一种具有中央歧管的燃料电池堆栈论文和设计-祝向齐

全文摘要

本实用新型公开了一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于包括固定在中央歧管和两侧端板之间的共享中央歧管并串联连接的两个燃料电池堆；每个燃料电池堆均包括层叠设置的多个电池单体，中央歧管内设有阳极和阴极分配腔体，分别用于同时向两侧燃料电池堆内电池单体的阳极和阴极供应阳极反应燃料和阴极反应燃料，还设有阳极和阴极汇流腔体，分别用于同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阳极和阴极收集阳极反应后物质和阴极反应后物质；而中央歧管上设有分别与上述各腔体连通的阳极、阴极入口接口和阳极、阴极出口接口。本实用新型允许通过共享中央歧管串联较小的燃料电池堆，在紧凑空间中创建尺寸和功率更大的电池堆栈，节省空间和生产成本。

设计方案

1.一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于包括中央歧管（1）、设于中央歧管（1）两侧的端板（2）及固定在中央歧管（1）和每个端板（2）之间的燃料电池堆（3），两个燃料电池堆（3）共享中央歧管（1）并串联连接；每个燃料电池堆（3）均包括层叠设置的多个电池单体，中央歧管（1）内分别设有同时向两侧燃料电池堆（3）内的电池单体的阳极供应阳极反应燃料的阳极分配腔体、同时向两侧燃料电池堆内的电池单体的阴极供应阴极反应燃料的阴极分配腔体、同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阳极收集阳极反应后物质的阳极汇流腔体及同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阴极收集阴极反应后物质的阴极汇流腔体，而中央歧管（1）上设有分别与阳极分配腔体、阴极分配腔体、阳极汇流腔体和阴极汇流腔体连通的阳极入口接口（101）、阴极入口接口（102）、阳极出口接口（103）和阴极出口接口（104）。

2.根据权利要求1所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于每个燃料电池堆（3）均包括固定在中央歧管（1）上的连接集电板（301）和固定在端板（2）上的与连接集电板（301）极性相反的输出集电板（302），连接集电板（301）和输出集电板（302）之间以串联方式层叠设置所述多个电池单体；两个燃料电池堆（3）中与中央歧管（1）固定的连接集电板（301）之间通过导电金属桥（4）串联连接，且这两个连接集电板（301）的极性相反；而两个燃料电池堆（3）中与端板（2）固定的输出集电板（302）极性也相反，且作为整个电池堆栈的阴极和阳极输出端；每个燃料电池堆（3）还包括与各电池单体的阳极相连的若干阳极入口集管和阳极出口集管，以及与各电池单体的阴极相连的若干阴极入口集管和阴极出口集管，阳极入口集管均与阳极分配腔体相连，而阳极出口集管均与阳极汇流腔体相连，阴极入口集管均与阴极分配腔体相连，而阴极出口集管均与阴极汇流腔体相连。

3.根据权利要求2所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于所述每个燃料电池堆（3）包括设于所述连接集电板（301）和输出集电板（302）之间的两个单极板（303）和若干双极板（304），两个单极板（303）分别固定至连接集电板（301）和输出集电板（302）上，而双极板（304）则设置在两个单极板（303）之间，单极板（303）和双极板（304）之间以及相邻双极板（304）之间均设有膜电极组件MEA；单极板（303）表面设有阳极流场或者阴极流场，而双极板（304）的两侧分别设有阳极流场和阴极流场，阳极流场均与阳极入口集管和阳极出口集管连接，而阴极流场则与阴极入口集管和阴极出口集管连接；所述电池单体由上述膜电极组件MEA和位于膜电极组件MEA两侧的阳极流场和阴极流场共同构成，阳极流场和阴极流场分别作为电池单体的所述阳极和所述阴极。

4.根据权利要求2或3所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于所述中央歧管（1）包括中心板（5）和固定在中心板（5）两侧的左盖（6）和右盖（7），所述两个燃料电池堆（3）中与中央歧管（1）固定的连接集电板（301）分别固定在左盖（6）和右盖（7）上，所述阳极入口接口（101）和阴极入口接口（102）一同设于中心板（5）的前端或后端，且阳极入口接口（101）位于阴极入口接口（102）的下方，而所述阳极出口接口（103）和阴极出口接口（104）则一同设于中心板（5）的顶端；每个燃料电池堆（3）的所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管均为两根，并且其中：

所述阳极分配腔体包括：第一阳极入口内孔、第二阳极入口内孔、第一阳极流体分配孔（501）、第二阳极流体分配孔（502）、阳极分配凹槽（503）、第三阳极流体分配孔（504）；第一阳极入口内孔和第二阳极入口内孔均与阳极入口接口（101）连通，

