CN114464839B - 一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法 - Google Patents

一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法，包括：进气歧管，所述进气歧管包括分别设置在电堆内部两侧的阳极气体入口流道和阴极气体入口流道；所述进气歧管外围包围设置冷却液出口流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热。本发明通过在电堆内部对氢氧进气进行多级预热，能够达到不同工况下的进气温度预热目标，不仅减少了进气在电堆外部加热所需装置与功耗，使燃料电池系统更具便携性，且通过对冷却液余热的逐级利用提高了燃料电池的总效率。

Description

一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料和空气中的化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、无噪音、无污染等优点。质子交换膜燃料电池的最佳工作温度范围为60～80℃，在此范围内燃料电池能够达到最大额定功率。
若进气不预热，电堆长时间处于温差过大的工作状态会加速电堆性能衰减，减少使用寿命。且为维持燃料电池在60～80℃以获得较高发电效率，往往在进气系统中安装加热装置对燃料电池供气进行预热，以保证进入电堆的氢气和空气温度满足电堆的工作需求，但加热装置使系统更加复杂且在进气预热过程中需要大量消耗额外功率。
燃料电池进行电化学反应过程中产生不可逆热、熵反应热、欧姆电阻热，由于电堆不断的产生热量使其温度超过60～80℃进而需对电堆进行散热，在其散热方式中，冷却液循环散热方式应用最为广泛。但燃料的化学能大量以热能形式散失，使电池的实际效率与理论效率相差甚远，因此对冷却液进行余热回收利用能提高燃料电池的总效率，但在回收过程中会需要额外装置与功耗。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法，结合电堆结构和空间，设计了冷却液与气体歧管共同构成的套管式加热，双极板内循环冷却液分区域加热、歧管电阻丝加热的三级预热方式，同时实现了对空气和氢气的充分预热及独立控制。梯级利用循环冷却液的余热对氢氧供气进行预热，该预热过程在电堆进气歧管及双极板内部流道内先后利用冷却液余热对进气进行加热，并在进气歧管内加装网状电阻丝调控进气温度，以保证达到不同工况下的进气温度预热目标。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，包括：进气歧管，所述进气歧管包括分别设置在电堆内部两侧的阳极气体入口流道和阴极气体入口流道；所述进气歧管外围包围设置冷却液出口流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆的控制方法，包括：
根据工况计算阳极和阴极所需进气温度；
通过套管式进气歧管，使得冷却液余热对进气歧管内流体进行对流换热；
通过双极板内的循环冷却液对进气区域进行加热；
如果此时气体温度低于计算的进气温度，则开启电阻丝加热；否则，不开启。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在电堆内部对氢氧进气进行多级预热，能够达到不同工况下的进气温度预热目标，不仅减少了进气在电堆外部加热额外所需装置与功耗，同时也使燃料电池系统更具便携性，且通过对冷却液余热的逐级利用提高了燃料电池的总效率；与在电堆外传统进气预热的方式相比，在电堆歧管中进气预热后直接流入双极板，避免了沿程中的热量损失，实现了能量的高效利用。
(2)本发明套管式进气歧管外侧为冷却液出口流道，使冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热加速了换热效率的同时充分利用了冷却液余热，提高了燃料电池的总效率，且省去了冷却液余热的回收过程。
(3)本发明通过对双极板流道的设计实现双极板内冷却液由双极板中部区域流向两侧进气区域，使较热的冷却液在进气区域流动，实现了对氢氧进气的加热，且对双极板内的冷却液余热进行有效利用。
