CN108630975B - 能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能实现超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，包括：设置在一对端板之间的若干单电池，还包括有若干加热单元，每个加热单元均设置在相邻的一对单电池之间，每个加热单元内均设置有空气集散腔、汇集腔、氢气集散腔、若干空气流道以及若干氢气流道，空气流道的进口端和出口端分别与空气集散腔和汇集腔相连通，每条空气流道中均开设有与对应氢气流道相连通的燃烧口，燃烧口处设置有点火器；每个加热单元的空气集散腔和氢气集散腔均分别与加热空气通道和加热氢气通道相连通；每个加热单元的汇集腔均与排气通道和排水通道相连通。本发明的优点在于：能在超低温条件下启动，冷启动时其消耗的氢气量少，冷启动时间短。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及质子交换膜燃料电池电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池，其结构主要包括：设置在一对端板之间的若干单电池。质子交换膜燃料电池是一种以氢气和氧气为原料进行电化学反应生成水、同时将化学能转化成电能的电化学发电装置，其具有清洁、高效、节能环保、能量转化率高等特点。由于化学反应产生的水会残留在质子交换膜燃料电池电堆内部，在冰点以下的低温环境中，燃料电池内部的液态水会发生冻结，燃料电池启动时产生的反应热不足以溶解冰，这就对燃料电池的启动造成影响，在恶劣的低温环境下质子交换膜燃料电池可能会出现启动缓慢、启动困难或启动失败等问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，包括：设置在一对端板之间的、相互串联的若干单电池，还包括有若干加热单元，每个加热单元均设置在相邻的一对单电池之间，每个加热单元内均设置有空气集散腔、汇集腔、氢气集散腔、若干空气流道以及若干氢气流道，空气流道的进口端均与空气集散腔相连通，空气流道的出口端均与汇集腔相连通，空气流道与氢气流道一一对应，氢气流道的进口端均与氢气集散腔相连通，每条空气流道的流道壁上均开设有与对应氢气流道相连通的燃烧口，每条氢气流道中的氢气均能通过燃烧口进入至对应的空气流道内，每条空气流道中的燃烧口处均设置有点火器；每个加热单元的空气集散腔均与加热空气通道相连通，加热空气通道能与空气源相连通，空气由加热空气通道进入至每个加热单元的空气集散腔中；每个加热单元的氢气集散腔均与加热氢气通道相连通，加热氢气通道能与氢气源相连通，氢气由加热氢气通道进入至每个加热单元的氢气集散腔中；每个加热单元的汇集腔均与排气通道和排水通道相连通，每个加热单元的汇集腔内的气体和水能分别从排气通道和排水通道中向外排出。
进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，加热单元在整个电池电堆中均匀间隔布置。
进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，空气集散腔和氢气集散腔均位于汇集腔的上方，空气流道呈辐射状从空气集散腔向下导向至汇集腔，氢气流道呈辐射状从氢气集散腔向下导向连通至燃烧口。
更进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，每个燃烧口均位于对应氢气流道的底端，所有燃烧口均在加热单元中间部位在的同一高度处齐平设置。
进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，每个加热单元均包括相互密封盖合固定设置的盖板和燃烧板，燃烧板正对着盖板的板面上设置有向内凹进的加热反应区，加热反应区分为空气集散区、空气导流区、汇集区，空气导流区内设置有若干导流凸肋，导流凸肋将空气导流区分隔成若干空气导流槽，空气导流槽的进口端均与空气集散区相连通，空气导流槽的出口端均与汇集区相连通，氢气集散腔和若干氢气流道设置在燃烧板的板体内部，氢气流道与空气导流槽一一对应，每条空气导流槽内的燃烧板上均开设有燃烧口，每个燃烧口均与对应的氢气流道相连通，每条氢气流道中的氢气均能通过燃烧口进入至对应的空气导流槽内；密封盖合在燃烧板上的盖板与空气集散区、每条空气导流槽以及汇集区分别形成空气集散腔、若干空气流道以及汇集腔；每个点火器均设置在盖板上。