其中第一阳极入口内孔与中心板（5）右壁面上的第一阳极流体分配孔（501）和左壁面上的第二阳极流体分配孔（502）连通，其中第一阳极流体分配孔（501）与连至左盖（6）上的左侧第一阳极入口集管（601）相连，用于向左盖（6）侧的燃料电池堆（3）输送阳极反应燃料，而第二阳极流体分配孔（502）则与连至右盖（7）上的右侧第一阳极入口集管（701）相连，用于向右盖（7）侧的燃料电池堆（3）输送阳极反应燃料；

而第二阳极入口内孔与中心板（5）右壁面上设有的阳极分配凹槽（503）相连，该阳极分配凹槽（503）通过中心板（5）左壁面上的第三阳极流体分配孔（504）同连至左盖（6）上的左侧第二阳极入口集管（602）相连，用于向左盖（6）侧燃料电池堆（3）输送阳极反应燃料，阳极分配凹槽（503）同时再同连至右盖（7）上的右侧第二阳极入口集管（702）相连，用于向右盖（7）侧燃料电池堆输送阳极反应燃料；

所述阳极汇流腔体包括：第一阳极汇流凹槽（505）、第二阳极汇流凹槽（603）、第一阳极汇流孔（506）、第二阳极汇流孔（507）；

其中第一阳极汇流凹槽（505）设于中心板（5）左壁面上，而第二阳极汇流凹槽（603）设于左盖（6）上，其与第一阳极汇流凹槽（505）形状相同并扣合形成阳极汇流主腔，该阳极汇流主腔通过设于中心板（5）右壁面上的第一阳极汇流孔（506）和第二阳极汇流孔（507）分别同连至右盖（7）上的右侧第一阳极出口集管（703）和右侧第二出口集管（704）相连，用于从右盖（7）侧燃料电池堆（3）收集阳极反应后物质；同时该阳极汇流主腔同连至左盖（6）上的左侧第一阳极出口集管（604）和左侧第二阳极出口集管（605）相连，用于从左盖（6）侧燃料电池堆（3）收集阳极反应后物质；

所述阴极分配腔体包括：阴极分配凹槽（508）、第一阴极流体分配孔（509）、第二阴极流体分配孔（510）；中心板（5）的右壁面上设置阴极分配凹槽（508），该阴极分配凹槽（508）同连至右盖（7）上的右侧第一阴极入口集管（705）和右侧第二阴极入口集管（706）相连，用于向右盖（7）侧的燃料电池堆（3）输送阴极反应燃料，同时阴极分配凹槽（508）又通过设于中心板（5）左壁面上的第一阴极流体分配孔（509）和第二阴极流体分配孔（510）同连至左盖（6）上的左侧第一阴极入口集管（606）和左侧第二阴极入口集管（607）相连，用于向左盖侧的燃料电池堆输送阴极反应燃料；

所述阴极汇流腔体包括：第一阴极汇流凹槽（511）、第二阴极汇流凹槽（608），第一阴极流体汇流孔（512）和第二阴极流体汇流孔（513），其中第一阴极汇流凹槽（511）设于中心板（5）左侧壁面上，而第二阴极汇流凹槽（608）设于左盖（6）上，其与第一阴极汇流凹槽（511）形状相同并扣合形成阴极汇流主腔，该阴极汇流主腔通过设于中心板（5）右壁面上的第一阴极流体汇流孔（512）和第二阴极流体汇流孔（513）分别同连至右盖（7）上的右侧第一阴极出口集管（707）和右侧第二阴极出口集管（708）连接，用于从右盖（7）侧燃料电池堆（3）收集阴极反应后物质；同时该阴极汇流主腔同连至左盖（6）上的左侧第一阴极出口集管（609）和左侧第二阴极出口集管（610）相连，用于从左盖（6）侧燃料电池堆（3）收集阴极反应后物质。

5.根据权利要求4所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于：

阳极分配凹槽（503）呈倒L形，由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，第三阳极流体分配孔（504）位于长的横臂槽段端部；

第一阳极汇流凹槽（505）为W形，所述第一阳极汇流孔（506）和第二阳极汇流孔（507）分别位于W形的两端；

阴极分配凹槽（508）为L形，且位于所述阳极分配凹槽（503）的上方，该阴极分配凹槽（508）也由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，所述第一阴极流体分配孔（509）位于短的纵臂槽顶端，而第二阴极流体分配孔（510）位于长的横臂槽端部；

第一阴极汇流凹槽（511）为倒V形，第一阴极流体汇流孔（512）和第二阴极流体汇流孔（513）均位于V形的两个自由端点位置。

6.根据权利要求1所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于所述中央歧管（1）和两侧端板（2）上相应设有拉杆孔（8），通过穿设拉杆（9）并螺接配合螺帽以锁紧两个燃料电池堆（3）。

7.根据权利要求4所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于所述中心板（5）和左盖（6）及右盖（7）之间均垫设有用于密封所述阳极分配腔体、所述阳极汇流腔体、所述阴极分配腔体和所述阴极汇流腔体的垫圈，且中心板（5）上具有供垫圈垫入的垫圈槽。