(4)由于冷却液温度受电堆工况及其他因素的影响，且冷却液与进气的流速也会改变，因此考虑到冷却液对进气预热的不可控性，在进气歧管内加装电阻丝以实现对氢氧供气预热过程的温度调控，形成了完整的进气预热过程，能够达到不同工况下的进气温度预热目标，更利于进气预热过程的动态调控。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1(a)为本发明实施例中的套管式进气歧管结构示意图；
图1(b)为图1(a)的局部放大图；
图2为本发明实施例中的双极板内冷却液对进气区域加热示意图；
图3(a)为本发明实施例中的进气歧管内电阻丝结构示意图；
图3(b)为图3(a)的局部放大图；
图4(a)为本发明实施例中的燃料电池电堆结构示意图；
图4(b)为本发明实施例中的燃料电池电堆内各流道分布示意图；
图5为本发明实施例中的燃料电池电堆中的双极板示意图；
图6为本发明实施例中的双极板冷却液流道第一条路径示意图；
图7为本发明实施例中的双极板冷却液流道第二条路径示意图；
图8为本发明实施例中的进气多级自预热的新型燃料电池电堆的控制方法示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，电堆中氢氧供气共包含三级预热阶段，第一级预热方式为将电堆中的冷却液流道出口包围在进气歧管外围形成套管式进气歧管，冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热；第二级预热方式为通过双极板内的冷却液流动提供热量，通过对双极板内冷却液由双极板中部区域流向两侧进气区域，使较热的冷却液在进气区域流动；第三级预热方式为进气歧管内加装电阻丝以实现对氢氧供气的温度调控，形成供气的完整预热过程。
本实施例中，如图4(a)，电堆由前端板、前集流板、n个双极板和n个膜电极堆叠而成。双极板和膜电极上均有如图4(a)所示的套管出入口，当许多个双极板和膜电极堆叠形成电堆后，无数个出入口就形成了一个流道，将进气流道称为进气歧管。如图4(b)所示，电堆中共有八个流道，包括四个气体流道和四个冷却液流道，两个冷却液循环路径，两个冷却液出口流道分别包围在氢、氧进气流道外围形成套管式进气歧管。
具体地，结合图1(a)-(b)，进气多级自预热的新型燃料电池电堆包括：进气歧管，进气歧管包括分别设置在电堆两侧的阳极气体入口1流道和阴极气体入口7流道，进气歧管外围包围设置冷却液出口2和8流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热。
进气多级自预热的新型燃料电池电堆还包括：双极板，双极板上设有与冷却液出口流道连通的冷却液流道；冷却液流道使得冷却液分别流向两侧进气区域，以实现冷却液与进气流体的换热。
本实施例中，进气多级自预热的新型燃料电池电堆还包括：设置在阳极气体入口1流道相对侧的阳极气体出口10流道，设置在阴极气体入口7流道相对侧的阴极气体出口5流道，以及设置在冷却液出口流道相对侧的冷却液入口4和6流道。
电堆各流道与双极板的连接方式如图5所示，其中氢气(阳极)进气入口1位于左侧上方，氢气进入后分流到各双极板氢气流道中，由氢气(阳极)出口10流出汇流到电堆中气体流道；氧气或空气(阴极)进气入口7位于右侧中部，氧气或空气进入后分流到各双极板氧气流道中，由阴极气体出口5流出汇流到电堆中气体流道。电堆内包含两个冷却液循环路径，冷却液在两个循环路径中同时流动。第一条路径为由电堆左侧中部冷却液入口4进入到各双极板夹层中冷却液流道，如图6所示，此路径含两条并行流道，在双极板内流经直通道到双极板中部后向右流经蛇形通道，最后由右侧中部冷却液出口8流出双极板；第二条路径为由电堆右侧上部冷却液入口6进入到各双极板夹层中冷却液流道，如图7所示，此路径含两条并行流道，在双极板内流经直通道到双极板中部后向左流经蛇形通道，最后由左侧上部冷却液出口2流出双极板。
结合图2，氢气(阳极)入口在双极板左侧，出口在右侧，定义双极板左侧为氢气进气区，同理右侧为氧气或空气(阴极)进气区。双极板内冷却液流动路径如图2所示，共有四条路径，分为两组，由左侧冷却液入口4进入的两条路径为一组，如图6所示，先向下到双极板下部，后在双极板中部处改为蛇形流道对双极板右侧的膜电极和气体流道进行散热，使在散热过程中不断升温的冷却液最后流经氧气或空气进气区，由冷却液出口8流出双极板，流出双极板后对套管内部的氧气或空气进行加热；由右侧冷却液入口6进入的两条路径为一组，如图7所示，先向上到双极板上部，后在双极板中部处改为蛇形流道对双极板左侧的膜电极和气体流道进行散热，使在散热过程中不断升温的冷却液最后流经氢气进气区，由冷却液出口2流出双极板，流出双极板后对套管内部的氢气进行加热。
