CN112103547B - 一种燃料电池电堆歧管总成 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车技术领域，具体公开了一种燃料电池电堆歧管总成，其包括：歧管主体，歧管主体的第一端和第二端均设置有多个与电堆连通的介质接口；双级汽水分离器，分离由电堆中排出的汽水中的水和氢气，双级汽水分离器包括相连通的低速汽水分离器和高速汽水分离器；集水机构，用于收集双级汽水分离器内排出的水，集水机构与双级汽水分离器连通；排水管通过电磁阀与集水机构连通；加热机构，设置于所述集水机构的一侧，并用于加热所述电磁阀和所述冷却液出口。本发明提供的燃料电池电堆歧管总成可以提高燃料电池电堆***的集成度，简化燃料电池电堆***。

Description

一种燃料电池电堆歧管总成
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆歧管总成。
背景技术
燃料电池电堆歧管总成主要用作介质接口，电堆所需的氢气、空气和冷却液流经歧管总成进入电堆，同时参加反应后的氢气和空气、冷却液流经歧管总成再次回到电堆。燃料电池电堆歧管总成的结构及功能对于电堆的性能、电堆和燃料电池***的体积比功率有非常重要的影响。
现有技术中的燃料电池电堆歧管总成只具有简单的流体分配功能，功能较为单一，起不到简化燃料电池电堆***的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆歧管总成，以提高燃料电池电堆***的集成度，简化燃料电池电堆***。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池电堆歧管总成，包括：
歧管主体，所述歧管主体的第一端和第二端均设置有多个与电堆连通的介质接口，所述第一端与所述第二端相对设置，所述介质接口包括汽水出口和冷却液出口；
双级汽水分离器，用于分离由所述电堆中排出的汽水中的水和氢气，并设置于所述第一端和所述第二端之间，所述双级汽水分离器包括相连通的低速汽水分离器和高速汽水分离器，所述高速汽水分离器的始端与所述汽水出口连通，被分离出的所述氢气由所述低速汽水分离器的末端排出；
集水机构，开设于所述歧管主体，并用于收集所述双级汽水分离器内排出的水，所述集水机构设置于所述双级汽水分离器的下方，并与所述双级汽水分离器连通；
排水管，设置于所述歧管主体的下侧，并通过电磁阀与所述集水机构连通；
加热机构，设置于所述集水机构的一侧，并用于加热所述电磁阀和所述冷却液出口。
作为优选，所述集水机构包括：
集水流道，沿所述第一端和所述第二端设置的方向延伸；
集水腔，所述集水流道的两端均连通有所述集水腔，两个所述集水腔内均连接有所述电磁阀。
作为优选，所述高速汽水分离器包括：
第一汽水腔，开设于所述歧管主体；
多个第一挡板，所述第一汽水腔的上壁和下壁均连接有所述第一挡板，所述第一挡板与所述第一汽水腔的内壁围成蛇形流道。
作为优选，所述低速汽水分离器包括：
第二汽水腔，开设于所述歧管主体，且为圆柱形结构；
多个第二挡板，沿所述第二汽水腔的周向均匀设置，并与所述第二汽水腔的径向呈夹角设置，多个所述第二挡板远离所述第二汽水腔的内壁的一端围成所述低速汽水分离器的末端。
作为优选，所述双级汽水分离器还包括：
第一连接通道，开设于所述歧管主体，用于连通所述汽水出口和所述高速汽水分离器；
第二连接通道，开设于所述歧管主体，用于连通所述高速汽水分离器和所述低速汽水分离器。
作为优选，所述介质接口包括开设于所述歧管主体的所述第一端的冷却液入口、开设于所述歧管主体的所述第二端的氢气入口和空气出口，所述空气出口、所述氢气入口和所述冷却液入口分别设置有第一温压传感器、压力传感器和第二温度传感器。
作为优选，两个所述集水腔内分别设置有插针式液位传感器。
作为优选，所述歧管主体包括底座和盖设于所述底座上的盖板，所述底座与所述盖板盖合后形成所述双级汽水分离器、所述集水机构和所述加热机构。
作为优选，所述底座和所述盖板通过多个紧固螺栓连接，且多个所述紧固螺栓连接沿多个所述介质接口、所述双级汽水分离器和所述加热机构的外侧间隔设置。
作为优选，所述底座和所述盖板之间设置有密封圈，且多个所述介质接口、所述双级汽水分离器和所述加热机构的外侧均设置有所述密封圈。
本发明的有益效果：