8.根据权利要求1所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于所述端板（2）上设有凹腔（201）以容纳输出集电板（302）和加热器（10），且加热器（10）被安装在所述输出集电板（302）内侧。

9.根据权利要求1或8所述的一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于：所述各端板（2）上均设有分别同所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管相连的阳极入口集管末端凹槽（211）、阳极出口集管末端凹槽（212），阴极入口集管末端凹槽（213）和阴极出口集管末端凹槽（214）。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种具有中央歧管的燃料电池堆栈。

背景技术

燃料电池（FC）和普通电池一样，通过两个电化学反应提供直流电。这些反应发生在反应物连续供给的电极上。例如，在直接甲醇燃料电池（DMFC）中，负极（阳极）通过供应诸如甲醇的燃料来维持，而正极（阴极）通过供应氧气或空气来维持。当提供电流时，甲醇在阳极电催化剂处被电化学氧化以产生电子，电子通过外部电路传输到阴极电催化剂，在那里它们与氧一起在还原反应中被消耗。该电路通过电解质中的质子传导而维持在电池内。

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。例如，对于典型的DMFC单电池，电压可根据产生的电流从0V变化到0.9V。电池中产生的电流取决于电池的操作条件和设计，包括但不限于膜电极组件（MEA）的电催化剂组成\/分布和活性表面积、气体扩散层（GDL）的特性、阳极和阴极双极板的流场设计、电池温度、反应物浓度、反应物流量和压力分布、反应副产物去除等。电池的反应面积、串联电池的数量以及燃料电池堆中的电化学反应类型决定了电流并由此决定了燃料电池提供的功率。例如，DMFC系统的典型功率可以是几瓦到几千瓦。

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。这些子系统有时统称为BOP，包含诸如阳极流体泵、热管理系统、阴极鼓风机或压缩机，阴极热管理系统。燃料电池堆和BOP之间的接口称为堆栈歧管，已有技术中这种歧管通常与端板一同分设于燃料电池堆的两端，两者中间一同层叠串联的电池单体。堆栈歧管是BOP和燃料电池堆之间双向流动分配的管道。用于在堆栈歧管和电池单体之间双向流体流动的管道被称为集管，是阳极和阴极板设计的一部分。在传统设计中，增加功率需要增加燃料电池的数量和流体流量，这需要增加集管的尺寸，因此需要重新设计燃料电池组件（单极板、双极板及其上流场等）。

已有的燃料电池中由于头部的歧管处理进出电池的流体，随着电池的数量增加，头部可能成为流动瓶颈。因此，在传统的燃料电池堆设计中，随着燃料电池堆大小的增加，需要更大的集管来处理流体。这导致单极板和双极板以及相关的垫圈、绝缘体和其他部件（称为电池组件）的尺寸增加。这些对单极板和双极板的要求改变使得在燃料电池堆中使用相同的电池硬件来获得更高的功率。此外，电池硬件的改变可能需要改变BOP和燃料电池堆安装接口，尺寸规格增大无疑要加大规格，导致成本增高。

发明内容

本实用新型目的是：提供一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其允许通过共享中央歧管串联连接较小的燃料电池堆，在紧凑的空间中创建大功率的电池堆栈，节省空间和生产成本。

本实用新型的技术方案是：一种具有中央歧管的燃料电池堆栈，其特征在于包括中央歧管、设于中央歧管两侧的端板及固定在中央歧管和每个端板之间的燃料电池堆，两个燃料电池堆共享中央歧管并串联连接；每个燃料电池堆均包括层叠设置的多个电池单体，中央歧管内分别设有同时向两侧燃料电池堆内的电池单体的阳极供应阳极反应燃料的阳极分配腔体、同时向两侧燃料电池堆内的电池单体的阴极供应阴极反应燃料的阴极分配腔体、同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阳极收集阳极反应后物质的阳极汇流腔体及同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阴极收集阴极反应后物质的阴极汇流腔体，而中央歧管上设有分别与阳极分配腔体、阴极分配腔体、阳极汇流腔体和阴极汇流腔体连通的阳极入口接口、阴极入口接口、阳极出口接口和阴极出口接口。

进一步的，本实用新型中每个燃料电池堆均包括固定在中央歧管上的连接集电板和固定在端板上的与连接集电板极性相反的输出集电板，连接集电板和输出集电板之间以串联方式层叠设置所述多个电池单体；两个燃料电池堆中与中央歧管固定的连接集电板之间通过导电金属桥串联连接，且这两个连接集电板的极性相反，而两个燃料电池堆中与端板固定的输出集电板极性也相反，且作为整个电池堆栈的阴极和阳极输出端；每个燃料电池堆还包括与各电池单体的阳极相连的若干阳极入口集管和阳极出口集管，以及与各电池单体的阴极相连的若干阴极入口集管和阴极出口集管，阳极入口集管均与阳极分配腔体相连，而阳极出口集管均与阳极汇流腔体相连，阴极入口集管均与阴极分配腔体相连，而阴极出口集管均与阴极汇流腔体相连。