本实施例中，由于冷却液对进气预热的不可控性，为符合燃料电池在运行过程中的不同工况，在双极板的进气口处预埋四根电阻丝，在双极板和膜电极在电堆中堆叠成网状后形成加热区域，对进气流体进行可控温的均匀加热过程，如图3(a)-(b)所示。
本实施例整个进气预热过程在电堆内多位置加热，并实现了冷却液余热的逐级利用，使进气多级自预热的燃料电池电堆更加高效节能。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆的控制方法，该方法基于实施例一种中的电堆结构；具体方法参照图8，包括如下过程：
(1)首先根据燃料电池现有工作条件对所需氢氧供气所需预热进气温度进行计算；
(2)通过套管式进气歧管，使得冷却液余热对进气歧管内流体进行对流换热；
(3)通过双极板内的循环冷却液对进气区域进行加热；
(4)判断此时气体温度是否低于所需预热进气温度，若低于，则开启电阻丝加热；否则，不开启。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，包括：进气歧管，所述进气歧管包括分别设置在电堆内部两侧的阳极气体入口流道和阴极气体入口流道；所述进气歧管外围包围设置冷却液出口流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热；
其中，所述进气歧管内设置电阻丝，以实现对进气流体的温度调控；
其中，所述新型燃料电池电堆包括双极板，所述双极板上设有与冷却液出口流道连通的冷却液流道；
所述冷却液流道使得冷却液分别流向两侧进气区域，以实现冷却液与进气流体的换热；冷却液流道包括两条路径，其中一条路径自双极板内第一侧经直通道至双极板中部，然后经过蛇形通道至双极板第二侧，到达阳极或阴极其中一种气体进气区，对其进行加热；另一条路径自双极板第二侧经直通道至双极板中部，然后经过蛇形通道至双极板第一侧，到达阳极或阴极另一种气体进气区，对其进行加热；
所述双极板上还设有与所述阳极气体入口流道连通的阳极气体流道，与所述阴极气体入口流道连通的阴极气体流道；
所述新型燃料电池为堆栈结构燃料电池，由前端板、前集流板、若干个双极板和若干个膜电极堆叠形成，其中每个双极板和膜电极上设有套管出入口，所述阴极气体出入口流道、阳极气体出入口流道、冷却液出入口流道由套管出入口堆叠形成。
2.如权利要求1所述的一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，每一条路径包括两条并行的流道。
3.如权利要求1所述的一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，所述电阻丝在电堆内形成网状结构。
4.如权利要求1所述的一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，所述电阻丝设置在双极板上的进气口处。
5.如权利要求1所述的一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，还包括：设置在阳极气体入口流道相对侧的阳极气体出口流道，设置在阴极气体入口流道相对侧的阴极气体出口流道，以及设置在冷却液出口流道相对侧的冷却液入口流道。
6.一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆的控制方法，基于如权利要求1-5任一所述的一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，其特征在于，包括：
根据工况计算阳极和阴极所需进气温度；
通过套管式进气歧管，使得冷却液余热对进气歧管内流体进行对流换热；
通过双极板内的循环冷却液对进气区域进行加热；
如果此时气体温度低于预设的进气温度，则开启电阻丝加热；否则，不开启。
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