本发明的燃料电池电堆歧管总成集成有介质接口、双级汽水分离器、集水机构和加热机构，提高了燃料电池电堆歧管总成的集成度，使得燃料电池电堆歧管总成具有分离汽水中的氢气和水的作用，同时提高了燃料电池电堆歧管总成的冷启动性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的燃料电池电堆歧管总成集成的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的燃料电池电堆歧管总成集成移除盖板后的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的燃料电池电堆歧管总成集成移除盖板和介质管后的结构示意图。
图中：
1、歧管主体；11、底座；12、盖板；14、空气入口；15、冷却液入口；16、汽水出口；17、氢气入口；18、冷却液出口；19、空气出口；
2、双级汽水分离器；21、高速汽水分离器；211、第一汽水腔；212、第一挡板；22、低速汽水分离器；221、第二汽水腔；222、第二挡板；23、第一连接通道；24、第二连接通道；
3、紧固螺栓；
4、集水机构；41、集水流道；42、集水腔；
5、排水管；
6、加热机构；61、热介质流道；62、热介质入口；63、热介质出口；
71、第一空气管；72、第二空气管；73、第一冷却液管；74、第二冷却液管；75、第一氢气管；76、第二氢气管；77、第一热介质管；78、第二热介质管；
81、排水电磁阀；82、排氢电磁阀；
91、插针式液位传感器；92、第一温压传感器；93、压力传感器；94、第二温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。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。
本发明中限定了一些方位词，在未作出相反说明的情况下，所使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”这些方位词是为了便于理解而采用的，因而不构成对本发明保护范围的限制。
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。
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。
本实施例提供了一种燃料电池电堆歧管总成，用于燃料电池电堆***中以提高燃料电池电堆***的集成度，简化燃料电池电堆***。
如图1和图2所示，本实施例提供的燃料电池电堆歧管总成包括歧管主体1、双级汽水分离器2、集水机构4、排水管5和加热机构6。歧管主体1的第一端和第二端均设置有与电堆连通的介质接口，从而为电堆提供燃烧所需的介质以及将电堆燃烧后形成的介质排出，双级汽水分离器2、集水机构4、排水管5和加热机构6均设置于歧管主体1上，其中，双级汽水分离器2用于分离由电堆中排出的汽水中的水和氢气，集水机构4用于收集双级汽水分离器2内排出的水，排水管5用于将集水机构4中的水排出，加热机构6用于流通热的液体，以防止部分介质接口结冰。
具体而言，歧管主体1的第一端由上向下依次设置有与电堆连通的空气入口14、冷却液入口15和汽水出口16，歧管主体1的第二端由上向下依次设置有氢气入口17、冷却液出口18和空气出口19，第一端与第二端相对设置。
为了将介质接口与外界连通，从而向介质接口内通入空气、冷却液或氢气等介质，燃料电池电堆歧管总成还包括介质管，介质管包括与空气入口14连通的第一空气管71、与空气出口19连通的第二空气管72、与冷却液入口15连通的第一冷却液管73、与冷却液出口18连通的第二冷却液管74、与氢气入口17连通的第一氢气管75以及与氢气出口连通的第二氢气管76。
双级汽水分离器2设置于第一端和第二端之间，双级汽水分离器2包括相连通的低速汽水分离器22和高速汽水分离器21，高速汽水分离器21的始端与汽水出口16连通，被分离出的氢气由低速汽水分离器22的末端排出。双级汽水分离器2可以同时满足汽水的流速在高速和低速条件下的分离效率。可以理解的是，低速汽水分离器22对低速流动的汽水的分离效果较好，高速汽水分离器21对高速流动的汽水的分离效果较好，低速汽水分离器22和高速汽水分离器21中的高、低是两者相对而言的，没有绝对的高、低界限之分。
集水机构4开设于歧管主体1，集水机构4设置于双级汽水分离器2的下方，并与双级汽水分离器2连通，以使双级汽水分离器2内的水在重力作用下流入集水机构4。排水管5设置于歧管主体1的下侧，并通过电磁阀与集水机构4连通，通过预设时间或集水机构4内的水量达到一定值时，电磁阀开启，使集水机构4内的水由排水管5排出。