更进一步的，本实用新型中所述每个燃料电池堆包括设于所述连接集电板和输出集电板之间的两个单极板和若干双极板，两个单极板分别固定至连接集电板和输出集电板上，而双极板则设置在两个单极板之间，单极板和双极板之间以及相邻双极板之间均设有膜电极组件MEA；单极板表面设有阳极流场或者阴极流场，而双极板的两侧分别设有阳极流场和阴极流场，阳极流场均与阳极入口集管和阳极出口集管连接，而阴极流场则与阴极入口集管和阴极出口集管连接；所述电池单体由上述膜电极组件MEA和位于膜电极组件MEA两侧的阳极流场和阴极流场共同构成，阳极流场和阴极流场分别作为电池单体的所述阳极和所述阴极。

更为优选的，本实用新型中所述中央歧管包括中心板和固定在中心板两侧的左盖和右盖，所述两个燃料电池堆中与中央歧管固定的连接集电板分别固定在左盖和右盖上，所述阳极入口接口和阴极入口接口一同设于中心板的前端或后端，且阳极入口接口位于阴极入口接口的下方，而所述阳极出口接口和阴极出口接口则一同设于中心板的顶端；每个燃料电池堆的所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管均为两根，并且其中：

所述阳极分配腔体包括：第一阳极入口内孔、第二阳极入口内孔、第一阳极流体分配孔、第二阳极流体分配孔、阳极分配凹槽、第三阳极流体分配孔；第一阳极入口内孔和第二阳极入口内孔均与阳极入口接口连通，

其中第一阳极入口内孔与中心板右壁面上的第一阳极流体分配孔和左壁面上的第二阳极流体分配孔连通，其中第一阳极流体分配孔与连至左盖上的左侧第一阳极入口集管相连，用于向左盖侧的燃料电池堆输送阳极反应燃料，而第二阳极流体分配孔则与连至右盖上的右侧第一阳极入口集管相连，用于向右盖侧的燃料电池堆输送阳极反应燃料；

而第二阳极入口内孔与中心板右壁面上设有的阳极分配凹槽相连，该阳极分配凹槽通过中心板左壁面上的第三阳极流体分配孔同连至左盖上的左侧第二阳极入口集管相连，用于向左盖侧燃料电池堆输送阳极反应燃料，阳极分配凹槽同时再同连至右盖上的右侧第二阳极入口集管相连，用于向右盖侧燃料电池堆输送阳极反应燃料；

所述阳极汇流腔体包括：第一阳极汇流凹槽、第二阳极汇流凹槽、第一阳极汇流孔、第二阳极汇流孔；

其中第一阳极汇流凹槽设于中心板左壁面上，而第二阳极汇流凹槽设于左盖上，其与第一阳极汇流凹槽形状相同并扣合形成阳极汇流主腔，该阳极汇流主腔通过设于中心板右壁面上的第一阳极汇流孔和第二阳极汇流孔分别同连至右盖上的右侧第一阳极出口集管和右侧第二出口集管相连，用于从右盖侧燃料电池堆收集阳极反应后物质；同时该阳极汇流主腔同连至左盖上的左侧第一阳极出口集管和左侧第二阳极出口集管相连，用于从左盖侧燃料电池堆收集阳极反应后物质；

所述阴极分配腔体包括：阴极分配凹槽、第一阴极流体分配孔、第二阴极流体分配孔；中心板的右壁面上设置阴极分配凹槽，该阴极分配凹槽同连至右盖上的右侧第一阴极入口集管和右侧第二阴极入口集管相连，用于向右盖侧的燃料电池堆输送阴极反应燃料，同时阴极分配凹槽又通过设于中心板左壁面上的第一阴极流体分配孔和第二阴极流体分配孔同连至左盖上的左侧第一阴极入口集管和左侧第二阴极入口集管相连，用于向左盖侧的燃料电池堆输送阴极反应燃料；

所述阴极汇流腔体包括：第一阴极汇流凹槽、第二阴极汇流凹槽，第一阴极流体汇流孔和第二阴极流体汇流孔，其中第一阴极汇流凹槽设于中心板左侧壁面上，而第二阴极汇流凹槽设于左盖上，其与第一阴极汇流凹槽形状相同并扣合形成阴极汇流主腔，该阴极汇流主腔通过设于中心板右壁面上的第一阴极流体汇流孔和第二阴极流体汇流孔分别同连至右盖上的右侧第一阴极出口集管和右侧第二阴极出口集管连接，用于从右盖侧燃料电池堆收集阴极反应后物质；同时该阴极汇流主腔同连至左盖上的左侧第一阴极出口集管和左侧第二阴极出口集管相连，用于从左盖侧燃料电池堆收集阴极反应后物质。

