燃料电池模块、燃料电池系统、燃料电池动力系统及车辆的制作方法

1.本技术属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池模块、燃料电池系统、燃料电池动力系统及车辆。


背景技术：

2.燃料电池电动汽车由于续驶里程长、燃料加注方便、性能与传统汽车相近等诸多优点，被认为是新能源汽车最重要的发展技术路线之一。
3.电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统核心部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经进气端板和盲端端板压紧后用紧固件紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至膜电极，通过膜电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
4.单个电堆所串联的单片电池的数量是有限的，因为在堆叠的时候，一旦超过一定的数量，就会出现如下问题：1)配气不均匀，导致最后几片电池没有充分利用；2)单电池不一致性，导致出现单体电压偏差过大；3)散热不均匀，导致中间单片电池过热。
5.因此，目前的燃料电池存在功率低的技术问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本技术提供一种燃料电池模块以及车辆，采用多个电堆集成的方案，由多个功率较小的电堆组成较大功率的燃料电池，并且电堆体积功率密度高。
7.实现本技术目的所采用的技术方案为，一种燃料电池模块，包括两个以上电堆，所述两个以上电堆沿平行于电堆中双极板的短边方向排列设置；相邻两个所述电堆中膜电极的阳极朝向相反。
8.可选的，所述两个以上电堆的双极板具有竖直方向投影分量，且所述双极板的堆叠方向具有水平方向投影分量。
9.可选的，所述两个以上电堆均以双极板的长边平行于竖直方向、且双极板的堆叠方向平行于水平方向的姿态设置。
10.可选的，所述电堆的氧化介质进口、还原介质排口和冷却介质进口位于进气端板的上端，所述电堆的氧化介质排口、还原介质进口和冷却介质排口位于进气端板的下端；
11.或者所述电堆的氧化介质进口、还原介质排口和冷却介质排口位于进气端板的上端，所述电堆的氧化介质排口、还原介质进口和冷却介质进口位于进气端板的下端。
12.可选的，所述两个以上电堆的双极板具有水平方向投影分量，且所述双极板的堆叠方向具有竖直方向投影分量。
13.可选的，所述两个以上电堆均以双极板平行于水平面、且双极板的堆叠方向平行于竖直方向的姿态设置。
14.可选的，所述膜电极的气体扩散层为疏水材料，所述双极板的外表面设有疏水涂
层。
15.可选的，所述双极板的疏水涂层的接触角小于所述气体扩散层的接触角。
16.可选的，所述燃料电池模块，还包括：
17.壳体，设有安装腔；
18.高压组件，包括用于将所述两个以上电堆的输出极串联的铜排组件，以及与所述铜排组件电连接的输出端子，所述铜排组件设于所述安装腔中，所述输出端子贯穿安装于所述壳体上；
19.配气组件，设于所述安装腔中或位于所述壳体外，且连通于所述两个以上电堆的进气端板；
20.电压巡检装置，设于所述安装腔中或位于所述壳体外，且与所述两个以上电堆均电连接。
21.可选的，所述配气组件包括第一配气单元和第二配气单元；所述第一配气单元和所述第二配气单元中均包括两个以上分配歧管和用于对接流体出入口的配气歧管法兰；
22.所述分配歧管包括连通的主管道和两条以上分支管道，各所述分支管道分别与对应的所述主管道呈角度设置，且各所述分支管道分别与所述配气歧管法兰连通。
23.可选的，沿所述主管道的轴向，所述主管道的横截面面积自主管道开口至主管道末端呈减小趋势；所述主管道的横截面面积大于对应的所述分支管道的截面面积。
24.可选的，所述第一配气单元/所述第二配气单元中的所述两个以上分配歧管的所述主管道相互平行，所述两个以上分配歧管的所述分支管道互呈角度设置，且同一所述分配歧管的各所述分支管道相互平行、且形状相同。
25.可选的，所述配气歧管法兰上设置有与所述分支管道数量相同的导流通道；所述导流通道的截面形状设置为由圆形过渡至与电堆的进气端板的流体出入口相似的形状；所述配气歧管法兰上设置有密封槽，所述密封槽围设于所述导流通道的与电堆的进气端板的流体出入口相似的形状的开口外。
26.可选的，所述配气组件设于所述安装腔中，且所述配气组件的配气歧管法兰与所述两个以上电堆的进气端板均对接且连通；
27.或者，所述配气组件设于所述壳体外，所述壳体上设有带流道的嵌件，所述配气组件的配气歧管法兰、所述嵌件、所述电堆的进气端板依次对接且连通。
28.可选的，所述电压巡检装置与所述配气组件设于所述两个以上电堆的不同侧面，且所述电压巡检装置与所述高压组件设于所述两个以上电堆的不同侧面。
29.可选的，所述电压巡检装置包括巡检电路板，所述巡检电路板上设有通信/供电接插件和至少一个巡检接插件，所述巡检接插件的各针脚与所述电堆的至少一个双极板电连接。
30.可选的，所述电压巡检装置设于所述安装腔中，且所述电压巡检装置的长度方向平行于所述电堆的双极板的堆叠方向。
31.可选的，当所述两个以上电堆均以双极板平行于水平面、且双极板的堆叠方向平行于竖直方向的姿态设置时，所述电压巡检装置固定于其中一个所述电堆的进气端板与盲端端板之间、且靠近于所述双极板的短边侧。
32.基于同样的发明构思，本技术还提供了一种燃料电池系统，包括：
33.上述的燃料电池模块；
34.空气供应子系统，与所述燃料电池模块的各个所述电堆连通，以提供空气；
35.燃料供应子系统，与所述燃料电池模块的各个所述电堆连通，以提供燃料；
36.热管理子系统，与所述燃料电池模块的各个所述电堆连通，以提供冷却液从而对所述电堆进行冷却和/或加热；