再进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，每个加热单元的空气集散腔与氢气集散腔分别位于燃烧板上端部的两侧部位。
再进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，所述的加热空气通道是由分别贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的空气进口对应连通形成的；所述的加热氢气通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的氢气进口对应连通形成的；所述的排气通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的排气口对应连通形成的；所述的排水通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的排水口对应连通形成；排气口和排水口位于每个汇集腔的两侧部位，并且排气口高于排水口设置，排水口设置在汇集腔的底部位置处。
再进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，端板、单电池、每个加热单元的盖板和燃烧板上均贯通开设有发电空气进口、发电冷剂进口、发电氢气进口、发电空气出口、发电冷剂出口、发电氢气出口，所有端板、单电池、加热板上的发电空气进口、发电冷剂进口、发电氢气进口、发电空气出口、发电冷剂出口、发电氢气出口一一对应连通从而形成发电空气进入通道、发电冷剂进入通道、发电氢气进入通道、发电空气流出通道、发电冷剂流出通道、发电氢气流出通道，所述的发电空气进入通道、发电冷剂进入通道、发电氢气进入通道均位于端板、单电池及加热单元盖板和燃烧板的上端部位，所述的发电空气流出通道、发电冷剂流出通道、发电氢气流出通道均位于端板、单电池及每个加热单元盖板和燃烧板的下端部位。
进一步地，前述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其中，所有单电池均设置在壳体内，端板分别位于壳体的两端。
本发明的优点在于：在质子交换膜燃料电池电堆中设置若干加热单元，加热单元的结构紧凑巧妙，供热效果好，从而使得质子交换膜燃料电池能在零下40℃以下的超低温条件下启动，冷启动时其消耗的氢气量少，冷启动时间短。
附图说明
图1是本发明所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。
图2是图1中加热单元的主视结构示意图。
图3是图1中加热单元的组装结构示意图。
图4是图3中燃烧板的结构示意图。
图5是图4中燃烧板的内部结构示意图。
图6是图3中盖板上点火器的安装结构示意图。
实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，包括：设置在一对端板1之间的若干单电池2，还包括有若干加热单元3，每个加热单元3均设置在相邻的一对单电池2之间。为了确保加热的均匀性，加热单元3在电池电堆中均匀间隔布置。为了对单电池2进行很好地防尘和保护，本实施例中所有单电池2均设置在壳体4内，所述的端板1分别位于壳体4的两端。
每个加热单元3的内部均设置有空气集散腔301、汇集腔302、氢气集散腔303、若干空气流道304以及若干氢气流道305。空气流道304的进口端均与空气集散腔301相连通，空气流道304的出口端均与汇集腔302相连通，空气流道304与氢气流道305一一对应，氢气流道305的进口端均氢气集散腔303相连通，每条空气流道304的流道壁上均开设有与对应氢气流道305相连通的燃烧口306，每条氢气流道305中的氢气均能通过燃烧口306进入至对应的空气流道304内，每条空气流道304中的燃烧口306处均设置有点火器311。为了提高加热的均匀性，本实施例中每个燃烧口306均位于对应氢气流道305的底端，所有燃烧口306均在加热单元3中间部位的同一高度处齐平设置。
本实施例中，空气集散腔301和氢气集散腔303均位于汇集腔302的上方，
空气流道304呈辐射状从空气集散腔301向下导向至汇集腔302，氢气流道305呈辐射状从氢气集散腔303向下导向连通至燃烧口306。空气流道304与氢气流道305可以是折线型也可以是弧线型的。