再进一步的优选方案中：

阳极分配凹槽呈倒L形，由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，第三阳极流体分配孔位于长的横臂槽段端部；

第一阳极汇流凹槽为W形，所述第一阳极汇流孔和第二阳极汇流孔分别位于W形的两端；

阴极分配凹槽为L形，且位于所述阳极分配凹槽的上方，该阴极分配凹槽也由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，所述第一阴极流体分配孔位于短的纵臂槽顶端，而第二阴极流体分配孔位于长的横臂槽端部；

第一阴极汇流凹槽为倒V形，第一阴极流体汇流孔和第二阴极流体汇流孔均位于V形的两个自由端点位置。

进一步的，本实用新型中所述中央歧管和两侧端板上相应设有拉杆孔，通过穿设拉杆并螺接配合螺帽以锁紧两个燃料电池堆，使得燃料电池堆内的电池单体能够相互叠紧。

优选的，本实用新型中所述中心板和左盖及右盖之间均垫设有用于密封所述阳极分配腔体、所述阳极汇流腔体、所述阴极分配腔体和所述阴极汇流腔体的垫圈，且中心板上具有供垫圈垫入的垫圈槽。

进一步的，本实用新型中所述端板上设有凹腔以容纳输出集电板和加热器，且加热器被安装在所述输出集电板内侧。加热器能够提供加热功能，进一步加快电池单体内部反应的进行。

通常我们都知道，如果阳极或阴极反应燃料供给不充分，那么对于燃料电池堆来说，其中的电池单体之间会产生燃料及反应后物质的流量差异，尤其是靠近端板的最后一个电池单体处更会出现流量异常现象，我们称之为末端电池效应。这种末端电池效应的产生原因是由于阳极、阴极入口集管和阳极、阴极出口集管末端均与该电池单体中的单极板壁面相抵而封闭，造成其中的燃料及反应后物质流动撞击单极板壁面而产生回流，从而造成该电池单体处的流量减小。为了消除这一弊端，本实用新型中进一步采取如下措施：

本实用新型中所述各端板上均设有分别同所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管相连的阳极入口集管末端凹槽、阳极出口集管末端凹槽，阴极入口集管末端凹槽和阴极出口集管末端凹槽。上述各末端凹槽的设计给予相应的集管内部流体流动的空间，确保集管不会在最后一个电池单体处结束，从而避免发生末端电池效应。

当然，需要指出的是如果阳极反应燃料和阴极反应燃料的通入流量充足，那么电池单体之间并不会有明显的流量差异，也不会发生显著的末端电池效应。

本实用新型的燃料电池堆栈具体为甲醇燃料电池堆栈，其阳极通入的燃料为甲醇和水，阴极通入的燃料则为空气。本实用新型在实际使用时，阳极入口接口用于同阳极流体泵或阳极电磁阀接口连接，进而通过管路与阳极反应燃料混液供给泵连接；阳极出口接口用于同阳极热管理系统连接；阴极入口接口用于同阴极流体鼓风机或压缩机接口连接以通入空气；阴极出口接口用于同阴极热管理系统连接。

本实用新型的优点是：

1）本实用新型允许通过共享中央歧管串联连接较小的燃料电池堆，在紧凑的空间中创建出尺寸和功率更大的电池堆栈，相比现有技术，一方面能够节省空间，缩减体积，制造出所需功率但结构更加紧凑的燃料电池堆栈；另一方面通过共享中央歧管而保留原有燃料电池堆的规格，能够避免重新设计大尺寸的集管，也无需改变燃料电池组件的规格，大大节约了材料损耗，节省了生产成本。

2）本实用新型中专门设计的中央歧管通过促进流体流到多个集管的分裂和来自多个集管的集流的组合以及提供所有流体交互，允许将相同的燃料电池组件用于不同功率级别的燃料电池堆栈，在不改变燃料电池尺寸的前提下即组合成大功率的电池堆栈。

3）本实用新型中专门设计的中央歧管，其外部接口和内部分配和汇流腔体完备，可以直接用作BOP与两侧具有不同数量的电池单体的燃料电池堆之间的接口，而不需要重新设计集管和相应的燃料电池组件（单极板、双极板及其上流场等）或整个燃料电池系统。

4）本实用新型中的中央歧管对于其内部包含阳极分配腔体、阴极分配腔体、阳极汇流腔体和阴极汇流腔体在内的整个流道特征均经过精心设计，既确保中央歧管的结构紧凑，又确保对于反应燃料和反应后物质的分配更加高效。