37.自动控制系统，与所述燃料电池模块、所述空气供应子系统、所述燃料供应子系统和所述热管理子系统分别电连接。
38.基于同样的发明构思，本技术还提供了一种燃料电池动力系统，包括：
39.上述的燃料电池系统；
40.dc/dc变换器，与所述燃料电池系统的各个所述电堆电连接；
41.驱动电机，与所述dc/dc变换器电连接；
42.电机控制器，与所述驱动电机电连接；
43.车载储能装置，与所述dc/dc变换器电连接。
44.基于同样的发明构思，本技术还提供了一种车辆，包括上述的燃料电池模块；
45.或者，包括上述的燃料电池系统；
46.或者，包括上述的燃料电池动力系统。
47.由上述技术方案可知，本技术提供的燃料电池模块，采用多个电堆集成的方案，由两个以上功率较小的电堆组成较大功率的燃料电池。多个电堆沿平行于电堆中双极板的短边方向排列设置，由于单个电堆在双极板的短边方向尺寸最小，因此此布置方式使得整个燃料电池模块形成一个各项尺寸相近的立方体，避免燃料电池模块单个尺寸过长而影响其在整车上的布置，并且立方体结构的燃料电池模块的各向强度均较强，可靠性更高。
48.本技术提供的燃料电池模块中，相邻两个电堆中膜电极的阳极朝向相反，也就是说，相邻两个电堆的电压输出结构完全相反，一个电堆的正输出极靠近另一电堆的负输出极，采用此结构便于高压铜排的布置，能够明显缩短所用铜排的体积，降低整个燃料电池模块内部结构的复杂性，有利于提高体积功率密度。
附图说明
49.图1为本技术实施例1中燃料电池模块的结构示意图。
50.图2为图1的燃料电池模块拆除壳体后的结构示意图。
51.图3为图2的主视图。
52.图4为图2的后视图。
53.图5为图2的俯视图。
54.图6为图2的左视图。
55.图7为图2的燃料电池模块中“左堆”正负输出极的示意图。
56.图8为图2的燃料电池模块中“左堆”流体进出堆的示意图。
57.图9为图2的燃料电池模块中“右堆”正负输出极的示意图。
58.图10为图2的燃料电池模块中“右堆”流体进出堆的示意图。
59.图11为图2的电堆在“右左右”方式下的布置结构图。
60.图12为图2的电堆在“左右左”方式下的布置结构图。
61.图13为图1的燃料电池模块中配气组件的结构示意图。
62.图14为图13的配气组件中第一配气单元在另一视角下的结构示意图。
63.图15为图13的配气组件中第二配气单元在另一视角下的结构示意图。
64.图16为图13的配气组件中分段式变直径分配歧管的结构示意图。
65.图17为某些实施例中配气组件与嵌件的装配图。
66.图18为本技术实施例2的燃料电池模块拆除壳体后的结构示意图。
67.图19为图18的左视图。
68.图20为图18的俯视图。
69.图21为图18的仰视图。
70.图22为本技术实施例3的燃料电池系统的结构框图。
71.图23为本技术实施例4的燃料电池动力系统的结构框图。
72.图24为本技术实施例5的燃料电池电动车辆的结构框图。
73.附图标记说明：1000-燃料电池模块。
74.100-配气组件；110-第一配气单元；120-第二配气单元；130-分配歧管，130a-空气进配气歧管，130b-氢气排配气歧管，130c-排配冷却液歧管，130d-空气排配气歧管，130e-氢气进配气歧管，130f-进配冷却液歧管，131-主管道，131a-第一段主管道，131b-第二段主管道，131c-第三段主管道，132-分支管道，132a-第一个分支管道，132b-第二个分支管道，132c-第三个分支管道；140-配气歧管法兰，141-导流通道，142-密封槽，143-对接管，144-第一对接边，145-安装孔；a-开口，b-末端。
75.200-电堆；210-进气端板；220-盲端端板；230-正输出极；240-负输出极；250-流体出入口，251-空气进口，252-空气排口，253-氢气进口，254-氢气排口，255-冷却液进口，256-冷却液排口。
76.300-壳体；301-安装腔；310-第一箱体；320-第二箱体；330-封盖。
77.400-电压巡检装置；410-巡检接插件；420-通信/供电接插件；430-外壳。
78.500-高压组件；510-正极铜排；520-负极铜排；530-连接铜排；540-输出端子。
79.600-嵌件，610-内部流道。
具体实施方式
80.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
81.电堆通常由多片膜电极、双极板堆叠组成，膜电极和双极板之间设置密封件，膜电极和双极板两端设置电堆端板、集流板、绝缘板等零部件，用于提供紧固力、汇集输出能量、隔绝高压等，电堆端板之间通过捆扎带、拉杆、螺杆等紧固连接。在膜电极内部质子交换膜两侧阴、阳极的催化剂作用下，阴、阳极反应介质发生电化学反应，将化学能转换为电能。
82.在某个燃料电池中，将靠近反应介质输入端定义为进气端，将远离反应介质输入端定义为盲端，相应的将位于进气端的端板定义为进气端板，将位于盲端的端板定义为盲端端板。将进气端的端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极、盲端的集流板、绝缘板、端板依次堆叠而成，则膜电极的阴、阳极朝向有两种布置方式。将膜电极阴极朝向进气端的布置方式定义为“左”，采用该种布置方式的电堆定义为“左堆”，如图7和图8所示；将膜电极阳极朝
向进气端的布置方式定义为“右”，采用该种布置方式的电堆定义为“右堆”，如图9和图10所示；“左堆”和“右堆”可以假想为人的“左手”和“右手”，两个电堆镜像对称。
83.电堆整体布置型式，分为橫置和竖置两种摆放方式，其中橫置的定义是膜电极、双极板等零部件垂直地面布置，竖置的定义是膜电极、双极板等零部件平行于地面布置。考虑到双极板通常存在长边和短边，将橫置方式拆分为水平布置和侧向布置，其中水平布置定义是双极板长边平行于地面、短边垂直地面布置；侧向布置定义是双极板短边平行于地面、长边垂直地面布置。
