CN101304096A - 空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，其特征是在所述氢电堆系统中增加一个空气阻力分布控制板和使用回风方法，所述的空气阻力分布控制板乃系具有绝缘层的金属材料和/或有绝缘性能的聚合物的蜂窝板，其上带有蜂窝状通孔，通孔可以是三角形、四边形、圆形和/或六边形，板的厚度可视冷却效果通过减薄加工进行调整；所述的回风方法是指在氢电堆中加入冷却空气的回风通路，通过带有控制阀片的一条通道和/或多条通道将经过氢电堆加热的冷却空气返回部分或其全部，通过风扇由前端吸入，与新的冷却空气混合，对氢电堆进行冷却。本发明具有可降低燃料电池系统的重量、体积和造价、提高氢电堆的启动速度和降低系统防冻难度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气直冷式氢质子交换膜燃料电池电堆的冷却气流控制方法，用于直接空气冷却的电堆。
背景技术
氢质子交换膜燃料电池电堆(本文简称氢电堆)的额定工作温度随着膜电极技术的提高而提高，在电堆额定工作温度达到100℃以上的条件下运行，水冷方式必须考虑对水冷系统压力的处理问题，或者改换以其他液体为主的热载体，例如高沸点的乙二醇。但是以水和乙二醇为代表的热载体的液冷方式，其防冻、防腐蚀、沸点等问题中至少有一个会成为使用上的技术障碍。另外，液体作为热载体，除氢电堆在水中使用和/或特定使用的环境，一般来说，仍然需要用空气作为氢电堆的散热去向，特别是作为移动用途，例如氢电堆驱动的汽车，最终还是归结于空气冷却。毕竟液冷方式的电堆系统的体积和重量比空气直接冷却方式的电堆系统要大。
由于电堆的额定工作温度的提高，用于空气直接冷却的气流量会迅速减低，冷却空气的阻力降低速度更快，甚至超过线性。因此，随着冷却空气的流量的下降，输送冷却空气的风扇功率会超过线性地下降，冷却孔道的孔径也可以降低。
相对液体冷却方式而言，空气直接冷却方式具有系统重量轻、防冻、易于防腐和系统启动快等优点。其不利之处在于冷却的均匀性比较差；电堆设计和双极板组合设计，以及冷却空气的流道设计等方面存在很多困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，旨在通过控制氢电堆上的冷却通道的冷却空气流量和回风比例来达到均衡地冷却氢电堆。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，其特征在于：在所述氢电堆系统中增加一个空气阻力分布控制板和使用回风方法，对于吹入式冷却方式，阻力板位于风扇与氢电堆之间或氢电堆之后；对于吸入式冷却方式，阻力板位于氢电堆之前或氢电堆与风扇之间；其中：
所述的空气阻力分布控制板乃系具有绝缘层的金属材料或有绝缘性能的聚合物的蜂窝板，其上带有蜂窝状通孔，通孔可以是三角形、四边形、圆形和/或六边形的几何形状；板的厚度可按下述步骤进行调整：
(1)先计算或测定风扇的风速在没有氢电堆和/或有氢电堆条件下的气流截面上的分布；
(2)在氢电堆后紧贴电堆压上厚度均匀的阻力板原板，阻力板的开孔与氢电堆通孔可以是一致或不一致；
(3)在特定环境温度和额定工况下，测定有阻力板和/或无阻力板的氢电堆各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；
(4)根据步骤(1)和步骤(3)对气流温度比较高的部位的阻力板进行减薄加工；所述减薄的一面是阻力板背离氢电堆的面；
(5)在特定环境温度和额定工况下测定经过步骤(4)减薄的阻力板的各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；
(6)根据步骤(5)对气流温度比较高的部位的阻力板再次进行减薄加工；所述减薄加工的面仍是阻力板背离氢电堆的面；
(7)重复步骤(5)和步骤(6)，直到测量的温度分布比较均匀，满足氢电堆稳定工作的条件；
(8)如果阻力板原板的减薄部分已接近其全部板厚，则提高原板厚度或减小通孔孔径以及同时采用提高厚度和减小孔径后继续(2)到(7)的步骤，直到步骤(7)的温差条件得到满足；
所述的回风方法乃系在氢电堆中加入冷却空气的回风通路，通过单独的一条通道和/或多条通道，并且具有截断、开通、控制流量的控制阀片将经过氢电堆加热的冷却空气返回一部分或其全部，回到氢电堆前端，通过风扇由前端被风扇吸入，与新的冷却空气混合，对氢电堆进行冷却，温度可以接近上述特定温度，防止风冷对氢电堆产生冻结；其工艺步骤如下：
(1)上述的回风控制依据是氢电堆排出的经过混合的冷却空气温度，如果排出冷却空气的温度低于系统设定的温度，则开启回风的阀片，降低新风的进入，待氢电堆回风温度接近系统的设定温度，再开启新风的进入；
