有大管径低流速管道2和小管径高流速管道3。
26.如图2所示，小管径高流速管道3的最小横截面积c与大管径低流速管道2的最小横截面积d均小于堆芯公共管道1的横截面积s。小管径高流速管道3的最小横截面积c与堆芯公共管道1的横截面积s的关系为：c＝0.05～0.5s。在本实施例中，小管径高流速管道3的最小横截面积c与堆芯公共管道1的横截面积s的关系为：c＝0.2s；大管径低流速管道2的最小横截面积d与堆芯公共管道1的横截面积s的关系为：d》0.5s，在本实施例中，大管径低流速管道2的最小横截面积d与堆芯公共管道1的横截面积s的关系为：d＝0.6s；小管径高流速管道3的最小横截面积c与大管径低流速管道2的最小横截面积d的关系为d＝3～30c，在本实施例中，小管径高流速管道3的最小横截面积c与大管径低流速管道2的最小横截面积d的关系为：d＝3c；小管径高流速管道3的最大截面积a与最小横截面积c之间的关系为：a＝2c，在小流量供气的工况下，小管径高流速管道3和大管径低流速管道2实现平缓供气，在大流量供气的工况下，由于小管径高流速管道3和大管径低流速管道2横截面积的大小差距，气体在小管径高流速管道3中高速流动，在大管径低流速管道2中低速流动，两管中的气流于气体出口102汇合后，由于气流流速的不同，在气体出口102中形成涡流，实现大流量供气的工
况下的涡流供气，提升了电堆运行状态稳定性。
27.如图3和图4所示，小管径高流速管道3供高流速气体通过，大管径低流速管道2供低流速气体通过，小管径高流速管道3沿着气体入口13的方向布置，大管径低流速管道2内气体流向与气体入口13内气体流向形成大于45度的夹角，在本实施例中，夹角为50度，根据特斯拉阀的原理，堆芯公共管道1逆流的气体流动阻力变大大，从而无法逆流到进气口，实现堆芯公共管道内小流量下的平缓供气和大流量下的涡流供气，提升了电堆运行状态稳定性。
28.综上所述，本实用新型通过在堆芯公共管道上设置并联管道，提供了一种实现小流量下平稳供气和大流量下的涡流供气的大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，减少了大气流量工况下公共管道中的湍流对电堆运行状态稳定性的影响。


技术特征：
1.一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，包括堆芯公共管道(1)，所述堆芯公共管道(1)包括气体入口(101)和气体出口(102)，其特征在于，在所述气体入口(101)和气体出口(102)之间并联设有大管径低流速管道(2)和小管径高流速管道(3)。2.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述小管径高流速管道(3)的最小横截面积c与大管径低流速管道(2)的最小横截面积d均小于堆芯公共管道(1)的横截面积s。3.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述小管径高流速管道(3)的最小横截面积c与堆芯公共管道(1)的横截面积s的关系为：c＝0.05s～0.5s。4.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述大管径低流速管道(2)的最小横截面积d与堆芯公共管道(1)的横截面积s的关系为：d>0.5s。5.根据权利要求2所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述小管径高流速管道(3)的最小横截面积c与大管径低流速管道(2)的最小横截面积d的关系为d＝3c～30c。6.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述气体入口(101)尾端分叉形成小管径高流速管道(3)和大管径低流速管道(2)。7.根据权利要求6所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述小管径高流速管道(3)沿着气体入口(101)的方向布置。8.根据权利要求6所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述大管径低流速管道(2)内气体流向与气体入口(101)内气体流向形成大于45度的夹角。9.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述小管径高流速管道(3)的最大截面积a与最小横截面积c之间的关系为：a＝1.5c～50c。10.根据权利要求1所述的一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，其特征在于，所述堆芯公共管道(1)为圆管或方管。

技术总结
本实用新型涉及一种大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，所述堆芯公共管道(1)包括气体入口(101)和气体出口(102)，其特征在于，在所述气体入口(101)和气体出口(102)之间并联设有大管径低流速管道(2)和小管径高流速管道(3)。本实用新型通过在堆芯公共管道上设置并联管道，提供了一种实现小流量下平稳供气和大流量下的涡流供气的大功率燃料电堆公共管道气体涡流控制结构，减少了大气流量工况下公共管道中的湍流对电堆运行状态稳定性的影响。响。响。


技术研发人员：麦建明
受保护的技术使用者：上海氢晨新能源科技有限公司
技术研发日：2022.10.21
技术公布日：2023/3/28