84.本技术中的“左堆”、“右堆”、“竖置”、“横置”等概念的具体释义参考如上内容，为方便表述，下述实施例中均采用各释义的简称。
85.实施例1：
86.本技术实施例提供一种燃料电池模块1000，其结构如图1至图6所示，该燃料电池模块1000采用多堆集成方案，包括两个以上电堆200。也就是说，该燃料电池模块1000可以采用双堆集成、三堆集成、四堆集成、六堆集成等方案。该燃料电池模块1000的各电堆200沿平行于电堆200中双极板的短边方向排列设置，也就是说该燃料电池模块1000的各电堆200均为竖置或侧置，并且沿双极板的短边方向间隔分布，堆间间距用于走线、布置高压铜排等零件。本实施例中，该燃料电池模块1000包括三个电堆200，且三个电堆200中重复单元(双极板 膜电极)的数量相同，使得三个电堆200的高度(重复单元堆叠方向上的尺寸)基本一致。
87.该燃料电池模块1000中，相邻两个电堆200中膜电极的阳极朝向相反，也就是说，本技术的燃料电池模块1000中，各电堆200为“右堆”与“左堆”交替分布的布置形式。参见图11和图12，相邻两个电堆200的流体出入口250镜像对称，并且靠近进气端板210的输出极正负交替分布，一个电堆200的正输出极230靠近另一电堆200的负输出极240，采用此结构便于高压铜排的布置，能够明显缩短所用铜排的体积，降低整个燃料电池模块1000内部结构的复杂性，有利于提高体积功率密度。
88.由于该燃料电池模块1000采用多堆集成方案，内部结构相对于单堆方案更为复杂，因此需要综合考虑歧管组件的布置、低压接线的布置、电堆排水性能等影响整堆性能的因素。为了提高排水性能，参见图2至图6，在某些实施例中，该燃料电池模块1000的各电堆200均设置为双极板具有竖置方向投影分量、且双极板的堆叠方向具有水平方向投影分量。双极板具有竖置方向投影分量，也就是说该电堆200的双极板与竖置面具有一定夹角或者平行于竖置面，优选双极板平行于竖置面、且长边平行于竖直方向；双极板的堆叠方向具有水平方向投影分量，也就是说该电堆200的高度方向与水平方向具有一定夹角或者平行于竖直方向，优选高度方向平行于水平方向。
89.由此，本实施例中，各电堆200均采用侧向设置。也就是说，每个电堆200中，各重复单元(双极板 膜电极)均短边平行于地面、长边垂直地面布置。由于双极板的活性区的流道通常平行于双极板的长边，因此采用侧向设置使得流道方向与重力作用方向一致，在重力辅助作用以及气体吹扫的共同作用下，更加有利于电堆反应生成水的排出。
90.为了进一步提高排水性能，参见图6，在某些实施例中，电堆200的氧化介质进口、还原介质排口和冷却介质进口位于进气端板210的上端，氧化介质排口、还原介质进口和冷却介质排口位于进气端板210的下端。以氢燃料电池为例，氧化介质、还原介质、冷却介质分
别为空气、氢气和冷却液，电堆200的进气端板210上设置有6个流体出入口250，6个流体出入口分布于进气端板210的两侧、且呈中心对称分布，其中空气进口251、氢气排口254和冷却液进口255位于进气端板210的上端，空气排口252、氢气进口253和冷却液排口256位于进气端板210的下端，如图8和图10所示。
91.采用上述布置方式，使得空气流道满足“上进下出”设计原则，即空气从上部流入，从下部排出，空气流动方向与重力加速度方向一致；氢气流道满足“下进上出”设计原则，即氢气从下部流入，从上部排出，氢气流动方向与重力加速度方向相反，有利于氢侧(阳极)自增湿；冷却液流道满足“上进下出”设计原则，即冷却液从上部流入，从下部排出，冷却液流动方向与重力加速度方向一致，优点在于：在重力作用下，有利于冷却液流动，减小冷却腔管路流阻损失，便于高冷却液流量下，系统冷却液泵选型，减小系统匹配困难。并且，通过将空气进口251与氢气进口253设置在进气端板210的两端，使得空气与氢气形成对流，提高电堆200的自増湿性能。
92.在某些实施例中，还可设置将三个电堆200的进气端板210上的6个流体出入口250设置为：位于其中一侧的3个流体出入口分别为：空气进口、冷却液排口、氢气排口，位于另一侧的3个流体出入口分别为：氢气进口、冷却液进口、空气排口。冷却液从下往上流动，即冷却液“下进上出”，有利于冷却液快速充满冷却路，以提高冷却效果。
93.考虑到电堆200的膜电极上气体扩散层、双极板上涂层的亲疏水性不一致，为了进一步优化电堆200的排水性能，本实施例中，膜电极的气体扩散层采用疏水材料，双极板的外表面设有疏水涂层。通过采用疏水的气体扩散层匹配双极板疏水涂层，在疏水气体扩散层和疏水涂层以及重力三重作用下，膜电极阴极生产的水可以较快地排出到气体扩散层表面，有利于排水；进一步地，双极板的疏水涂层的接触角小于气体扩散层的接触角，也就是说90
°
＜双极板涂层的接触角＜气体扩散层的接触角。双极板涂层相比于膜电极的气体扩散层更为亲水，在气体扩散层和双极板涂层的梯度作用下，阴极反应生成的水可以较快地排出到气体扩散层表面，并较快地从双极板流道中排出，有利于排水。
94.同时，在电堆200侧置时，由于流道方向与重力方向一致，通过重力辅助作用，有利于膜电极阴极生成的水及时排出电堆200，提高电堆200的排水能力，有利于缓解高电流密度下电堆水淹，提升电堆的一致性和可靠性。
95.为了配合上述电堆200共同工作，形成一个完整的燃料电池模块，该燃料电池模块1000还包括配气组件100、壳体300、电压巡检装置400和高压组件500。壳体300中设置有安装腔301，各电堆200均位于安装腔301中，并且各电堆200并排设置。配气组件100与各电堆200均连通，用于向各电堆200提供氧化介质(例如空气)、还原介质(例如氢气)和冷却介质(例如冷却液)。该配气组件100和电压巡检装置400具体可采用内置或外置的方案，也即根据实际需要，可将配气组件100和电压巡检装置400设于壳体100外部或者内部。配气组件100和电压巡检装置400可采用现有技术的相关公开，具体内容本技术不做限制。