(2)对于低温环境下的启动，系统根据检测的氢电堆和环境温度，判断氢电堆如果出现冻结，则先使用完全的回风，同时开启回风通路中的加热器，当回风温度达到系统设定值，则允许氢电堆启动发电，停止加热。
本发明的有益效果是：
有利于降低整个燃料电池系统的重量、体积和造价，提高了氢电堆的启动速度和降低了系统的防冻难度。
附图说明
图1是本发明在使用没有经过厚度修正的阻力板原板时的基本结构示意图；
图2是对于没有回风的情况下，在额定条件下逐步修改阻力板原板的示意图；
图3是对于没有回风的情况下，在额定条件下形成阻力板模板的示意图；
图4是使用已经经过厚度修正的阻力板或成品阻力板，在氢电堆非额定工作条件下使用部分回风条件时的示意图；
图5是对于使用已经经过厚度修正的阻力板或成品阻力板，在氢电堆使用全回风条件时的氢电堆示意图；
在图中：1、冷却风扇，2、测定混合进风温度的热电偶，3、氢电堆，4、阻力板，5、测定阻力板的各个孔道出风温度的热电偶，6、回风入口，7、回风通道壳，8、回风流量控制阀片，9、回风通道，10、加热器，11、回风出口，12、新风控制阀片，13、阻力板减薄后的曲面，14、测定冷却空气出口混合温度的热电偶。
具体实施方式
如图1至图5所示的一种空气直冷式氢电堆系统，由新风控制阀片12、测定混合进风温度的热电偶2、双极板和端板等组成的电堆3、阻力板4、测定冷却空气出口混合温度的热电偶14、回风入口6、回风通道壳7、回风流量控制阀片8、回风通道9、加热器10、回风出口11组成。
在整个系统中具有空气阻力分布控制板。对于风扇在电堆之前的吹入式冷却方式，该阻力板位于风扇与氢电堆之间或氢电堆之后；对于风扇在氢电堆之后的吸入式冷却方式，该阻力板位于氢电堆之前或氢电堆与风扇之间。该阻力板是开孔方向平行于冷却空气的方向的孔径均匀或不均匀、板厚度不均匀或均匀的蜂窝板，或者是孔径不均匀的薄板，以及这几种方式的混合使用。
使用具有一定厚度的、孔径形状相同的阻力板，采用具有均匀分布的蜂窝状通孔，通孔可以是三角、四边形、圆形、六边形等方便加工的几何形状。板的厚度需要进行调整，调整的方法如下：
1、先计算或测定风扇的风速在没有氢电堆、有氢电堆两种条件下的风速在气流截面上的分布。或者不进行本步骤。
2、在氢电堆后紧贴电堆压上厚度均匀的阻力板原板，阻力板的开孔与氢电堆通孔可以是一致或不一致。阻力板必须不影响氢电堆的导电性质，与电堆接触点不导电，使用具有绝缘层的金属材料或使用绝缘的聚合物制造。
3、在特定环境温度下，测定额定工况下，没有加入阻力板和加入阻力板的氢电堆后各个冷却空气孔道的气流温度。在有阻力板时，可以测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布。可以全部或间隔地测量全部冷却空气孔道。
4、根据1和3的步骤对气流温度比较高的部位的阻力板进行减薄加工。减薄以后，气流温度比较高的孔道的气流阻力下降，对应部位的冷却空气流量占总流量的比例将提高，流出的冷却空气的温度将降低，没有减薄的部位的冷却空气流量占总流量的比例将降低。所述减薄加工一面是阻力板背离氢电堆的面。
5、在特定环境温度下，测定使用经过减薄加工的阻力板在额定工况下的的氢电堆后各个冷却空气孔道的气流温度，或者测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布。可以全部或间隔地测量。
6、根据步骤5对气流温度比较高的部位的阻力板进行减薄加工。所述减薄加工一面是阻力板背离氢电堆的面。
7、重复5和6的步骤，直到测量的温度分布比较均匀，满足氢电堆稳定工作的条件，该条件由具体的氢电堆决定。例如在环境温度20℃，出口冷却空气混合温度为90℃时，如果氢电堆要求的单独冷却空气孔道流出的冷却空气之间的温度差最大小于10％，则温差是7℃，则按照7℃来决定减薄加工的停止。
8、如果阻力板原板的减薄部分已经减薄到接近完全削去该部位全部板厚，则改进阻力板原板，提高原板的厚度，或减小通孔孔径，或同时采用提高厚度和减小通孔孔径的方法。然后在原来减薄数据的基础上继续2到7的步骤，直到7的温差条件得到满足。
9、以上述方法得到的阻力板为模板，生产实际使用的阻力板，生产方法包括注塑、模压、冲压等常规方法，阻力板可以是单个整板，或者是多板的组合、插接、层压方式。
10、阻力板的蜂窝孔孔径在适当的范围，例如在氢电堆冷却空气孔道孔径大小的1/3到2/3之间，厚度在氢电堆的冷却通道方向长度的1/2到1/4，这要按照氢电堆的具体结构尺寸来决定，然后调节。
为适应启动，特别是低温启动和其它低于额定温度(例如20-40℃)下的情况，系统使用回风方法解决相应问题，该回风方法如下：