5）本实用新型中组成中央歧管的中心板与左、右盖上设计有相应匹配的流道特征，并通过专门的布局和限定出特殊的形状，能够确保左右的阳极出口集管的压降相同，左右的阴极出口集管的压降相同，左右的阳极入口集管的压降相同，左右的阴极入口集管的压降也相同。

6）本实用新型中在所述各端板上均设计有分别同所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管相连的阳极入口集管末端凹槽、阳极出口集管末端凹槽，阴极入口集管末端凹槽和阴极出口集管末端凹槽。上述各末端凹槽的设计给予相应的集管内部流体流动的空间，确保集管不会在最后一个电池单体处结束，从而避免发生末端电池效应。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型组装状态的整体结构示意图；

图2为图1的左半部分装配结构图；

图3为图1的右半部分装配结构图；

图4为构成中央歧管的中心板的一侧视角图（左壁面视角）；

图5为构成中央歧管的中心板的另一侧视角图（右壁面视角）；

图6为左盖内表面视角图；

图7为右盖内表面视角图;

图8为图1实施例中的端板内表面结构图；

图9为带有加热器的端板的内表面结构图；

图10为带有端口的端板背面示意图。

其中：1、中央歧管；101、阳极入口接口；102、阴极入口接口；103、阳极出口接口；104、阴极出口接口；2、端板；201、凹腔；202、端口；211、阳极入口集管末端凹槽；212、阳极出口集管末端凹槽；213、阴极入口集管末端凹槽；214、阴极出口集管末端凹槽；3、燃料电池堆；301、连接集电板；302、输出集电板；303、单极板；304、双极板；4、导电金属桥；5、中心板；501、第一阳极流体分配孔；502、第二阳极流体分配孔；503、阳极分配凹槽；504、第三阳极流体分配孔；505、第一阳极汇流凹槽；506、第一阳极汇流孔；507、第二阳极汇流孔；508、阴极分配凹槽；509、第一阴极流体分配孔；510、第二阴极流体分配孔；511、第一阴极汇流凹槽；512、第一阴极流体汇流孔；513、第二阴极流体汇流孔；6、左盖；601、左侧第一阳极入口集管；602、左侧第二阳极入口集管；603、第二阳极汇流凹槽；604、左侧第一阳极出口集管；605、左侧第二阳极出口集管；606、左侧第一阴极入口集管；607、左侧第二阴极入口集管；608、第二阴极汇流凹槽；609、左侧第一阴极出口集管；610、左侧第二阴极出口集管；7、右盖；701、右侧第一阳极入口集管；702、右侧第二阳极入口集管；703、右侧第一阳极出口集管；704、右侧第二出口集管；705、右侧第一阴极入口集管；706、右侧第二阴极入口集管；707、右侧第一阴极出口集管；708、右侧第二阴极出口集管。

具体实施方式

实施例：下面结合图1~图8对本实用新型提供的这种具有中央歧管的燃料电池堆栈的一种具体实施方式进行详细说明如下：

首先如图1所示，其具有中央歧管1、设于中央歧管1两侧的端板2及固定在中央歧管1和每个端板2之间的燃料电池堆3，两个燃料电池堆3共享中央歧管1并串联连接；本实施例中两侧两个燃料电池堆3均为500W功率，串联后的堆栈功率为1000W。

进一步结合图2和图3所示，两侧的燃料电池堆3从结构上对称，均由固定在中央歧管1上的连接集电板301、固定在端板2上的与连接集电板301极性相反的输出集电板302以及以串联方式层叠设置在连接集电板301和输出集电板302之间的多个电池单体。两个燃料电池堆3中与中央歧管1固定的连接集电板301之间通过导电金属桥4串联连接，且这两个连接集电板301的极性相反；而两个燃料电池堆3中与端板2固定的输出集电板302极性也相反，且作为整个电池堆栈的阴极和阳极输出端。每个燃料电池堆3还包括与各电池单体的阳极相连的若干阳极入口集管和阳极出口集管，以及与各电池单体的阴极相连的若干阴极入口集管和阴极出口集管，阳极入口集管均与阳极分配腔体相连，而阳极出口集管均与阳极汇流腔体相连，阴极入口集管均与阴极分配腔体相连，而阴极出口集管均与阴极汇流腔体相连。

对于每个燃料电池堆3而言，连接集电板301和输出集电板302之间设有两个单极板303和若干双极板304，两个单极板303分别固定至连接集电板301和输出集电板302上，而双极板304则设置在两个单极板303之间，单极板303和双极板304之间以及相邻双极板304之间均设有膜电极组件MEA；单极板303表面设有阳极流场或者阴极流场，而双极板304的两侧分别设有阳极流场和阴极流场，阳极流场均与阳极入口集管和阳极出口集管连接，而阴极流场则与阴极入口集管和阴极出口集管连接；所述电池单体由上述膜电极组件MEA和位于膜电极组件MEA两侧的阳极流场和阴极流场共同构成，阳极流场和阴极流场分别作为电池单体的所述阳极和所述阴极。

