CN114335631A - 一种快速低温冷启动燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速低温冷启动燃料电池，属于燃料电池领域。所述具有快速低温冷启动燃料电池是带保温蓄热系统冷启动系统，当燃料电池进入冷启动时，空气通过保温气泵、滤清器、流量计，由电热丝加热进入燃料电池电堆进行冷启动，热空气经过三通阀再次通入保温气泵，储存上一循环的热量用于下一循环给燃料电池电堆预热，既能减少蓄电池的能量消耗，又可以更快更稳定的对燃料电池电堆进行预热。所述具有快速低温冷启动燃料电池气体扩散层表面亦具有微凸起结构，同时其孔隙率为由双极板向膜电极方向从小到大的梯度分布关系，这能起到强化流道向膜电极一侧热量传递作用；从而加快电堆内部冰融化速度，进而加快低温冷启动速度。

Description

一种快速低温冷启动燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种快速低温冷启动燃料电池。
背景技术
随着汽车技术的不断发展，燃料电池逐渐兴起用于解决内燃机汽车排放量大及纯电动汽车续航里程短的问题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池广泛应用的一种，其具有工作温度低，电池启动速度快，噪声低，比功率高等优点，已成为目前世界各国的研究热点。但同时其自身存在的诸多问题也限制了PEMFC的发展，例如成本高、氢气储存及运输问题以及低温难以启动等问题。
在低温环境下，由于电堆停机之后往往会存有一定量的水，从而易发生结冰现象，这很容易损伤膜电极，从而降低燃料电池性能和寿命。目前常见做法是在停机前将堆内液态水进行吹扫清除，但这很难排尽。因此，膜电极停机后在低温下仍然会有少部分结冰，膜电极和流道内的冰会堵塞气体的传输，进而影响下一次的启动速度。因此，为了提高燃料电池冷启动速度，需要将燃料电池内部的冰快速融化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种快速低温冷启动燃料电池，所述具有快速低温冷启动功能的燃料电池的双极板流道表面具有强化传热功能的方形阵列分布的微凸起结构；所述具有快速低温冷启动功能的燃料电池的气体扩散层表面亦具有微凸起结构，同时，所述气体扩散层孔隙率为由双极板向膜电极方向梯度分布关系。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种快速低温冷启动燃料电池，包括电堆、空气滤清器、保温蓄热系统、温度传感器、电子散热器、控制系统。
进一步地所述保温蓄热系统包括保温气泵和电热丝，所述电热丝在燃料电池冷启动时打开，在燃料电池正常工作时关闭，电热丝由蓄电池负责供电。
进一步地所述滤清器位于保温气泵和流量计之间，便于筛去空气中的杂质。
进一步地所述电子散热器位于保温气泵和电堆之间，用于燃料电池正常工作时给燃料电池电堆散热。
进一步地所述控制器与温度传感器、保温气泵、电子散热器相连，根据实测值与目标值的差值，通过PID控制调节保温气泵、电子散热器的转速，实现快速冷启动。
进一步地所述温压传感器与燃料电池电堆相连，将温度反馈给控制器，控制器根据反馈的温度进行判断，当温度不足冷启动温度时，加热空气经过三通阀再次通入保温气泵，储存上一循环的热量，用于下一循环给燃料电池电堆升温，增加了燃料电池电堆温度的稳定性，节省了能源。
进一步地，系统工作方法包括如下内容：
当燃料电池正常工作时，开关S1向下闭合，空气通过保温气泵和滤清器进入电子散热器，电子散热器用来给工作中的燃料电池电堆降温，温压传感器根据所测电堆温度反馈给控制器，控制器通过PID控制电子散热器的转速，更稳定的给燃料电池电堆降温，排出的气体经过气液分离室排出，反应产生的水流入水箱排出。
进一步地，系统工作方法包括如下内容：
当燃料电池停机冷启动时，开关S1向右闭合，此时控制器控制电热丝打开，电热丝由蓄电池进行供电，空气通过保温气泵、滤清器、流量计，由电热丝加热进入燃料电池电堆进行冷启动，热空气经过三通阀再次通入保温气泵，储存上一循环的热量用于下一循环给燃料电池电堆预热，既能减少蓄电池的能量消耗，又可以更快更稳定的对燃料电池电堆进行预热。当燃料电池电堆预热完毕开始工作时，S1向下闭合，继续开始上一循环的工作。
上述方案中，所述热量是通过传递到流道内进而对燃料电池电堆进行加热。