加热机构6设置于集水机构4的一侧，并用于加热电磁阀和冷却液出口18。具体而言，加热机构6包括设置于歧管主体1并依次连通的热介质流道61、热介质入口62和热介质出口63，向热介质入口62内通过热水或其他类型的热介质，热介质经过热介质流道61后，由热介质出口63排出。热介质入口62位于热介质出口63的下侧，以使热介质能够填充整个热介质流道61，并在一定时间内滞留在热介质流道61内。热介质流道61与电磁阀和冷却液出口18相邻设置，以使得热介质的热量传递给电磁阀和冷却液出口18，有效防止电磁阀和冷却液出口18冬季结冰，大大提高燃料汽车的冷启动性能。为了向加热机构6通入热介质和将热介质排出，介质管还包括与热介质入口62连通的第一热介质管77，以及与热介质出口63连通的第二热介质管78。
本实施例提供的燃料电池电堆歧管总成集成有介质接口、双级汽水分离器2、集水机构4和加热机构6，提高了燃料电池电堆歧管总成的集成度，使得燃料电池电堆歧管总成具有分离汽水中的氢气和水的作用，同时提高了燃料电池电堆歧管总成的冷启动性能。
如图3所示，高速汽水分离器21包括第一汽水腔211和第一挡板212，第一汽水腔211开设于歧管主体1，第一汽水腔211的上壁和下壁均连接有第一挡板212，第一挡板212与第一汽水腔211的内壁围成蛇形流道。汽水由蛇形流道流入高速汽水分离器21，汽水在流动过程中，水碰撞到第一挡板212和第一汽水腔211的内壁后，会沿第一挡板212和第一汽水腔211的内壁流到第一汽水腔211的腔底，最后由第一汽水腔211的腔底流入到集水机构4中。
低速汽水分离器22包括第二汽水腔221和多个第二挡板222，第二汽水腔221开设于歧管主体1，且为圆柱形结构，多个第二挡板222沿第二汽水腔221的周向均匀设置，并与第二汽水腔221的径向呈夹角设置，多个第二挡板222远离第二汽水腔221的内壁的一端围成低速汽水分离器22的末端。汽水在低速汽水分离器22中旋转，并在离心力的作用下碰撞到第二汽水腔221的腔壁和第二挡板222，然后沿第二汽水腔221的腔壁和第二挡板222流至第二汽水腔221的腔底，最后第二汽水腔221的腔底流入到集水机构4中。
为实现汽水出口16和高速汽水分离器21的连通，双级汽水分离器2还包括第一连接通道23，第一连接通道23开设于歧管主体1，用于连通汽水出口16和高速汽水分离器21的第一汽水腔211。为实现高速汽水分离器21和低速汽水分离器22的连通，双级汽水分离器2还包括第二连接通道24，第二连接通道24开设于歧管主体1，用于连通低速汽水分离器22第二汽水腔221和高速汽水分离器21第一汽水腔211。
集水机构4包括集水流道41和集水腔42，集水流道41沿第一端和第二端设置的方向延伸，集水流道41的两端均连通有集水腔42，从而避免由于电堆倾斜而出现的无法排水的问题。
如图2和图3所示，两个集水腔42内均连接有电磁阀。被分离出的水可以暂存到集水腔42中，经过预设时间或集水腔42内的水量达到一定值时，电磁阀开启，使集水机构4内的水由排水管5排出。
优选地，两个集水腔42内分别设置有插针式液位传感器91，当插针式液位传感器91检测集水腔42内的水达到一定量时，电磁阀开启，使集水机构4内的水由排水管5排出。
由于集水机构4中会混合有一定的氢气，因此，优选地，电磁阀包括排水电磁阀81和排氢电磁阀82，在两个集水腔42中均设置一个排水电磁阀81，在其中一个集水腔42上设置排氢电磁阀82，排水电磁和排氢电磁阀82均与排水管5连通。排水电磁阀81和排氢电磁阀82优选为功率和体积较小的蝶形电磁阀。
优选地，空气出口19、氢气入口17和冷却液入口15分别设置有第一温压传感器92、压力传感器93和第二温度传感器94，以能够监测介质的实时状态。
如图1和图2所示，为了便于开设各个腔体和各个流道，歧管主体1包括底座11和盖设于底座11上的盖板12，底座11与盖板12盖合后形成双级汽水分离器2、集水机构4和加热机构6。空气入口14、冷却液入口15、氢气入口17、冷却液出口18、空气出口19均贯穿底座11和盖板12设置，汽水出口16贯穿底座11设置。歧管主体1采用铝合金等材料制成，材料表面做阳极氧化处理，兼具防腐蚀和轻量化的优点。
保证了底座11和盖板12之间的密封性，底座11和盖板12通过多个紧固螺栓3连接，且多个紧固螺栓3连接沿介质接口、双级汽水分离器2和加热机构6的外侧间隔设置。
为进一步避免各介质溢流，底座11和盖板12之间设置有密封圈(图中未示出)，且介质接口、双级汽水分离器2和加热机构6的外侧均设置有密封圈。密封圈可以采用EPDM或树脂胶材料制成。
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，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。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。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，包括：
