CN106784925A - 一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，包括依次连接的直流电源、微波发生器、微波输出器和微波加热器，所述微波加热器对位于其外部的所述质子交换膜燃料电池进行无接触的微波加热。本发明从不影响电池自身结构和电池正常工作状态出发，利用微波加热原理，对冷启动过程中的燃料电池加热，一方面无需改变电池结构，不影响电池工作性能，另一方面，更好地解决了燃料电池在更低温度下的启动问题，促进了质子交换膜燃料电池的商业化进程。同时，单脊型微波加热器对薄片状或线状物体有高效的加热速率；再者，车载直流电源可以满足微波发生器的供电要求，微波发生器体积小，微波加热效率高，整个冷启动系统所占空间小。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池启动装置，特别是一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置。
背景技术
日益增加的能源消耗需求与日益枯竭的化石能源之间的矛盾近年来越发凸显。燃料电池作为一种清洁能源转化装置，将化学能直接转化为电能，因而具有较高的能源转化效率。在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池具有能量密度高、工作温度低、无污染物排放等优点，成为世界各国研究的热点。但是，质子交换膜燃料电池的冷启动能力是其商业化进程中的主要瓶颈技术之一。目前质子交换膜燃料电池冷启动问题的解决方案主要有以下几种：1)在电池内部布置电加热丝，例如把电加热丝布置在膜电极表面或集流板外侧；2)在电池外部增加循环水加热系统，在冷启动之前或启动过程中对电池进行加热；3)充分利用电池内电化学反应释放的热量，实现燃料电池的自启动。就前两种方法而言，一是需要对电池结构进行改造，二是电加热丝的布置会增加电池内阻，降低电池性能，甚至破坏膜电极。针对第三种方法，研究表明利用电化学反应热的冷启动方式只能在较高温度(约-5-0℃)下启动成功，这种启动方式在燃料电池实际应用方面是不能满足要求的。因此，提高质子交换膜燃料电池冷启动能力的技术还有待开发。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，该装置能够在不改变电池结构的情况下，实现电池在较低温度下的冷启动。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，包括依次连接的直流电源、微波发生器、微波输出器和微波加热器，所述微波加热器对位于其外部的所述质子交换膜燃料电池进行无接触的微波加热。
所述微波加热器为单脊型微波加热器，所述单脊型微波加热器的脊位处于窄边，在所述单脊型微波加热器的宽边上设有与波导轴正交的条状微波发射口，所述条状微波发射口与所述质子交换膜燃料电池的膜电极相对。
所述质子交换膜燃料电池为电池堆，所述电池堆采用由多个质子交换膜燃料电池单体串联组成的汉堡式结构，所述单脊型微波加热器的长度与所述电池堆的长度相等，在所述单脊型微波加热器上均布有若干个所述条状微波发射口，每个所述条状微波发射口与一个所述质子交换膜燃料电池单体的膜电极相对。
所述微波发生器设有冷却风扇，所述冷却风扇由所述直流电源供电。
所述直流电源采用车载直流电源，所述冷却风扇采用小型风扇，所述微波发生器采用磁控管。
本发明具有的优点和积极效果是：从不影响电池自身结构和电池正常工作状态出发，利用微波加热原理，对冷启动过程中的燃料电池加热，一方面无需改变电池结构，不影响电池工作性能，另一方面，更好地解决了燃料电池在更低温度下的启动问题，促进了质子交换膜燃料电池的商业化进程。同时，单脊型微波加热器对薄片状或线状物体有高效的加热速率；再者，车载直流电源可以满足微波发生器的供电要求，微波发生器体积小，微波加热效率高，整个冷启动系统所占空间小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的单脊型微波加热器的仰视图；
图3为图2的仰视图；
图4为本发明的单脊型微波加热器与燃料电池堆的相对位置图。