进一步地，所述快速低温冷启动燃料电池的双极板流道表面具有微凸起结构，所述流道表面凸起结构能够强化由流道到双极板的热量传递，从而加快冰的融化速度，进而加快燃料电池低温冷启动速度。
上述方案中，所述燃料电池流道为蛇形流道，流道深度为1mm，流道宽度为1mm。
进一步的，所述流道表面微凸起结构为方形阵列排布于流道表面，所述凸起结构包括矩形凸起、椭球形等各种形状凸起结构，凸起结构尺寸参数为：凸起高度为30-300μm，凸起底面横截面积为400-50000μm2，水平竖直方向阵列间距30-300μm。
进一步的，所述快速低温冷启动燃料电池的气体扩散层表面亦具有微凸起结构，所述气体扩散层表面凸起结构亦能强化由流道到膜电极的热量传递，从而加快冰的融化速度，进而加快燃料电池低温冷启动速度。
上述方案中，所述气体扩散层表面微凸起结构为方形阵列排布其表面，所述凸起结构包括矩形凸起、椭球形等各种形状凸起结构，凸起结构尺寸参数为：凸起高度为30-300μm，凸起底面横截面积为400-50000μm2，水平竖直方向阵列间距30-300μm。
进一步的，所述气体扩散层孔隙率为由双极板向膜电极方向梯度分布关系，孔隙率大小从0.5到0.8依次增大，该种梯度孔隙率气体扩散层亦能强化由流道到膜电极的热量传递，从而加快冰的融化速度，进而加快燃料电池低温冷启动速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述一种快速低温冷启动燃料电池，通过保温气泵储存上一循环的热量用于下一循环给燃料电池电堆预热，减少电热丝的能耗。显著提升了系统能量利用率，减少了冷却系统关键零部件数量，降低了生产成本。
2、本发明所述一种快速低温冷启动燃料电池，通过控制器调节电子散热器和保温气泵的转速，保证燃料电池正常工作时的散热及冷启动时的快速预热。
3、本发明在双极板流道表面开设微凸起结构，有强化流道向双极板热量的传递，从而加快冰融化速度，进而加快冷启动速度。
4、本发明在双极板流道表面开设的微凸起结构，有类似于荷叶表面凸起结构的效果，在一定程度上，能够加快液滴和气体流动速度，从而起到强化传热的目的，加快冷启动速度。
5、本发明在气体扩散层表面开设的微凸起结构，能够强化由流道到膜电极的热量传递，从而加快冰的融化速度，进而加快燃料电池低温冷启动速度。
6、本发明设置的孔隙率梯度分布的气体扩散层，该种梯度孔隙率气体扩散层能够强化由流道到膜电极的热量传递，从而加快冰的融化速度，进而加快燃料电池低温冷启动速度。
附图说明
图1为本发明具有低温快速冷启动功能的燃料电池结构原理图；
图2为本发明具有低温快速冷启动功能的系统热量流动图；
图3为本发明具有强化传热功能的燃料电池电堆简图；
图4为本发明图3中Ⅰ处放大示意图；
图5为本发明图3中Ⅱ处放大示意图。
图中：1、保温气泵；2、滤清器；3、双刀开关；4、流量计；5、蓄电池；6、电热丝；7、电子散热器；8、燃料电池电堆；9、温度传感器；10、三通阀；11、气液分离器；12、水箱；13、控制器；14、质子交换膜；15、催化剂层；16、孔隙梯度化气体扩散层；17、双极板；18、流道表面凸起结构；19、气体扩散层表面凸起结构；20、电池；21、阴极流道进口；22、阴极流道出口；23、阳极流道进口；24、阳极流道出口；25、孔隙率为0、5±0、05的气体扩散层；26、孔隙率为0、6±0、05的气体扩散层；27、孔隙率为0、7±0、05的气体扩散层；28、孔隙率为0、8±0、05的气体扩散层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施方案中：一种快速低温冷启动燃料电池，包括电堆、空气滤清器、保温蓄热系统、温度传感器、电子散热器、控制系统。
其中保温气泵与入口空气相连，滤清器与保温气泵和开关S1相连，控制器负责控制保温气泵和电子散热器的转速，电热丝由蓄电池供电，温压传感器与燃料电池电堆相连，三通阀一端与保温气泵相连，一端通入气液分离室和水箱。
一种快速低温冷启动燃料电池冷却方法采用上述低温冷启动燃料电池冷却装置。当燃料电池正常工作模式时，开关S1向下闭合，控制器控制电热丝关闭，空气通过保温气泵和滤清器进入电子散热器，滤清器主要用来筛除空气中的杂质，电子散热器用来给工作中的燃料电池电堆降温，温压传感器根据所测电堆温度反馈给控制器，控制器通过PID控制电子散热器的转速，更稳定的给燃料电池电堆降温，排出的气体经过气液分离室排出，反应产生的水流入水箱排出。