96.由于该燃料电池模块1000中三个电堆均为侧放，因此配气组件100必须布置在电堆200的侧面，靠近进气端板210。具体参阅图13至图15，本实施例中，配气组件100采用分体式结构，包括第一配气单元110和第二配气单元120两个模块单元，两个模块单元分别对接电堆200的进气端板210的两端，即第一配气单元110对接电堆200的进气端板210其中一端的流体出入口，第二配气单元120对接电堆200的进气端板210另一端的流体出入口。第一配
气单元和第二配气单元中均设置有分配歧管130和用于对接流体出入口的配气歧管法兰140，分配歧管130用于氧化介质(本实施例以空气为例)进出电堆/壳体、冷却介质(本实施例以冷却液为例)进出电堆/壳体和还原介质(本实施例以氢气为例)进出电堆/壳体。
97.具体的，本实施例中，第一配气单元110和第二配气单元120中均设置三个分配歧管130，第一配气单元110的三个分配歧管130分别为空气进配气歧管130a、氢气排配气歧管130b、进配冷却液歧管130f，第二配气单元120对应的三个分配歧管130分别为空气排配气歧管130d、氢气进配气歧管130e、排配冷却液歧管130c。在其他实施例中，也可采用空气-冷却液共用歧管的方案，即在一根管道内部设置分隔板，使得管道内部形成两个独立的管腔。或者采用氢气-冷却液共用歧管的方案，或者空气-冷却液-氢气共用歧管的方案，具体管道设置方案本技术不做限制。
98.参见图13，本技术中，分配歧管130包括连通的主管道131和两条以上分支管道132，各分支管道132分别与对应的主管道131呈角度设置，且各分支管道132的末端b分别与配气歧管法兰140连通。分支管道132与主管道131之间的夹角优选锐角，经过仿真对比分析，若分支管道132的轴向与主管道131夹角为90度设计，由于流动方向变化急剧会使气流从主管道131流入分支管道132时产生非常严重的气流分离，影响气流进堆的流场均匀性，也会增加歧管中产生的压损。分支管道132的具体数量与燃料电池模块中电堆的数量相匹配。考虑到布管的难易程度，本实施例中，各分支管道132沿主管道131的轴向依次分布，并且各分支管道132的分布方向平行于主管道131的轴向。具体的，同一分配歧管130中，其中一个分支管道132连通于主管道131的末端b，剩余分支管道132连通于主管道131的管壁上。可将一根管道的末端进行弯曲，弯曲的部分形成一个分支管道132。为了降低分支管道132与主管道131连通处的流阻，各分支管道132均与主管道131圆弧过渡。
99.考虑到电堆分配均匀性以及布管复杂度的问题，本实施例中，三个分配歧管130的主管道131相互平行，并且均平行于水平方向，使得连通于同一主管道131的三个分支管道132长度相等。此外，连通于同一主管道131的三个分支管道132相互平行、且形状相同。上述结构使得各条分支管道132的有效长度一致，能够解决电堆集成过程中流体分配的均匀性问题，从而提高电堆集成的一致性。为了方便布管，三个分配歧管130的分支管道132互呈角度设置。
100.主管道131的结构可设置为等直径的圆直管，也可以为从进口到末端b渐缩式的直圆管，还可以为分段式变直径的直圆管，本技术不做限制，主管道131的横截面面积大于对应的分支管道132的截面面积，以使各电堆均能保证充足的介质供给。
101.本实施例中，沿主管道131的轴向，主管道131的横截面面积自主管道131开口a至主管道131末端b呈减小趋势，具体采用分段式变直径的直圆管。变直径的设计相比等直径的设计主要是考虑到了流量分配导致主管道131内流动速度的变化这一因素。参见图16，以适配于三个电堆、主管道131采用三段式变直径(管径递减)的直圆管、分支管道132设置有3个的分配歧管130为例，流体介质从主管道131的开口a进入分配歧管130，一部分流体在从第一段主管道131a分配流入第一个分支管道132a后，剩余的流体在第二段主管道131b中还能保持与第一段主管道131a中较为接近的流动速度(第二段主管道131b中介质流速大致在第一段主管道131a中介质流速的90％～100％)。同理一部分流体在从第二段主管道131b分配流入第二个分支管道132b后，剩余的流体在第三段主管道131c中还能保持与第二段主管
道131b中较为接近的流动速度(第三段主管道131c中介质流速大致在第二段主管道131b中介质流速的90％～100％)。如此可使得三个分支管道132中的流体介质的流动速度相差不大，从而分配给三个电堆的流量基本相近，在一定程度上提升了三个电堆流量分配的均匀性。此外，主管道131采用直径分段渐缩或逐渐缩小的结构，相比于直通管1431其尺寸减小，也能够节省一部分的空间，更便于结构的匹配和布局。
102.同一分配歧管130中的各分支管道132之间的间距可以设置为相同或者不同，也就是说，本技术对同一分配歧管130的各个分支管道132之间的间距没有严格的限制，无需等间距设置，因此与其连通的各个电堆可以采用完全相同的结构或布局。以三堆集成方案为例，三个电堆可采用完全相同的双极板等零部件，三个电堆的进气端均为阳极端、盲端为阴极端；三个电堆也可以采用不同的结构和布局方案，如三个电堆是不同内部结构设计的电堆，三个电堆进气端为一个阳极两个阴极、盲端为两个阳极一个阴极等方式。如此，在进行多堆流场并联设计时可以尝试不同的拼堆方案，从中选取最合适的方案进行后续的开发工作。