每个加热单元3的空气集散腔301均与加热空气通道11相连通，所述的加热空气通道11能与空气源相连通，空气由加热空气通道11进入至每个加热单元3中的空气集散腔301内。每个加热单元3的氢气集散腔303均与加热氢气通道12相连通，所述的加热氢气通道12能与氢气源相连通，氢气由加热氢气通道12进入至每个加热单元3的氢气集散腔303内。每个加热单元3的汇集腔302均与排气通道13和排水通道14相连通，每个加热单元3的汇集腔302内的水均经排水通道14向外排出，每个加热单元3的汇集腔302内的气体均经排气通道13中向外排出。加热空气通道11中的空气通过空气集散腔301进入空气流道304中，这能使得空气在空气集散腔301分布均匀从而使得每个空气流道304中的空气流量相同。加热氢气通道12中的氢气通过氢气集散腔303进入氢气流道305中，这能使得氢气在氢气集散腔303分布均匀，从而使得每个氢气流道305中的氢气流量相同。
本实施例中，每个加热单元3均包括相互密封盖合固定设置的盖板31和燃烧板32，燃烧板32正对着盖板31的板面上设置有向内凹进的加热反应区，加热反应区分为空气集散区321、空气导流区322、汇集区323，空气导流区322内设置有若干导流凸肋324，导流凸肋324将空气导流区322分隔成若干空气导流槽325，空气导流槽325的进口端均与空气集散区321相连通，空气导流槽325的出口端均与汇集区323相连通，氢气集散腔303和若干氢气流道305设置在燃烧板32的板体内部，氢气流道305与空气导流槽325一一对应，每条空气导流槽325内的燃烧板32上均开设有燃烧口306，每个燃烧口306均与对应的氢气流道305相连通，每条氢气流道305中的氢气均能通过燃烧口306进入至对应的空气导流槽325内。密封盖合在燃烧板32上的盖板31与空气集散区321、每条空气导流槽325以及汇集区323分别形成空气集散腔301、若干空气流道304以及汇集腔302。每个点火器311均设置在盖板31上。为了便于空气以及氢气的输送，每个加热单元3的空气集散腔301与氢气集散腔303分别位于燃烧板32上端部的两侧部位。加热单元3采用盖板31与燃烧板32的盖合结构，这极大地方便了加热单元3的制作与生产以及后期的检修。
如图3、图4、图5、图6所示，本实施例中所述的加热空气通道11是由分别贯通开设在端板1、单电池2以及每个加热单元3的盖板31和燃烧板32上的空气进口110对应连通形成的。所述的加热氢气通道12是由贯通开设在端板1、单电池2以及每个加热单元3的盖板31和燃烧板32上的氢气进口120对应连通形成的。所述的排气通道13是由贯通开设在端板1、单电池2以及每个加热单元3的盖板31和燃烧板32上的排气口130对应连通形成的。所述的排水通道14是由贯通开设在端板1、单电池2以及每个加热单元3的盖板31和燃烧板32上的排水口140对应连通形成的。所述的排气口130和排水口140均位于汇集腔302的两侧部位，并且排气口130高于排水口140设置，排水口140设置在汇集腔302的底部位置处。上述结构的加热空气通道11、加热氢气通道12、排气通道13、排水通道14均是穿过端板1、单电池2以及每个加热单元3的盖板31和燃烧板32的板体、并沿着电池电堆的纵向设置，这样能使得空气与氢气分别快速进入至每个加热单元3中，又能使得每个加热单元3中产生的水和气体快速排出，从而有效减少水的残留，同时也缩小了整个电池电堆的体积。
本实施例中，端板1、单电池2、每个加热单元3的盖板31和燃烧板32上均贯通开设有发电空气进口5、发电冷剂进口6、发电氢气进口7、发电空气出口8、发电冷剂出口9、发电氢气出口10，所有端板1、单电池2、加热单元3上的发电空气进口5、发电冷剂进口6、发电氢气进口7、发电空气出口8、发电冷剂出口9、发电氢气出口10一一对应连通，从而形成发电空气进入通道50、发电冷剂进入通道60、发电氢气进入通道70、发电空气流出通道80、发电冷剂流出通道90、发电氢气流出通道100。所述的发电空气进入通道50、发电冷剂进入通道60、发电氢气进入通道70位于端板1、单电池2、及加热单元3的上端部位，所述的发电空气流出通道80、发电冷剂流出通道90、发电氢气流出通道100位于于端板1、单电池2及每个加热单元3的下端部位。发电用的空气从发电空气进入通道50进入电池电堆内，发电用的氢气从发电氢气进入通道70进入电池电堆内，电池电堆中发电后残余的空气从发电空气流出通道80排出，电池电堆中发电后残余的氢气从发电氢气流出通道100排出，对电池电堆进行冷却的冷剂从发电冷剂进入通道60进入，从发电冷剂流出通道90流出。
