CN111326766A - 一种燃料电池系统阴极预热装置 - Google Patents

一种燃料电池系统阴极预热装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的阴极进气的预热装置，所述燃料电池包括依次组装的前端板、若干个双极板、后端板、蒸发器，所述双极板具有阴极进气端，其特征在于，所述预热装置包括第一预热组件和第二预热组件；所述第一预热组件、第二预热组件和阴极进气端依次连通；所述第一预热组件是一个用于引入阴极进气的管状的导流通道；所述导流通道可换热地设置于双极板周侧；所述第二预热组件为腔体结构；所述第二预热组件可换热地设置于后端板和蒸发器之间。由于双极板导热性好，进入导流通道的空气能够充分与双极板进行换热，能够省去阴极空气外置预热装置，结构更加紧凑简单第二预热组件的换热更极大地提升换热效果。

Description

一种燃料电池系统阴极预热装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种一种燃料电池系统阴极预热装置。
背景技术
由于高温燃料电池电堆一般工作温度较高在100℃以上并且所需阴极物料为空气。燃料电池电堆工作环境在室温条件下，因此阴极空气来源即为室温条件下的空气，温度范围在-40～55℃左右。高温燃料电池电堆性能受电堆温度影响较大，要求电堆长度方向温度差在5℃以内且电堆中每节石墨/金属双极板面积上的温度差较小。这样整个电堆温度比较均匀，电堆性能、寿命均有较大的提升。
现有高温燃料电池系统电堆阴极进料方式大多采用室温条件下直接由空气泵泵入空气至MEA阴极反应侧，由于室温相比于电堆工作温度相差很大，造成由于阴极进料原因导致电堆内部温差很大影响电堆性能。这种现象在风冷电堆中更加严重，由于风冷高温燃料电池电堆使用阴极空气作为电堆产热的散热介质，需要大剂量比的阴极空气流过电堆阴极流道从而带走电堆产生热量维持电堆正常工作温度不非温。大剂量比的阴极空气如果不进行预热对电堆性能、寿命造成损害。
发明内容
本发明设计一种燃了电池系统阴极进料预热装置，对阴极进料进行预热，预热的热量来源为电堆两端金属端板产生的热量及电堆后端蒸发器所产生的热量。
本发明一方面提供一种用于燃料电池的阴极进气的预热装置，所述燃料电池包括依次组装的前端板、若干个双极板、后端板、蒸发器，所述双极板具有阴极进气端，所述预热装置包括第一预热组件和第二预热组件；所述第一预热组件、第二预热组件和阴极进气端依次连通；所述第一预热组件是一个用于引入阴极进气的管状的导流通道；所述导流通道可换热地设置于双极板周侧；所述第二预热组件为腔体结构；所述第二预热组件可换热地设置于后端板和蒸发器(即蒸发器的端部)之间。
所述双极板优选为金属双极板或石墨双极板。
所述前端板、后端板、导流通道、蒸发器以及蒸发器的端部、第二预热组件的材质优选为导热金属。
作为优选的技术方案，所述导流通道临近双极板的阴极进气端；所述前端板的临近所述阴极进气端的一端设有前端板通口；所述后端板的临近所述阴极进气端的一端设有后端板通口I和后端板通口II；所述前端板通口、导流通道、后端板通口I、第二预热结构、后端板通口II、阴极进气口依次连通。
优选后端板通口I位于后端板通口II的上部。
作为优选的技术方案，所述的第二预热组件为折流式腔体结构。
作为优选的技术方案，所述折流式腔体结构由顺次组装的第二板、隔板和第一板组成；第一板与隔板构成第一折流腔；第二板与隔板构成第二折流腔；所述第一预热组件、第一折流腔、第二折流腔和阴极进气端依次连通。
作为优选的技术方案，第一折流腔和第二折流腔内设有翅片。优选翅片分别设置于第一板和第二板。
所述燃料电池为高温燃料电池。
作为优选的技术方案，所述前端板和后端板的材质为导热金属。
作为优选的技术方案，所述若干个双极板作为一个整体构成集成的电堆双极板。
作为优选的技术方案，所述导流通道设有隔热罩。
本发明另一方面提供一种燃料电池系统，包括上述的用于燃料电池的阴极进气的预热装置。
本发明用于燃料电池的阴极进气的预热装置所述高温燃料电池系统电堆包括前、后两端端板，其中电堆前端板有阴极进气口。后端板开有两个口分别为阴极空气由导流通道进入第二预热组件的通道入口以及由第二预热组件预热之后返回电堆阴极的出口。入口与出口在电堆后端板的同一端且入口在出口的上端。
所述第二预热组件分为三部分，依次为内腔带翅片的第一折流腔、中间隔板以及返回电堆阴极内腔带翅片的第二折流腔。第一折流腔与电堆后端板连通，第二预热组件设有与电堆后端板相对应的两个空气进、出气口。中间隔板的两端分别设计有两个空气通口。其中一个为经初级预热的空气直接通过中间隔板进入第一折流腔，另一个为经翅片换热后流出第一折流腔进入第二折流腔的空气通口。导流通道直接依次穿过后端板、第二折流腔、中间隔板与第一折流腔相通。
所述第一折流腔接收导流通道尾端经过初级预热的空气，通过第一折流腔内的翅片形成的流道，使经过初级预热的空气与翅片进行第二次换热。
所述经过第一折流腔换热后的进气，通过中间隔板的空气通口进入第二折流腔，空气流经第二折流腔内翅片组成的流道使空气与翅片再一次进行换热后，通过电堆后端板进入电堆的阴极进气端，此时的阴极空气经过初级预热、二级预热后温度可达到100℃以上，进入电堆提升电堆的放电性能及电堆的使用寿命。
本发明所述由第一折流腔、中间隔板及第二折流腔组成的第二预热组件集成在电堆后端板与蒸发器端板之间，由于高温燃料电池系统正常工作过程中，蒸发器端板温度能够达到150℃以上，电堆正常工作温度在160℃以上，因此二次预热折流板装置在以上两者之间同时成为二次预热空气换热的热量来源。初级预热空气的热量来源为电堆内环境温度对初级预热导流罩进行的热辐射换热。
本发明所述的导流罩和隔热罩整体罩在电堆阴极一侧，通过耐高温强酸的四氟胶带与电堆双极板之间进行密封，使经过二次预热的空气汇集在电堆的阴极使空气不与大气相通，从而使预热口的空气能够完全进入电堆阴极流道。
本发明的优点在于：由于双极板导热性好，进入导流通道的空气能够充分与双极板进行换热，能够省去阴极空气外置预热装置，结构更加紧凑简单第二预热组件的换热更极大地提升换热效果。
说明书附图
图1具有阴极预热装置的燃料电池电堆整体示意图；
图2电池前端板结构图
图3导流通道结构图；
图4导流通道的外罩结构图；
图5集成的电堆双极板结构图；
图6电池后端板结构图；
图7后端板与第二预热组件的组装图；
图8折流腔体结构；
图9第二板内部结构图；
图10隔板结构图；
图11第一板内部结构图；
图12折流腔体内气体流向示意图；
图13蒸发器端板图中：
1隔热罩；2后端板；2-1后端板通口；3第二板，3-1第二板的通口I；3-2第二板的通口II；3a第二板的进气腔；3b第二板的出气腔；4第一板；4a第一板的进气腔；4b第二板的出气腔5蒸发器端板；6隔板,6-1隔板通口I，6-2隔板通口II；7前端板；7-1前端板通口；8翅片9集成的电堆双极板；10导流通道。
具体实施方式
实施例1
本发明中，阴极进气的预热包含两个阶段，初级预热阶段和二次预热阶段，分别通过第一预热组件和第二预热组件实现。
如图1所示，燃料电池包含由两端为导热金属材质的前端板7、集成的电堆双极板9(由若干个金属/石墨双极板集成)、后端板2组成的高温燃料电池堆，还包括与电堆集成在一起的蒸发器，蒸发器具有蒸发器端板5，双极板具有阴极进气端。
阴极进气的预热装置，包括第一预热组件和第二预热组件；所述第一预热组件、第二预热组件和阴极进气端依次连通。
第一预热组件是一个用于引入阴极进气的管状的导流通道10，设有隔热罩1。导流通道10临近双极板的阴极进气端。
如图2所示，前端板7的临近阴极进气端的一端设有前端板通口7-1。
如图6所示后端板2的临近阴极进气端的一端设有后端板通口I2-1和后端板通口II2-2。
如图7和图8所示，第二预热组件为折流式腔体结构，由顺次组装的第二板3、隔板6和第一板4组成；第一板4与隔板6构成第一折流腔；第二板3与隔板6构成第二折流腔。
如图9所示，第二板3为具有一定的厚度盖体，中部设有翅片8；两端中空；第二板3与隔板6组装后可形成第二板的进气腔3a和第二板的出气腔3b。第二板3的两端分别设有第二板的通口I 3-1和第二板的通口II3-2。
如图10所示，隔板6的两端设有隔板通口I6-1和隔板通口II6-2。
如图11所示，第一板4为具有一定的厚度盖体，中部设有翅片8；两端中空；第一板4与隔板6组装后可形成第一板的进气腔4a和第二板的出气腔4b。
如图1、图2、图6和图12所示，导流通道10依次连通前端板通口7-1、后端板通口2-1、后端板通口2-2、第二板的通口I 3-1、6-1隔板通口I和第一板的进气腔4a。
阴极进气经导流通道10的初次预热后，依次流经第一板的进气腔4a、第一板的翅片、第一板的出气腔4b、第二板的进气腔3a、第二板的翅片、第二板的出气腔3b、第二板的通口II3-2、后端板通口II2-2后进入双极板的阴极进气端。

