CN112825361A - 一种燃料电池水/热平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池的冷却散热和回收生成水的方法，该方法利用过量空气直接冷却燃料电池的散热方式，省去了双极板传热和电池内部循环水换热两个过程，减小燃料电池在频繁变载下的热惯性，提高燃料电池在动态变载的响应特性，与此同时，在空气排气处增设冷凝器装置，根据不同温度下的饱和蒸汽含水量的差异，将燃料电池化学反应的生成水进行冷凝，获取液态冷凝水回收循环利用，实现燃料电池长时间运行的水平衡，同时，本发明可实现燃料电池在低温下，以最少的加热功率达到快速升温、启动的作用，上述优势是燃料电池发动机实现全功率输出的基本条件。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域的燃料电池水/热平衡技术，特别涉及燃料电池在频繁变载的动态运行中，快速冷却散热和生成水冷凝回收的水/热平衡方法。
背景技术
燃料电池，例如质子交换膜燃料电池，是一种通过电化学反应发电的装置。其电化学反应是由氢气和空气中的氧气在催化剂的作用下结合生成水的反应，此反应一般在燃料电池电堆内发生。燃料电池电堆内具有多个双极板结构，中间由膜电极分隔。同时，在双极板上具有冷气水通道。一般情况下，空气进入燃料电池双极板的阴极侧，氢气进入燃料电池双极板的阳极侧。
在运行中，氢气能量的一部分转化为电能，其余部分能量以热量的形式同步产生。通常，燃料电池中需要通过水做为传热介质，将电池内产生的热量经过循环水通道、电池外部的水泵、散热器等装置及时排出、扩散到大气中或回收利用；现有燃料电池产生的热量是通过双极板传导-电池内部循环水换热-电池外部循环水散热的途径。目前大多数散热系统存在以下不足之处，其一，冷却循环水按照散热功率设计，循环水量大，水泵耗能高，电池从启动到大功率加载的时间较长，无法满足短时间大功率加载的要求；其二，燃料电池产生的水大多数随空气排出，循环利用较低，长时间运行时需要补水。
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种利用过量空气直接冷却燃料电池的散热方法，并利用不同温度下的饱和蒸汽含水量的差异，将燃料电池排出的湿蒸汽进行冷凝，获取冷凝水回收循环利用，不仅提高燃料电池加载动态响应特性，而且高效回收燃料电池运行产生的生成水，进行循环利用，实现燃料电池长时间运行的水/热平衡。
发明内容
本发明提出一种在燃料电池运行过程中，适当加大空气的供给量，用过量的空气冷却燃料电池，以维持所需的热平衡，代替现有的循环水冷系统，与此同时，在空气尾排出口处增加翅片管式换热器，对燃料电池产生的饱和蒸汽进行冷凝，获取冷凝水回收循环利用。
进一步，本发明的方法是通过过量的空气将生成的热量从燃料电池内部直接带出，省去了双极板传热和电池内部循环水换热两个过程，减小燃料电池在频繁变载下的热惯性，提高燃料电池在动态变载的响应特性，与此同时，在空气排气处增设冷凝器装置，将电池生成水高效回收，以维持电池运行时对增湿水的需求平衡。
进一步，本发明所述的过量空气供给是指燃料电池电化学反应所需空气气量与散热所需气量之和；其中，后者将燃料电池产生的热量通过过量的空气直接带出，而不是使用传统热传导的方法将热量通过双极板传导至水腔，再由循环水传递到燃料电池电堆外部。
进一步，在燃料电池阴极排气出口处加装翅片管换热器，所述换热器具有内循环和外循环互不接触、各流体互不串通的特性，因此能实现燃料电池内部水循环、电池外部水循环相互隔离，电堆内参与反应空气与外界相互密封的特性。
本发明与现有技术比较，具有以下优势：
本发明的方法将燃料电池产生的热量，由过量的空气直接带出，不再通过双极板传导至水腔，再由循环水传递到电池外部，所以具有快速的散热效率，提高电池动态加载的响应速度。
本发明在燃料电池阴极出口——空气尾排出口增设翅片管式换热器，作为冷凝器对排出的高温湿气进行冷凝，回收液态冷凝水加以循环利用，实现系统运行的水平衡。