103.配气歧管法兰140用于对接流体出入口，该流体出入口可以是电堆的进气端板的流体出入口，或者是介质进出燃料电池模块壳体的流体出入口，因此本技术提供的配气组件100通过配气歧管法兰140可以直接适配电堆或壳体，利用配气歧管法兰140的较大的平面，一方面便于设置密封圈，另一方面便于将该配气歧管法兰140与进气端板/壳体连接固定。参见图15和图16，配气歧管法兰140的边缘设置若干安装孔145，用于安装螺纹紧固件。
104.配气歧管法兰140上设置有与分支管道132数量相同的导流通道141，分配歧管130所形成的流体介质通道与该导流通道141连通，流体介质通过该导流通道141进入电堆。考虑到电堆的进气端板上，各个流体出入口的形状通常为四边形(相邻两边圆弧过渡)，因此，流体介质在入堆和出堆时也需要流经与电堆的进气端板的流体出入口相似的形状，便于不同通道之间的密封。参见图14和图15，本实施例中，导流通道141的截面形状设置为由圆形过渡至与电堆的进气端板的流体出入口相似的形状，例如进气端板上流体出入口为圆角矩形，则导流通道141的截面形状则由圆形逐步过渡至圆角矩形，其中圆形开口用于对接分配歧管130，圆角矩形开口用于对接电堆或者壳体上的流体出入口。
105.参见图14和图15，该配气歧管法兰140上设置有密封槽142，密封槽142围设于导流通道141的与电堆的进气端板的流体出入口相似的形状的开口外，即密封槽142开设于配气歧管法兰140的靠近电堆的侧面上，用于安装密封圈。优选方案时，密封槽142的形状与电堆的进气端板的流体出入口相似，例如进气端板上流体出入口为圆角矩形，导流通道141的截面形状则由圆形逐步过渡至圆角矩形，配气歧管法兰140的靠近电堆的侧面上对应开设圆角矩形状的密封槽142。
106.配气歧管法兰140可以是一体成型于分配歧管130的分支管道132末端b的法兰盘，例如分配歧管130与配气歧管法兰140通过3d打印技术一体成型，也就是说，第一配气单元和第二配气单元均为一个结构件。配气歧管法兰140也可以是独立设置的法兰盘，例如，配气歧管法兰140上设置有对接管143，对接管143包括直通管和支撑管壳，直通管的管腔构成导流通道141，支撑管壳用于支撑分配歧管130。分支管道132的末端b直接插入对应的对接管143中，并且密封装配，例如焊接密封、涂覆密封胶密封或者通过密封圈密封。或者，在对接管143上设置第一对接边144，分支管道132的末端b开口上对应设置第二对接边，第二对
接边与第一对接边144相对接，并且对接面设置密封件，例如焊接密封、涂覆密封胶密封或者通过密封圈密封。分配歧管130与配气歧管法兰140的具体连接结构本技术不做限制。
107.在该配气组件100的材质选择上，由于金属材料会析出离子，产生催化剂污染，并且金属材料是导体，有漏电风险。因此配气组件100的材料应当选择非金属。具体的，本实施例中，第一配气单元110、第二配气单元120的材质为ppa(聚邻苯二甲酰胺)、gf(玻璃纤维，简称玻纤)、pa(聚酰胺，俗称尼龙)、pps(聚苯硫醚)中的至少一种，第一配气单元110与第二配气单元120的材质可相同或不同。例如，配气组件100的材质可采用ppa gf30(gf添加量占整个材料的重量百分比为30％)、ppa gf40(gf添加量占整个材料的重量百分比为40％)、pa6 gf15、pps等。上述材料通过注塑工艺、3d打印技术可以一体成型制备第一配气单元110、第二配气单元120整体，或者第一配气单元110、第二配气单元120的局部。
108.本实施例采用歧管内置的方案，配气组件100直接与电堆200的进气端板210连接、并且连通，即第一配气单元110、第二配气单元120的三个分配歧管130均直接与电堆200的进气端板210连接。由于配气歧管法兰140的靠近电堆的侧面上的导流通道141开口形状与电堆200的进气端板210的流体出入口250相似，因此配气歧管法兰140可以直接与进气端板210对接、通过密封圈密封，且通过螺钉与进气端板连接固定。
109.在其他实施例中，也可采用歧管外置的方案。参见图17，某些实施例中，由于该燃料电池模块1000采用多堆集成方案，因此配气组件100需要同时对多个电堆200配气，导致配气组件100体积较大，因此燃料电池模块1000采用歧管外置的方案，配气组件100设于壳体300外。壳体上设有带内部流道610的嵌件600，配气组件100的配气歧管法兰140、嵌件600、电堆200的进气端板210依次对接且连通，对接处通过密封圈密封。歧管外置的布局方式一方面能够大大节省壳体内部空间，提升燃料电池模块1000壳体内部零部件的集成度以及燃料电池模块1000的体积功率密度；另一方面歧管外置后进行歧管结构设计时对歧管形状、尺寸、布局方式等各方面的限制大大减少，设计的自由度增加，并且歧管结构具有更大的可调性。
110.空气分配歧管130、氢气分配歧管130采用倾斜设置或水平设置时，内部流道610必然会存在弯曲部分，由于空气、氢气均为气体，因此这样设置产生的压损不会那么大，仍然能够满足氢气、空气的反应需要。上述分配歧管130布置方式，加上分配歧管130中分支管道132与主管道131之间倾斜设置的结构，以及连通于同一主管道131的各分支管道132的布置结构、形状和尺寸均相同，上述特征不仅可降低歧管流场中产生的压损，还能提升三个堆的流量分配的均匀性，使得流量不均匀度控制在
±
5％以内。
111.为便于电堆200的装卸，本实施例中壳体300采用分体式结构，包括第一箱体310和第二箱体320，第一箱体310和第二箱体320通过螺纹紧固件连接，连接处设置密封圈。电压巡检装置400与第一箱体310或第二箱体320固定连接，其连接方式不限于螺纹紧固件、焊接、粘接、铆接等连接形式。电压巡检装置400与电堆200的双极板连接，实现电压巡检。具体参见图5，电压巡检装置400包括巡检电路板，巡检电路板上设有通信/供电接插件420和至少一个巡检接插件410，巡检接插件410用于插接连接电堆的巡检线束，巡检接插件410的各针脚(下文简称pin脚)与电堆200的至少一个双极板电连接。