Claims (10)

1.用于燃料电池的阴极进气的预热装置，所述燃料电池包括依次组装的前端板、若干个双极板、后端板、蒸发器，所述双极板具有阴极进气端，其特征在于，所述预热装置包括第一预热组件和第二预热组件；所述第一预热组件、第二预热组件和阴极进气端依次连通；所述第一预热组件是一个用于引入阴极进气的管状的导流通道；所述导流通道可换热地设置于双极板周侧；所述第二预热组件为腔体结构；所述第二预热组件可换热地设置于后端板和蒸发器之间。
2.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述导流通道临近双极板的阴极进气端；所述前端板的临近所述阴极进气端的一端设有前端板通口；所述后端板的临近所述阴极进气端的一端设有后端板通口I和后端板通口II；所述前端板通口、导流通道、后端板通口I、第二预热结构、后端板通口II、阴极进气口依次连通。
3.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述的第二预热组件为折流式腔体结构。
4.根据权利要求3所述的预热装置，其特征在于，所述折流式腔体结构由顺次组装的第二板、隔板和第一板组成；第一板与隔板构成第一折流腔；第二板与隔板构成第二折流腔；所述第一预热组件、第一折流腔、第二折流腔和阴极进气端依次连通。
5.根据权利要求3所述的预热装置，其特征在于，第一折流腔和第二折流腔内设有翅片。
6.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述燃料电池为高温燃料电池。
7.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述前端板和后端板的材质为导热金属。
8.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述若干个双极板作为一个整体构成集成的电堆双极板。
9.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述导流通道设有隔热罩。
10.燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述用于燃料电池的阴极进气的预热装置。
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