中央歧管1内分别设有同时向两侧燃料电池堆3内的电池单体的阳极供应阳极反应燃料的阳极分配腔体、同时向两侧燃料电池堆内的电池单体的阴极供应阴极反应燃料的阴极分配腔体、同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阳极收集阳极反应后物质的阳极汇流腔体及同时从两侧燃料电池堆内的电池单体阴极收集阴极反应后物质的阴极汇流腔体，而中央歧管1上设有分别与阳极分配腔体、阴极分配腔体、阳极汇流腔体和阴极汇流腔体连通的阳极入口接口101、阴极入口接口102、阳极出口接口103和阴极出口接口104。

依旧结合图1~图3所示，所述中央歧管1和两侧端板2的四个顶角上均相应设有拉杆孔8，通过穿设拉杆9（共计四根拉杆9）并螺接配合螺帽（图中省略）以锁紧两个燃料电池堆3。

进一步结合图4~图7所示，本实施例中所述中央歧管1的构造为设计核心，其由中心板5和固定在中心板5两侧的左盖6和右盖7共同组成。所述两个燃料电池堆3中与中央歧管1固定的连接集电板301分别固定在左盖6和右盖7上，所述阳极入口接口101和阴极入口接口102一同设于中心板5的前端或后端，且阳极入口接口101位于阴极入口接口102的下方，而所述阳极出口接口103和阴极出口接口104则一同设于中心板5的顶端；每个燃料电池堆3的所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管均为两根。

对于上面涉及的本实施例中的中央歧管1内部的所述阳极分配腔体、阳极汇流腔体、阴极分配腔体和阴极汇流腔体具体结构细节我们下面详细说明：

所述阳极分配腔体包括：第一阳极入口内孔、第二阳极入口内孔、第一阳极流体分配孔501、第二阳极流体分配孔502、阳极分配凹槽503、第三阳极流体分配孔504；第一阳极入口内孔和第二阳极入口内孔均与阳极入口接口101连通，如图4和图5所示。进一步结合图6和图7所示，其中第一阳极入口内孔与中心板5右壁面上的第一阳极流体分配孔501和左壁面上的第二阳极流体分配孔502连通，其中第一阳极流体分配孔501与连至左盖6上的左侧第一阳极入口集管601相连，用于向左盖6侧的燃料电池堆3输送阳极反应燃料，而第二阳极流体分配孔502则与连至右盖7上的右侧第一阳极入口集管701相连，用于向右盖7侧的燃料电池堆3输送阳极反应燃料；而第二阳极入口内孔与中心板5右壁面上设有的阳极分配凹槽503相连，该阳极分配凹槽503通过中心板5左壁面上的第三阳极流体分配孔504同连至左盖6上的左侧第二阳极入口集管602相连，用于向左盖6侧燃料电池堆3输送阳极反应燃料，阳极分配凹槽503同时再同连至右盖7上的右侧第二阳极入口集管702相连，用于向右盖7侧燃料电池堆输送阳极反应燃料。

所述阳极汇流腔体包括：第一阳极汇流凹槽505、第二阳极汇流凹槽603、第一阳极汇流孔506、第二阳极汇流孔507，结合图4和图5所示。

进一步结合图6和图7所示，其中第一阳极汇流凹槽505设于中心板5左壁面上，而第二阳极汇流凹槽603设于左盖6上，其与第一阳极汇流凹槽505形状相同并扣合形成阳极汇流主腔，该阳极汇流主腔通过设于中心板5右壁面上的第一阳极汇流孔506和第二阳极汇流孔507分别同连至右盖7上的右侧第一阳极出口集管703和右侧第二出口集管704相连，用于从右盖7侧燃料电池堆3收集阳极反应后物质；同时该阳极汇流主腔同连至左盖6上的左侧第一阳极出口集管604和左侧第二阳极出口集管605相连，用于从左盖6侧燃料电池堆3收集阳极反应后物质。

所述阴极分配腔体包括：阴极分配凹槽508、第一阴极流体分配孔509、第二阴极流体分配孔510，如图4和图5所示；进一步结合图6和图7所示，中心板5的右壁面上设置阴极分配凹槽508，该阴极分配凹槽508同连至右盖7上的右侧第一阴极入口集管705和右侧第二阴极入口集管706相连，用于向右盖7侧的燃料电池堆3输送阴极反应燃料，同时阴极分配凹槽508又通过设于中心板5左壁面上的第一阴极流体分配孔509和第二阴极流体分配孔510同连至左盖6上的左侧第一阴极入口集管606和左侧第二阴极入口集管607相连，用于向左盖侧的燃料电池堆输送阴极反应燃料。