112.巡检接插件410为标准件，常规巡检接插件410的pin脚数量在24～40之间，各巡检电路板上巡检接插件410的pin脚总数应当不小于整个燃料电池模块的单体电池的数量。并
且，更为优选的方案是，单个电堆200中单体电池的数量为巡检接插件410的pin脚数量的整数倍，避免出现一个巡检接插件410连接两个电堆200的情况。
113.具体的，本实施例中，低压巡检线路采用多片一检，也即，巡检接插件410的各pin脚至少与电堆200的两个双极板电连接，例如可以采用两片一检或者三片一检的方案。相比于单个电堆单片一检方式，多片一检的优点在于：可以有效减少低压插接数量，cvm通道数减少，有利于减小cvm等零部件的尺寸，减小体积、降低成本，降低装配的难度；另一方面有利于减少低压线束的用量，降低成本，节省空间。
114.由于该燃料电池模块采用多堆集成方案，因此每个电堆200均需要配置相应的电压巡检单元。例如，三堆集成的燃料电池模块，每个电堆200均堆叠84个单体电池，则整个燃料电池模块的电压巡检pin脚数量为3*84，如将上述pin脚设于一块pcb(印刷电路板)板上，则该pcb板体积较大，难以匹配电堆200的端板间距。有鉴于此，参见图3和图4，本实施例中，电压巡检装置400中设置多块巡检电路板(采用pcb板)，多块巡检电路板相互平行且堆叠设置，各巡检电路板之间通过排线串联，使其具有整块电压巡检pcb板的功能。在保证电压检测通道数满足要求的前提下，减少了cvm的长度，使电压巡检装置400长度小于电堆长度，从而能够将cvm布置在电堆上下端板之间，同时对高压铜排以及电堆配气岐管进行了避让，优化电堆模块整体布置空间，增加了燃料电池单位体积功率密度。
115.通信/供电接插件420用于连接通信导线和供电导线(也可将通信导线与供电导线集成为一根线束)，将cvm的巡检信号传递至上位机，并做供电使用。通信/供电接插件420同样为标准件，通常将通信接插件与供电接插件集成为一个接插件，将该通信/供电接插件420安装在电压巡检装置400中的其中一个巡检电路板上即可。在某些实施例中，该燃料电池模块的壳体上还设有外接接插件，外接接插件通过导线与通信/供电接插件电连接，外接接插件另一方面通过导线连接外部的上位机(例如车辆的ecu)。
116.为了提高cvm的巡检精度，参见图5，本实施例中，该电压巡检装置400还包括外壳430，各巡检电路板和排线均设于外壳430中。各巡检电路板平行且堆叠设置，以降低巡检电路板的总体体积。外壳430为金属件，一方面起到防尘防水的效果，另一方面金属壳体300起到电磁屏蔽的作用，降低电磁干扰，提高检测精度。巡检接插件410和通信/供电接插件420均外露于外壳430，便于排线插头的插接。为了方便走线，本实施例中，巡检接插件410和通信/供电接插件420位于外壳430的同侧，巡检接插件410通过巡检线束和转接插件与各电堆200的双极板电连接。
117.基于本实施例中各电堆200均采用侧置，配气组件100设于电堆200的侧面，占用壳体内部的空间，为了提高空间利用率，可将电压巡检装置400或高压组件布置在配气组件100所在侧面。考虑到电安全性，本实施例中，电压巡检装置400与配气组件100设于电堆200的不同侧面，且电压巡检装置400与高压组件500同样位于电堆200的不同侧面。高压组件500的部分铜排布置于配气组件100所在侧面。
118.高压组件500与电堆200的输出极电连接，用于输出燃料电池电堆200产生的电压。具体参见图1至图4，高压组件500包括铜排组件和输出端子540，铜排组件设于壳体300的安装腔301中，铜排组件用于连接电堆200的输出极以及输出端子540，铜排组件可根据实际需要弯折一定角度，但是铜排组件的覆盖面与cvm所在侧面不共面。
119.铜排组件用于将各电堆200的输出极串联、并形成正极连接部和负极连接部。参见
图2至图4，本实施例中，铜排组件包括正极铜排510、负极铜排520和用于将两个以上电堆200串联的至少一个连接铜排530。正极铜排510用于连接其中一个电堆200的正输出极230与正极输出端子，负极铜排520用于连接另一个电堆200的负输出极240与负极输出端子。电堆的其他正输出极230、负输出极240则通过连接铜排530串联。
120.正极铜排510和负极铜排520通过高压连接件与输出端子540连接，通常输出端子540设置于燃料电池模块的顶面，为了避免高压组件500对电压巡检装置400的影响，本实施例中电压巡检装置400设置于其中一个位于外侧的电堆200的竖侧面、且靠近于电堆的双极板的长边侧。
121.输出端子540作为整个燃料电池模块1000高压输出接口，一般设置有两个：正极输出端子和负极输出端子。正极输出端子和负极输出端子均贯穿安装于壳体300上，并且通过金属螺栓与铜排组件机械连接和电连接。正极输出端子和负极输出端子构成的高压贯穿端子用于连接电池包的高压铜排组件和dc/dc变换器，将电流输出给dc/dc变换器，可以实现两个以上电堆200的集成，输出大的电流，达到更高的电池效率，能够实现较小功率电堆功率提升为大功率电堆。输出端子540与正极铜排510、负极铜排520通过高压连接件连接，为了方便设置该高压连接件，壳体上通常设置安装槽，并对应设置封板330，封板330在安装高压连接件后封闭安装槽，如图1所示。
122.为了保证铜排组件与电堆200输出极的稳定连接，各个铜排一端的连接孔和高压连接件的数量为至少两个，相比于现有技术中由一个螺栓连接的方案，避免燃料电池模块1000随机振动过程中因集流板与铜排组件之间产生松动、转动等造成电弧或者电火花的问题，提升了电安全性。