本发明与现有的循环水散热比较，本发明保留水循环，维持少量的循环水，其作用不再是循环传递热量，而是起到当燃料电池在低温条件下，从静态启动时，以最少的加热功率达到快速升温的作用，从而缩短启动时间。
本发明的有益效果是：以直接的散热方式，提高散热效率；以最小的加热功率，实现低温快速启动；以翅片管换热器作为冷凝器，高效回收电池生成水，实现电池运行的水平衡，上述优势是燃料电池发动机实现全功率输出的基本条件。
附图说明
附图1是本发明的原理的一个实例的示意图；
1——氢气减压阀；
2——氢气电磁阀；
3——空压机；
4——燃料电池电堆；
5——电动回流器；
6——氢气分水器；
7——氢气排气电磁阀；
8——空气分水器；
9——空气背压阀；
10——冷凝器进气口；
11——冷凝器总成；
12——翅片管式换热器；
13——芯管进口；
14——换热器出口；
15——电加热棒；
16——散热器；
17——循环水泵；
18——入水口；
19——循环水泵；
20——冷凝器出水口；
21——冷凝器排气口。
具体实施方式
如图1所示，是此发明的一种应用实例。
如图所示，外来氢气通过氢气减压阀1和氢气电磁阀2进入到燃料电池电堆4的阳极，从所述电堆4排出的多余氢气将经过氢气分水器6，一部分氢气通过电动回流器5返回至电堆阳极入口，另一部分通过氢气排气电磁阀7排放，从而构成了供氢管路。
同时，空气由空压机3压缩后进入燃料电池电堆4的阴极，之后从电堆排出的未反应的空气将进入冷凝器总成11上方的冷凝器进气口10，并且通过翅片管式换热器12，再经冷凝器排气口21流向空气分水器8，最终通过空气背压阀9排入大气中。再次过程中空气中的水蒸气将在翅片式换热器12上发生冷凝，从而发生热交换。
所述冷凝器总成11的内部封装翅片管式换热器12，所述翅片管式换热器12的芯管进口 13、换热器出口14与外部循环水泵17及散热器16连接，构成外部散热系统。在冷凝器总成 11的下部的冷凝器出水口20、燃料电池电堆4、循环水泵19及冷凝器总成11的入水口18 构成内循环水。内循环与外循环互不接触，从而不会发生交叉污染。
在此实例中，冷凝器11底部可加装电加热棒15，在低温启动电池时可先启动电加热棒 15，可以先化冻冷凝器总成11中的冰，当水加热到一定温度可以开始让加热的水进入燃料电池电堆4中，从而对整个发动机系统起预热作用。
当燃料电池运行时，化学反应的生成水也可以随空气排出，流过翅片管式换热器12时凝结成液态水滴落入冷凝器总成11下部，构成内部循环水的组成部分。内部循环水实现了燃料电池升温、保温及增湿等辅助功能，从而完善了整个燃料电池系统的水热管理系统。
Claims (3)
1.一种燃料电池水/热平衡系统，包括采用过量空气供给和翅片管冷凝器相共同组成，其特征在于：在燃料电池阴极提供过量空气供给，并在燃料电池阴极排气出口处加装翅片管换热器。
2.根据权利要求1所述的过量空气供给，其特征在过量空气供给包括：燃料电池电化学反应所需气量与散热所需气量之和。
3.根据权利要求1所述的在燃料电池阴极排气出口处加装翅片管换热器，具有能实现燃料电池内部水循环、电池外部水循环、空气冷凝的气/水隔离、密封特性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Gu Feifei Document name: Notice of publication of invention patent application |
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Addressee: Gu Feifei Document name: Notification of conformity |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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