工作原理如下：当质子交换膜燃料电池处于温度极低的环境下进行启动时，空气由加热空气通道11进入至每个加热单元3中的空气集散腔301内，空气集散腔301内的空气进入至每条空气流道304中。氢气由加热氢气通道12进入至每个加热单元3中的氢气集散腔303内，氢气集散腔303内的氢气进入至每条氢气流道305中，每条氢气流道305中的氢气再从燃烧口306进入至空气流道304中。每个燃烧口306处的点火器311点火，从而使得氢气燃烧，释放热量。为了确保氢气燃烧完全，点火器311可以不间断点火。每个加热单元3均将热量传递给单电池2，从而使得质子交换膜燃料电池系统的温度迅速提高，而实现在零下40℃甚至以下的超低温下环境下快速启动。当电池系统的温度升高至0℃以上时，停止加热。多余的空气与氢气燃烧生产的水则沿着每条空气流道304进入至汇集腔302中，汇集腔302中的空气从排气通道13向外排出，汇集腔302中的水从排水通道14中向外排出。
为了对本发明所述的能实现超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆进行进一步描述，下面给出具体的实施例。
实施例一。
环境条件：石墨比热 710 J/(kg·K)；氢气热值 1.4×108 J/kg；电池电堆质量200kg；环境温度-30℃；升温后温度0℃；散热率 5%。
氢气消耗量=（升温后温度-环境温度）×石墨比热×电池电堆质量÷氢气热值×（散热率+1）。
氢气消耗量=30×710×200÷（1.4×108）×1.05=0.032kg 。
实施例二。
环境条件：环境温度-20℃；升温后温度0℃；消耗氢气流量0.048kg/min；石墨比热 710 J/(kg·K)；氢气热值 1.4×108 J/kg；电池电堆质量 200kg；散热率 5%。
其中：消耗氢气流量依据供氢系统为燃料电池系统供氢能力，燃料电池额定功率下工作氢气消耗量确定，以36kw燃料电池为例。
氢气消耗量=（升温后温度-环境温度）×石墨比热×电池电堆质量÷氢气热值×（散热率+1）。
氢气消耗量=20×710×200÷（1.4×108）×1.05=0.022kg 。
冷启动时间=氢气消耗量÷氢气流量 。
冷启动时间=0.022÷0.048=0.46 min=28 s 。
即：由环境温度-20℃，升高至0℃，消耗时间28s 。
实施例三。
环境条件：环境温度-10℃；升温后温度0℃；消耗氢气流量0.048kg/min；石墨比热 710 J/(kg·K)；氢气热值 1.4×108 J/kg；电池电堆质量 200kg；散热率 5%。
其中：消耗氢气流量依据供氢系统为燃料电池系统供氢能力，燃料电池额定功率下工作氢气消耗量确定，以36kw燃料电池为例。
氢气消耗量=（升温后温度-环境温度）×石墨比热×电池电堆质量÷氢气热值×（散热率+1）。
氢气消耗量=10×710×200÷（1.4×108）×1.05=0.011kg 。
冷启动时间=氢气消耗量÷氢气流量。
冷启动时间=0.011÷0.048=0.23 min=14 s。
即：由环境温度-10℃，升高至0℃，消耗时间14s 。
由上述具体实施例，可以明显得到：本发明所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，能在超低温条件下启动，冷启动时其消耗的氢气量少，冷启动时间短。
Claims (9)
1.能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，包括：设置在一对端板之间的、相互串联的若干单电池，其特征在于：还包括有若干加热单元，每个加热单元均设置在相邻的一对单电池之间，每个加热单元内均设置有空气集散腔、汇集腔、氢气集散腔、若干空气流道以及若干氢气流道，空气流道的进口端均与空气集散腔相连通，空气流道的出口端均与汇集腔相连通，空气流道与氢气流道一一对应，氢气流道的进口端均与氢气集散腔相连通，每条空气流道的流道壁上均开设有与对应氢气流道相连通的燃烧口，每条氢气流道中的氢气均能通过燃烧口进入至对应的空气流道内，每条空气流道中的燃烧口处均设置有点火器；每个加热单元的空气集散腔均与加热空气通道相连通，加热空气通道能与空气源相连通，空气由加热空气通道进入至每个加热单元的空气集散腔中；每个加热单元的氢气集散腔均与加热氢气通道相连通，加热氢气通道能与氢气源相连通，氢气由加热氢气通道进入至每个加热单元的氢气集散腔中；每个加热单元的汇集腔均与排气通道和排水通道相连通，每个加热单元的汇集腔内的气体和水能分别从排气通道和排水通道中向外排出。