歧管主体(1)，所述歧管主体(1)的第一端和第二端均设置有多个与电堆连通的介质接口，所述第一端与所述第二端相对设置，所述介质接口包括汽水出口(16)和冷却液出口(18)；
双级汽水分离器(2)，用于分离由所述电堆中排出的汽水中的水和氢气，并设置于所述第一端和所述第二端之间，所述双级汽水分离器(2)包括相连通的低速汽水分离器(22)和高速汽水分离器(21)，所述高速汽水分离器(21)的始端与所述汽水出口(16)连通，被分离出的所述氢气由所述低速汽水分离器(22)的末端排出；
集水机构(4)，开设于所述歧管主体(1)，并用于收集所述双级汽水分离器(2)内排出的水，所述集水机构(4)设置于所述双级汽水分离器(2)的下方，并与所述双级汽水分离器(2)连通；
排水管(5)，设置于所述歧管主体(1)的下侧，并通过电磁阀与所述集水机构(4)连通；
加热机构(6)，设置于所述集水机构(4)的一侧，并用于加热所述电磁阀和所述冷却液出口(18)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述集水机构(4)包括：
集水流道(41)，沿所述第一端和所述第二端设置的方向延伸；
集水腔(42)，所述集水流道(41)的两端均连通有所述集水腔(42)，两个所述集水腔(42)内均连接有所述电磁阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述高速汽水分离器(21)包括：
第一汽水腔(211)，开设于所述歧管主体(1)；
多个第一挡板(212)，所述第一汽水腔(211)的上壁和下壁均连接有所述第一挡板(212)，所述第一挡板(212)与所述第一汽水腔(211)的内壁围成蛇形流道。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述低速汽水分离器(22)包括：
第二汽水腔(221)，开设于所述歧管主体(1)，且为圆柱形结构；
多个第二挡板(222)，沿所述第二汽水腔(221)的周向均匀设置，并与所述第二汽水腔(221)的径向呈夹角设置，多个所述第二挡板(222)远离所述第二汽水腔(221)的内壁的一端围成所述低速汽水分离器(22)的末端。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述双级汽水分离器(2)还包括：
第一连接通道(23)，开设于所述歧管主体(1)，用于连通所述汽水出口(16)和所述高速汽水分离器(21)；
第二连接通道(24)，开设于所述歧管主体(1)，用于连通所述高速汽水分离器(21)和所述低速汽水分离器(22)。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述介质接口包括开设于所述歧管主体(1)的所述第一端的冷却液入口(15)、开设于所述歧管主体(1)的所述第二端的氢气入口(17)和空气出口(19)，所述空气出口(19)设置有第一温压传感器(92)，所述氢气入口(17)设置有压力传感器(93)，所述冷却液入口(15)设置有第二温度传感器(94)。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述加热机构(6)包括设置于所述歧管主体(1)并依次连通的热介质流道(61)、热介质入口(62)和热介质出口(63)，所述热介质入口(62)位于所述热介质出口(63)的下侧，所述热介质流道(61)与所述电磁阀和所述冷却液出口(18)相邻设置。
8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述歧管主体(1)包括底座(11)和盖设于所述底座(11)上的盖板(12)，所述底座(11)与所述盖板(12)盖合后形成所述双级汽水分离器(2)、所述集水机构(4)和所述加热机构(6)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述底座(11)和所述盖板(12)通过多个紧固螺栓(3)连接，且多个所述紧固螺栓(3)沿多个所述介质接口、所述双级汽水分离器(2)和所述加热机构(6)的外侧间隔设置。
10.根据权利要求8所述的燃料电池电堆歧管总成，其特征在于，所述底座(11)和所述盖板(12)之间设置有密封圈，且多个所述介质接口、所述双级汽水分离器(2)和所述加热机构(6)的外侧均设置有所述密封圈。
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