如图1所示当燃料电池停机冷启动时，开关S1向右闭合，此时控制器控制电热丝打开，电热丝由蓄电池进行供电，空气通过保温气泵、滤清器、流量计，由电热丝加热进入燃料电池电堆进行冷启动，热空气经过三通阀再次通入保温气泵，储存上一循环的热量用于下一循环给燃料电池电堆预热，既能减少蓄电池的能量消耗，又可以更快更稳定的对燃料电池电堆进行预热。当燃料电池电堆预热完毕开始工作时，S1向下闭合，开始上一循环的工作。
如图2所示，当燃料电池冷启动时空气由保温气泵进入，由电热丝加热进入燃料电池进行预热，加热空气经过温度传感器和三通阀，再次进入保温气泵，形成一条热循环回路。
如图3所示，所述燃料电池具有低温快速冷启动功能，其特征在于，所述燃料电池双极板流道表面具有微凸起结构，所述气体扩散层表面亦具有微凸起结构，同时，气体扩散层孔隙率为由双极板向膜电极方向梯度分布关系。
如图4所示，所述具有低温快速冷启动燃料电池双极板蛇形流道表面具有阵列排布的椭球形凸起结构，所述凸起结构尺寸参数为：椭球形凸起直径D＝100μm，高度H1＝200μm，水平竖直阵列间距为200μm。
如图5所示，所述具有低温快速冷启动燃料电池气体扩散层表面具有阵列排布的椭球形凸起结构，所述凸起结构尺寸参数为：椭球形凸起直径D＝100μm，高度H1＝200μm，水平竖直阵列间距为200μm。
如图5所示，所述具有低温快速冷启动燃料电池气体扩散层孔隙率为由双极板向膜电极方向梯度分布关系，孔隙率大小分别为0.5、0.6、0.7、0.8。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：包括电堆、空气滤清器、保温蓄热系统、温度传感器、电子散热器、控制系统、气体扩散层；所述保温蓄热系统包括保温气泵、蓄电池、电热丝；
所述保温蓄热系统通过控制保温气泵储存的热量传递到电堆，结合电堆关键组件强化传热结构设计实现燃料电池快速冷启动；所述具有快速低温冷启动功能的燃料电池的双极板流道表面具有强化传热功能的方形阵列分布的微凸起结构，所述燃料电池气体扩散层表面亦具有强化传热功能的方形阵列分布的微凸起结构，同时，所述气体扩散层孔隙率为梯度分布关系。
2.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述电池在启动时给保温气泵供电，燃料电池冷启动时，上一循环的的加热空气经过三通阀进入保温气泵，持续流入燃料电池电堆进行加热，所述热量是先传递到燃料电池流道内，再通过流道分别向两侧的双极板和膜电极传递；当燃料电池冷启动时空气由保温气泵进入，由电热丝加热进入燃料电池进行预热，加热空气经过温度传感器和三通阀，再次进入保温气泵，形成一条热循环回路。
3.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述温度传感器将所测的的电堆温度反馈给控制器，低于0℃时进入冷启动状态，电热丝由蓄电池供电对空气进行加热；当燃料电池正常工作时，电热丝关闭，控制系统控制电子散热器打开给电堆散热。
4.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述控制系统根据温度传感器反馈的结果通过PID控制保温气泵的的转速，保温气泵具有控制调速功能。
5.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述燃料电池双极板流道为蛇形流道，所述蛇形流道的表面具有强化传热功能的方形阵列分布的凸起结构；所述凸起结构包括矩形凸起、椭球形等各种形状凸起结构，其尺寸参数为：凸起高度为30-300μm，凸起底面横截面积为400-50000μm2，水平竖直方向阵列间距30-300μm。
6.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述燃料电池气体扩散层表面具有强化传热功能的凸起结构，同时气体扩散层孔隙率具有梯度关系。
7.根据权利要求1所述的一种快速低温冷启动燃料电池，其特征在于：所述气体扩散层靠近双极板一侧表面具有强化传热功能的方形阵列分布的凸起结构，所述凸起结构包括矩形凸起、椭球形等各种形状凸起结构，其尺寸参数为：凸起高度为30-300μm，凸起底面横截面积为400-50000μm2，水平竖直方向阵列间距30-300μm；所述气体扩散层孔隙率为由双极板向膜电极方向梯度分布关系，孔隙率大小从0.5到0.8依次增大。
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