1、在系统中加入冷却空气的回风通路，经过氢电堆加热的冷却空气返回一部分，或全部，回到氢电堆前端，与补充的新鲜的冷却空气混合，或不补充，对氢电堆进行冷却，可以是通过单独的一条通道或多条通道，截面可以是任何方便安装的形式，包括均匀不变的和变化的截面，也可以是借用氢电堆的外壳形式，包括四周全部构成回风和局部构成回风。并且具有截断、开通、控制流量的控制阀片，根据氢电堆形状以及空间安排要求和回风通路的具体设置形式，阀片可以具有多个，并且阀片可以安装在任何方便安装的部位。由于系统对于氢电堆的冷却空气出口温度许可一定的偏差，所以阀片的控制许可一定的偏差。回风通过在风扇前端被风扇吸入，与新的冷却空气混合，温度可以接近上述特定温度，例如20℃，氢电堆的冷却空气入口温度可以保证在冰点以上，防止0℃以下环境中风冷对氢电堆产生的冻结的发生。
2、上述的回风控制依据是测定氢电堆排出的经过混合的冷却空气的温度。在氢电堆输出电能时，风扇持续运转，并且排出冷却空气，如果排出冷却空气的温度低于具体系统设定的温度，例如90℃，则开启回风的阀片，同时可以在新风入口增设进风控制，降低新风的进入，甚至完全关闭新风的进入，待氢电堆回风温度接近系统的设定温度，例如20℃，再开启新风的进入。并根据环境温度、入口温度和出口温度控制新风和回风的开启和比例，使氢电堆工作时的冷却空气入口温度和出口温度保持在系统设定的范围内，例如设定入口温度20℃到40℃，出口温度在90℃到100℃，具体温度依照具体氢电堆特点设定。
3、对于低温环境的启动，根据系统检测的氢电堆和环境温度，自动判断氢电堆是否可能发生水的冻结问题。如果可能出现冻结，则先使用完全的回风，同时开启回风通路中的加热器，对整个回路，包括氢电堆，进行加热。当回风温度达到系统设定值，例如20℃或30℃，同时氢电堆极板或内部的燃料和氧化剂循环温度达到10℃或20℃，则允许氢电堆启动发电，停止加热。回风系统的加热与氢电堆具有的其他加热措施可以并行使用。
Claims (1)
1、一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，其特征在于：在所述氢电堆系统中增加一个空气阻力分布控制板和使用回风方法，对于吹入式冷却方式，阻力板(4)位于风扇(1)与氢电堆(3)之间或氢电堆之后；对于吸入式冷却方式，阻力板(4)位于氢电堆(3)之前或氢电堆与风扇之间；其中：
所述的空气阻力分布控制板乃系具有绝缘层的金属材料或绝缘的聚合物的蜂窝板，其上带有蜂窝状通孔，通孔可以是三角形、四边形、圆形和/或六边形的几何形状；板的厚度可按下述步骤进行调整：
(1.1)先计算或测定风扇的风速在没有氢电堆和/或有氢电堆条件下的气流截面上的分布；
(1.2)在氢电堆后紧贴电堆压上厚度均匀的阻力板原板，阻力板的开孔与氢电堆通孔可以是一致或不一致；
(1.3)在特定环境温度和额定工况下，测定有阻力板和/或无阻力板的氢电堆各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；
(1.4)根据步骤(1.1)和步骤(1.3)对气流温度比较高的部位的阻力板进行减薄加工；所述减薄的一面是阻力板背离氢电堆的面；
(1.5)在特定环境温度和额定工况下测定经过步骤(1.4)减薄的阻力板的各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；
(1.6)根据步骤(1.5)对气流温度比较高的部位的阻力板再次进行减薄加工；所述减薄加工的面仍是阻力板背离氢电堆的面；
(1.7)重复步骤(1.5)和步骤(1.6)，直到测量的温度分布比较均匀，满足氢电堆稳定工作的条件；
(1.8)如果阻力板原板的减薄部分已接近其全部板厚，则提高原板厚度或减小通孔孔径以及同时采用提高厚度和减小孔径后继续(1.2)到(1.7)的步骤，直到步骤(1.7)的温差条件得到满足；
所述的回风方法乃系在氢电堆中加入冷却空气的回风通路(9)，通过单独的一条通道和/或多条通道(7)，并且具有截断、开通、控制流量的控制阀片(8)将经过氢电堆加热的冷却空气返回一部分或其全部，回到氢电堆前端，通过风扇由前端被风扇吸入，与新的冷却空气混合，对氢电堆进行冷却，温度可以接近上述特定温度，防止风冷对氢电堆产生冻结；其工艺步骤如下：
(1.9)上述的回风控制依据是氢电堆排出的经过混合的冷却空气温度，如果排出冷却空气的温度低于系统设定的温度，则开启回风的阀片，降低新风的进入，待氢电堆回风温度接近系统的设定温度，再开启新风的进入；
(1.10)对于低温环境下的启动，系统根据检测的氢电堆和环境温度，判断氢电堆如果出现冻结，则先使用完全的回风，同时开启回风通路中的加热器，当回风温度达到系统设定值，则允许氢电堆启动发电，停止加热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100324 Termination date: 20100603 |