图中：1、直流电源，2、冷却风扇，3、微波发生器，4、微波输出器，5、单脊型微波加热器，6、质子交换膜燃料电池堆，7、条状微波发射口。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，包括依次连接的直流电源1、微波发生器3、微波输出器4和微波加热器5，所述微波加热器5对位于其外部的所述质子交换膜燃料电池6进行无接触的微波加热。
质子交换膜燃料电池在低温(如-20℃)下启动时，化学反应生成的水会在膜电极位置形成冰，而冰又会阻碍反应气体的扩散，造成电池无法运行。众所周知，水或者冰是吸收微波最强的物质，因此将微波应用于燃料电池的冷启动过程，能起到快速融冰的效果，保证冷启动成功。
在本实施例中，所述微波加热器5为单脊型微波加热器，所述单脊型微波加热器的脊位处于窄边，在所述单脊型微波加热器的宽边上设有与波导轴正交的条状微波发射口7，所述条状微波发射口7与所述质子交换膜燃料电池6的膜电极相对，上述结构能够使所述单脊型微波加热器的微波场集中在所述条状微波发射口7附近传播，在所述条状微波发射口7上可以获得很强的电场，当薄片状或线状物料位于其附近时，可以很容易地获得高效率的加热。
在本实施例中，所述质子交换膜燃料电池6为电池堆，所述电池堆采用由多个质子交换膜燃料电池单体串联组成的汉堡式结构，所述单脊型微波加热器的长度与所述电池堆的长度相等，在所述单脊型微波加热器上均布有若干个所述条状微波发射口7，每个所述条状微波发射口7与一个所述质子交换膜燃料电池单体的膜电极相对。通过对电池堆不同位置的质子交换膜燃料电池单体的膜电极进行加热，使电池堆中的个别电池单体发生反应，进而利用这些少数电池反应时放出的热量，对电池堆中的其他电池进行加热，最后达到整个电池堆启动成功的效果。
在本实施例中，所述微波发生器3设有冷却风扇2，所述冷却风扇2由所述直流电源1供电。
在本实施例中，为了减小体积，所述直流电源1采用车载直流电源，所述冷却风扇2采用小型风扇，用来给微波发生器3散热，所述微波发生器3采用磁控管，磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。
本发明的工作过程如下：
在质子交换膜燃料电池进行冷启动时，通过直流电源1为微波发生器3供电，同时，冷却风扇3开始为微波发生器3散热，以保证安全，微波发生器3产生的微波能量经耦合过程由微波输出器4输出至单脊型微波加热器，单脊型波导实现微波的波形变换、阻抗匹配、耦合、谐振等功能，其特点是单向传输高频信号，它控制电磁波向特定方向传输。将质子交换膜燃料电池6置于单脊型微波加热器形成的片状电磁场中，进行启动过程的加热，当电池冷启动成功后停止加热。
本发明从质子交换膜燃料电池冷启动过程的实际问题出发，不改变电池自身结构，不影响电池工作状况，利用微波加热原理，对冷启动过程中的燃料电池加热。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，其特征在于，包括依次连接的直流电源、微波发生器、微波输出器和微波加热器，所述微波加热器对位于其外部的所述质子交换膜燃料电池进行无接触的微波加热。
2.根据权利要求1所述的无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，其特征在于，所述微波加热器为单脊型微波加热器，所述单脊型微波加热器的脊位处于窄边，在所述单脊型微波加热器的宽边上设有与波导轴正交的条状微波发射口，所述条状微波发射口与所述质子交换膜燃料电池的膜电极相对。
3.根据权利要求2所述的无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池为电池堆，所述电池堆采用由多个质子交换膜燃料电池单体串联组成的汉堡式结构，所述单脊型微波加热器的长度与所述电池堆的长度相等，在所述单脊型微波加热器上均布有若干个所述条状微波发射口，每个所述条状微波发射口与一个所述质子交换膜燃料电池单体的膜电极相对。
4.根据权利要求1所述的无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，其特征在于，所述微波发生器设有冷却风扇，所述冷却风扇由所述直流电源供电。
5.根据权利要求4所述的无接触式质子交换膜燃料电池冷启动装置，其特征在于，所述直流电源采用车载直流电源，所述冷却风扇采用小型风扇，所述微波发生器采用磁控管。
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