123.为了进一步保证电安全，本技术提供的高压组件500，铜排组件的至少部分表面上设置有绝缘层。本实施例中，铜排组件除了用于连接的区域，都在表面喷涂有环氧树脂材料，环氧树脂作为绝缘材料保证铜排与周边环境的电安全间隙。另外，还可在电堆与铜排组件之间设置绝缘板，和/或，在壳体与铜排组件之间设置绝缘板，例如设置环氧树脂板。
124.实施例2：
125.基于同样的发明构思，本技术实施例提供一种燃料电池模块1000，其结构如图18至图21所示，该燃料电池模块1000采用多堆集成方案，包括两个以上电堆200。也就是说，该燃料电池模块1000可以采用双堆集成、三堆集成、四堆集成、六堆集成等方案。该燃料电池模块1000的各电堆200沿平行于电堆200中双极板的短边方向排列设置，也就是说该燃料电池模块1000的各电堆200均为竖置或侧置，并且沿双极板的短边方向间隔分布，堆间间距用于走线、布置高压铜排等零件。本实施例中，该燃料电池模块1000包括三个电堆200，且三个电堆200中重复单元(双极板 膜电极)的数量相同，使得三个电堆200的高度(重复单元堆叠方向上的尺寸)基本一致。
126.由于该燃料电池模块1000采用多堆集成方案，内部结构相对于单堆方案更为复杂，因此需要综合考虑歧管组件的布置、低压接线的布置、电堆排水性能等影响整堆性能的因素。具体在本实施例中，燃料电池模块1000的各电堆200均采用竖置方式，此种布置方式下，该燃料电池模块1000的各电堆200、歧管组件100以及高低压组件的具体结构如下：
127.为了提高排水性能，在某些实施例中，该燃料电池模块1000的各电堆200均设置为双极板具有水平方向投影分量、且双极板的堆叠方向具有竖直方向投影分量。双极板具有
水平方向投影分量，也就是说该电堆200的双极板与水平面具有一定夹角或者平行于水平面，优选双极板平行于水平面；双极板的堆叠方向具有竖直方向投影分量，也就是说该电堆200的高度方向与竖直方向具有一定夹角或者平行于竖直方向，优选高度方向平行于竖直方向。通过将三个电堆200均竖放设置，每个电堆200中，各重复单元均水平设置，优点在于：竖置相比橫置，更有利于生成水的排出，避免堵水不良，尤其是在冷启动等恶劣工况下，该优点尤为凸显。
128.同时，由于各电堆200均竖置，各电堆200的重力方向平行于双极板的堆叠方向，重力对于电堆200的堆叠压缩具有有益作用。因此竖置相比橫置，可以有效预防电堆塌腰，尤其在z向(竖直方向)振动或冲击较大的恶劣工况下，该优点尤为凸显。
129.考虑到电堆200的膜电极上气体扩散层、双极板上涂层的亲疏水性不一致，为了进一步优化电堆200的排水性能，本实施例中，膜电极的气体扩散层采用疏水材料，双极板的外表面设有疏水涂层。通过采用疏水的气体扩散层匹配双极板疏水涂层，在疏水碳纸和疏水涂层以及重力三重作用下，膜电极阴极生产的水可以较快地排出到气体扩散层表面，有利于排水；进一步地，双极板的疏水涂层的接触角小于气体扩散层的接触角，也就是说90
°
＜双极板涂层的接触角＜气体扩散层的接触角。双极板涂层相比于膜电极的气体扩散层更为亲水，在气体扩散层和双极板涂层的梯度作用下，阴极反应生成的水可以较快地排出到气体扩散层表面，并较快地从双极板流道中排出，有利于排水。由于该燃料电池模块1000同时包含“左堆”和“右堆”，对于“右堆”，在竖置时，由于重力作用，有利于阴极生成的水反扩散到阳极，提高电堆的自增湿能力，有利于缓解外部系统辅助零部件增湿器的压力。
130.为了配合上述电堆200共同工作，形成一个完整的燃料电池模块，该燃料电池模块1000还包括配气组件100、壳体300、电压巡检装置400和高压组件500。壳体300中设置有安装腔301，各电堆200均位于安装腔301中，并且各电堆200并排设置。配气组件100与各电堆200均连通，用于向各电堆200提供氧化介质(例如空气)、还原介质(例如氢气)和冷却介质(例如冷却液)。该配气组件100和电压巡检装置400具体可采用内置或外置的方案，也即根据实际需要，可将配气组件100和电压巡检装置400设于壳体100外部或者内部。配气组件100、电压巡检装置400和高压组件500的具体结构可采用上述实施例1的对应结构，或者采用现有技术的相关公开，具体内容本技术不做限制。
131.电压巡检装置400与电堆200的各片双极板连接，实现电压巡检。具体参见图18，本实施例中，电压巡检装置400具体设置于其中一个电堆200的进气端板210与盲端端板220之间，且靠近双极板的短边侧，电压巡检装置400的长度方向平行于双极板的堆叠方向。电压巡检装置400靠近该电堆200中双极板的短边，该布置方式合理利用电堆200中端板与双极板的面积差，以及壳体300与电堆200之间的装配空隙，将端板与双极板的短边/长边距离差所形成的空间作为电压巡检装置400的安装区域，因此该燃料电池模块不需要另外设置cvm安装空间，故而整个燃料电池模块体积小，相比于目前的同数量电堆200集成的燃料电池模块，具有更高的体积功率密度。
132.实施例3：
133.基于同样的发明构思，本实施例提供一种燃料电池系统，具体参见图22，该燃料电池系统包括燃料电池模块以及燃料电池辅助系统，燃料电池系统在外接燃料供应源的条件下可以正常工作。该燃料电池系统中燃料电池模块可以采用上述实施例1或实施例2的燃料
电池模块，具体内容此处不再赘述。
134.燃料电池辅助系统包括空气供应子系统、燃料供应子系统、热管理子系统和自动控制系统，其中空气供应子系统用于向燃料电池模块的各个电堆提供空气，并可选择对空气进行过滤、增湿、压力调节等方面的处理，空气供应子系统与燃料电池模块的各个电堆的空气进口、空气排口连通；燃料供应子系统用于向燃料电池模块的各个电堆提供燃料，并可选择对燃料进行增湿、压力调节等方面的处理，从而转变成适于在燃料电池堆内运行的燃料气，以氢气作为燃料为例，燃料供应子系统与燃料电池模块的各个电堆的氢气进口、氢气排口连通；热管理子系统，与燃料电池模块的各个电堆连通，以提供冷却液从而对电堆进行冷却和/或加热，以及对电堆生成水的回收处理。