所述阴极汇流腔体包括：第一阴极汇流凹槽511、第二阴极汇流凹槽608，第一阴极流体汇流孔512和第二阴极流体汇流孔513，如图4和图5所示，进一步结合图6和图7所示，其中第一阴极汇流凹槽511设于中心板5左侧壁面上，而第二阴极汇流凹槽608设于左盖6上，其与第一阴极汇流凹槽511形状相同并扣合形成阴极汇流主腔，该阴极汇流主腔通过设于中心板5右壁面上的第一阴极流体汇流孔512和第二阴极流体汇流孔513分别同连至右盖7上的右侧第一阴极出口集管707和右侧第二阴极出口集管708连接，用于从右盖7侧燃料电池堆3收集阴极反应后物质；同时该阴极汇流主腔同连至左盖6上的左侧第一阴极出口集管609和左侧第二阴极出口集管610相连，用于从左盖6侧燃料电池堆3收集阴极反应后物质。

并且进一步结合图4~图5所示，本实施例中所述阳极分配凹槽503呈倒L形，由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，第三阳极流体分配孔504位于长的横臂槽段端部；所述第一阳极汇流凹槽505为W形，所述第一阳极汇流孔506和第二阳极汇流孔507分别位于W形的两端；所述阴极分配凹槽508为L形，且位于所述阳极分配凹槽503的上方，该阴极分配凹槽508也由长的横臂槽段和短的纵臂槽段圆弧连接构成，所述第一阴极流体分配孔509位于短的纵臂槽顶端，而第二阴极流体分配孔510位于长的横臂槽端部；所述第一阴极汇流凹槽511为倒V形，第一阴极流体汇流孔512和第二阴极流体汇流孔513均位于V形的两个自由端点位置。

本实施例中在中心板5和左盖6及右盖7之间均垫设有用于密封上述阳极分配腔体、所述阳极汇流腔体、所述阴极分配腔体和所述阴极汇流腔体的垫圈，且中心板5上具有供垫圈垫入的垫圈槽。

具体如图4所示，中心板4的左壁面上设有分别围绕所述第二阴极流体分配孔510、第三阳极流体分配孔504、第一阴极汇流凹槽511、第一阳极汇流凹槽505、第一阴极流体分配孔509和第二阳极流体分配孔502的垫圈槽，用于垫入垫圈（未标出），已增强密封性；而如图5所示，中心板4的右壁面上则设有分别围绕第一阳极流体分配孔501、阳极分配凹槽503、第一阴极流体汇流孔512、第二阴极流体汇流孔513、第二阳极汇流孔507、第一阳极汇流孔506和阴极分配凹槽508的垫圈槽，用于垫入垫圈（未标出），已增强密封性。

再如图8所示，为本实施例中的右侧端板2的内表面结构图，当然左侧的端板2的结构与右侧相同。从图上可知，端板2上设有凹腔201用以容纳输出集电板302。

通常我们都知道，如果阳极或阴极反应燃料供给不充分，那么对于燃料电池堆来说，其中的电池单体之间会产生燃料及反应后物质的流量差异，尤其是靠近端板2的最后一个电池单体处更会出现流量异常现象，我们称之为末端电池效应。这种末端电池效应的产生原因是由于阳极、阴极入口集管和阳极、阴极出口集管末端均与该电池单体中的单极板303壁面相抵而封闭，造成其中的燃料及反应后物质流动撞击单极板303壁面而产生回流，从而造成该电池单体处的流量减小。为了消除这一弊端，本实施例中进一步采取如下措施：所述各端板2上均设有分别同所述阳极入口集管、阳极出口集管、阴极入口集管和阴极出口集管相连的阳极入口集管末端凹槽211、阳极出口集管末端凹槽212，阴极入口集管末端凹槽213和阴极出口集管末端凹槽214，如图8所示。

当然，结合图9所示，在另一端板2设计方案中，端板2的凹腔201内也能进一步安装加热器10，并且加热器10被安装在所述输出集电板302内侧。加热器10能够提供加热功能，进一步加快电池单体内部反应的进行，由于仅仅是针对端板2的个别改进的说明，因此我们另起实施例说明。

同样，再如图10所示，在另一端板2的设计方案中，端板2的背面设计有若干端口202。这些端口202可以用来安装包括但不限于温度传感器、压力传感器、流量传感器等的过程仪表来监测燃料电池中的过程条件。这些端口还可以用于将探针插入单个燃料电池中进行观察或收集用于优化设计的数据。同样由于仅仅是针对端板2的个别改进的说明，因此我们另起实施例说明。

当然，需要说明，尽管本实施例仅揭示了串联两个燃料电池堆的堆栈构造，但是通过使用多个共享中心歧管，并共享端板，可以将多个本实用新型堆栈进一步串联连接来构建更大的堆栈。

当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种具有中央歧管的燃料电池堆栈论文和设计

一种具有中央歧管的燃料电池堆栈论文和设计-祝向齐

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设计方案

设计说明书

设计图

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