2.根据权利要求1所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：加热单元在整个电池电堆中均匀间隔布置。
3.根据权利要求1所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：空气集散腔和氢气集散腔均位于汇集腔的上方，空气流道呈辐射状从空气集散腔向下导向至汇集腔，氢气流道呈辐射状从氢气集散腔向下导向连通至燃烧口。
4.根据权利要求3所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：每个燃烧口均位于对应氢气流道的底端，所有燃烧口均在加热单元中间部位在的同一高度处齐平设置。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：每个加热单元均包括相互密封盖合固定设置的盖板和燃烧板，燃烧板正对着盖板的板面上设置有向内凹进的加热反应区，加热反应区分为空气集散区、空气导流区、汇集区，空气导流区内设置有若干导流凸肋，导流凸肋将空气导流区分隔成若干空气导流槽，空气导流槽的进口端均与空气集散区相连通，空气导流槽的出口端均与汇集区相连通，氢气集散腔和若干氢气流道设置在燃烧板的板体内部，氢气流道与空气导流槽一一对应，每条空气导流槽内的燃烧板上均开设有燃烧口，每个燃烧口均与对应的氢气流道相连通，每条氢气流道中的氢气均能通过燃烧口进入至对应的空气导流槽内；密封盖合在燃烧板上的盖板与空气集散区、每条空气导流槽以及汇集区分别形成空气集散腔、若干空气流道以及汇集腔；每个点火器均设置在盖板上。
6.根据权利要求5所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：每个加热单元的空气集散腔与氢气集散腔分别位于燃烧板上端部的两侧部位。
7.根据权利要求5所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述的加热空气通道是由分别贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的空气进口对应连通形成的；所述的加热氢气通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的氢气进口对应连通形成的；所述的排气通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的排气口对应连通形成的；所述的排水通道是由贯通开设在端板、单电池以及每个加热单元的盖板和燃烧板上的排水口对应连通形成；排气口和排水口位于每个汇集腔的两侧部位，并且排气口高于排水口设置，排水口设置在汇集腔的底部位置处。
8.根据权利要求5所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：端板、单电池、每个加热单元的盖板和燃烧板上均贯通开设有发电空气进口、发电冷剂进口、发电氢气进口、发电空气出口、发电冷剂出口、发电氢气出口，所有端板、单电池、加热板上的发电空气进口、发电冷剂进口、发电氢气进口、发电空气出口、发电冷剂出口、发电氢气出口一一对应连通从而形成发电空气进入通道、发电冷剂进入通道、发电氢气进入通道、发电空气流出通道、发电冷剂流出通道、发电氢气流出通道，所述的发电空气进入通道、发电冷剂进入通道、发电氢气进入通道均位于端板、单电池及加热单元盖板和燃烧板的上端部位，所述的发电空气流出通道、发电冷剂流出通道、发电氢气流出通道均位于端板、单电池及每个加热单元盖板和燃烧板的下端部位。
9.根据权利要求5所述的能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所有单电池均设置在壳体内，端板分别位于壳体的两端。
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