135.自动控制系统与燃料电池模块、空气供应子系统、燃料供应子系统和热管理子系统分别电连接，自动控制系统为包含传感器、执行器、阀，开关、控制逻辑部件的总成，保证燃料电池系统无需人工干涉就可以正常工作。在其他实施例中，该燃料电池辅助系统还可以包括通风系统，用于借助机械的方法，将燃料电池系统中机壳内的气体排到外部。本实施例中该燃料电池系统中的燃料电池辅助系统并未做改进，因此更为详细的内容均可参考现有技术的相关公开，此处不展开说明。
136.实施例4：
137.基于同样的发明构思，本实施例提供一种燃料电池动力系统，具体参见图23，该燃料电池动力系统包括燃料电池系统、dc/dc变换器、驱动电机及其电机控制器以及车载储能装置，燃料电池系统可以采用上述实施例3的燃料电池系统，具体内容此处不再赘述。
138.dc/dc变换器与燃料电池系统的各个电堆电连接，以实现电压变换，将各个电堆产生的电压调压后输出至驱动电机、汽车空调压缩机等高压器件，以及电池等储电器件。驱动电机与dc/dc变换器电连接，用于提供车辆行驶所需的扭矩；电机控制器与驱动电机电连接，控制驱动电机的启动、停止、扭矩输出等，电机控制器与整车控制连接，接收整车控制器发出的驾驶信号，并且也可选择将电机控制器与燃料电池系统的自动控制系统电连接。车载储能装置用于存储电能，以向车内其他电子设备供电，车载储能装置与dc/dc变换器电连接，例如车载储能装置为蓄电池。
139.本实施例中该燃料电池动力系统中的dc/dc变换器、驱动电机及其电机控制器以及车载储能装置并未做改进，因此更为详细的内容均可参考现有技术的相关公开，此处不展开说明。
140.实施例5：
141.基于同样的发明构思，本实施例提供一种车辆，具体参见图24，该车辆包括上述实施例4的燃料电池动力系统；或者，该车辆可以配置有上述实施例3的燃料电池系统；或者该车辆可以配置有上述实施例1或实施例2的燃料电池模块。此外，该车辆还需要包括传动系统和用于存储燃料的燃料存储装置，传动系统传递驱动电机的扭矩，驱动车轮转动，燃料存储装置作用类似与燃油车中的油箱，燃料存储装置通过管路与燃料电池系统的燃料供应子系统连通。
142.由此，该车辆可以是氢能源车辆或氢能 充电的混合动力电动车。由于本实施例未对该车辆的具体结构进行改进，故而本实施例中该车辆的未做改变之处的结构均可参照现有技术，具体内容此处不做展开说明。由此，该车辆具有前文针对燃料电池模块所描述的全
部特征和优点，在此不再一一赘述。
143.通过上述实施例，本技术具有以下有益效果或者优点：
144.1)本技术提供的燃料电池模块，能够实现通过三个较小功率电堆进行功率提升的大功率电堆功率输出。
145.2)本技术提供的燃料电池模块，疏水的气体扩散层匹配疏水双极板涂层，并应用到电堆侧置的方式放置，利用重力辅助作用和气体吹扫，有利于阴极生产的水排出。
146.3)本技术提供的燃料电池模块，电堆侧置匹配冷却液流道“上进下出”，实现重力辅助作用冷却液流动，减小冷却腔流阻，有利于电堆的热管理.
147.4)本技术提供的燃料电池模块，电堆侧置匹配氢气流道“下进上出”，实现重力辅助作用阳极自增湿，通过阳极进气气流速度与水滴重力方向相反，有利于阳极进气的自增湿，有效缓解阳极进气口质子膜缺水的问题。
148.5)本技术提供的燃料电池模块，各电堆的水气路采用并联方案，由分配歧管向各个电堆统一配气、配水，相比于各电堆水气路串联方式，优点在于：该方式管路流阻小，水气介质分配一致性好，不均匀度小于5％，一方面有利于减小进排气歧管等零部件的尺寸，减小体积、降低成本；另一方面有利于降低系统集成的空压机、水泵等匹配难度，提高系统适配性；相比于单个电堆(非集成方式)方式优点在于，可以有效提高电堆的一致性，降低单个电堆单电池片数过多导致一致性差的风险，降低装配的难度。
149.6)本技术提供的燃料电池模块，各电堆单元串联，有利于减小电堆内部集流板、铜排等零部件的尺寸，减小体积、降低成本；并且有利于降低系统集成的dc/dc变换器(直流电源变换装置)匹配难度，提高系统适配性。以单个电堆电流范围0～442a、电压范围89.1v～162v、功率范围0～40kw为例，三个电堆单元串联后，整个燃料电池模块的电流范围0～442a、电压范围267.3v～486v、功率范围0～120kw。相比于单个电堆(非集成方式)方式可以有效提高电堆的一致性，降低单个电堆单电池片数过多导致一致性差的风险，降低装配的难度；
150.7)本技术提供的燃料电池模块，cvm模块集成化设计，cvm内部采用双pcb板结构，在同样的通道数下占用空间少，增加燃料电池单位体积功率密度。在多电堆集成条件下仍只采用单个cvm，区别于现有技术中每一个电堆单独配套一个cvm的方案，本技术的燃料电池模块具有较高的cvm模块集成度。
151.8)本技术提供的燃料电池模块，配气组件包括第一配气单元和第二配气单元，相比于现有的一体式、整体式配气组件，两个模块单元的设计降低制造难度，从而降低生产成本。第一配气单元和第二配气单元的分配歧管均为管件，相比于现有的一体式、整体式配气组件，管件的体积更小并且容差性能更优，此外还可以针对各电堆的结构或布局设计不同的分支管道。各分支管道分别与对应的主管道呈角度设置，可降低分配歧管中产生的压损，还能提升各电堆的流量分配的均匀性。
152.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
153.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围
之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。