CN202905875U - 一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，包括封头前盖、封头、水箱主体和尾排收集封头，其特征在于：封头前盖上设有空气进气管套孔和氢气进气管；封头上设有至少两个氢气进气孔，封头的一侧设有与氢气进气孔固定连接的氢气送气管，封头的另一侧设有与空气进气管套孔相匹配的空气进气管；水箱主体内设有与氢气送气管相对应的催化管，催化管的管壁内侧设有催化剂，水箱主体内还设有至少一个加热棒，水箱主体上分别设有冷却液入口和冷却液出口；封头前盖、封头、水箱主体和尾气收集封头依次固定连接。本实用新型结构简单，使用方便，串联于燃料电池系统循环主管路上，实现储存冷却液、辅助升温、尾气处理等功能。

Description

一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱

技术领域

本实用新型涉及一种水箱，具体地说是一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱。

背景技术

燃料电池具有无污染、高能量比、高效率等优点，目前汽车行业都在积极推进燃料电池汽车的商业化进程，但还存在着各种挑战，如：可靠性、耐久性、成本及氢燃料的储运和加注等基础设施建设问题等。除了这些问题外，燃料电池发动机冷启动能力也是制约FCV（燃料电池汽车）商业化应用的重要挑战之一。为完成燃料电池电堆冷启动过程，特别温度低于-20℃的冷启动过程，一般均需要使用辅助启动的方式完成。该过程主要通过以下三种方式实现燃料电池升温：

1、将氢气或者甲醇直接燃烧或催化转化成热量，并传导给循环系统或者直接在电堆内部完成该过程；

2、有外部供电方式或者燃料电池自身发电供给电热丝，加热循环系统或者空气系统达到整体升温的目的；

3、提高空气供应单元如空压机的压缩比，实现入口空气温度提升，从而完成辅助加热电堆过程。

存在的问题是，在同一系统内使用单一升温方法是不利于系统的启动速度；另外，以上罗列的三种升温方法中均存在没有充分利用发动机运行余热的问题；再有，使用催化法处理燃料电池氢气尾排时往往面临一个问题，即混入的空气无法冷却催化过程中所产生的废热，这对于后续的尾排气体处理是危险和不利的。因此，如何实现燃料电池冰点下快速启动，并且尽可能地减轻或者消除低温循环启动对燃料电池的损伤是一个急需解决的问题。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱。水箱在燃料电池系统中主要用于存储循环液，对系统进行溶液补充、气泡排放等。本实用新型通过对原有水箱的重新设计，综合利用以上三种升温方法，增加其功能，解决了燃料电池在冷启动过程外来加热功率不足问题。同时，在燃料电池正常运行阶段该水箱还可以作为氢气尾排气体处理，使其中氢气浓度低于爆炸极限值。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，包括封头前盖、封头、水箱主体和尾排收集封头，其特征在于：所述封头前盖上设有空气进气管套孔和氢气进气管；所述封头上设有至少两个氢气进气孔，所述封头的一侧设有与所述氢气进气孔固定连接的氢气送气管，所述封头的另一侧设有与所述空气进气管套孔相匹配的空气进气管；所述水箱主体内设有与所述氢气送气管相对应的催化管，所述催化管的管壁内侧设有可将氢气和氧气催化反应成水的催化剂，所述水箱主体内还设有至少一个加热棒，所述水箱主体上分别设有冷却液入口和冷却液出口；所述封头前盖、所述封头、所述水箱主体和所述尾气收集封头依次固定连接。

所述氢气送气管的管径小于所述催化管的管径。

所述催化管内的催化剂至少为铂黑、钯、铑及其合金，Pt/c，Cu_xFe_3-xO₄中的一种。

所述氢气送气管的管口为尖嘴式管口。

本实用新型的水箱主体用于储存冷却液，并参与冷却系统的循环。设置在封头内的氢气送气管与设置在水箱主体内的催化管一一对应，氢气送气管的管径小于催化管的管径，氢气送气管内的氢气流速远大于氢气送气管外的空气流速，在氢气送气管的出口端，由于氢气与空气的速度差使得大量空气被一同卷入催化管内，并在催化管内完成H₂+O₂→H₂O的催化反应，同时产生水并放出热量。

本实用新型的空气进气管与燃料电池系统的空气尾排管路相连接；氢气进气管与燃料电池系统的氢气尾排口相连；水箱主体上的冷却液入口和冷却液出口串联在燃料电池系统的循环系统中；加热棒可以从燃料电池系统中取电和控制。

较现有技术相比，本实用新型不仅保留了原有水箱的功能即储存冷却液、液位显示，还增加了在燃料电池低温启动过程中辅助升温的功能和稀释尾排氢气浓度的功能。充分利用系统产生的热量，从回收燃料电池系统高温空气、催化方式回收燃料电池系统氢气尾排能量和电加热三个方向出发，加快系统循环液的温升速度。经过燃料电池反应后的空气与氢气混合进入到水箱主体内进行催化反应，由于空气的流量远大于氢气的流量，反应后把空气和氢气混排，可以有效降低氢气浓度；另外，反应后的空气中氧气含量较低，可以通过控制使与氢气混合后的浓度又低于氢气爆炸极限浓度；而水箱主体由于采用管壳式结构，水箱主体内的加热棒的温度可以得到有效控制，因而催化管内的温度也可以得到有效控制，即使在常温下工作也不会因积聚能量而造成高温引燃氢气造成危险的情况发生。

本实用新型高度集成，结构简单，无可转动部件且可靠性高，基于上述理由本实用新型可在电站和车载等领域广泛推广，且具备较好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的爆炸图。

图3是本实用新型的封头的侧视图。

图4是本实用新型的水箱主体的示意图。

图中：1、封头前盖11、空气进气管套孔12、氢气进气管2、封头21、空气进气管22、氢气进气孔23、氢气送气管3、水箱主体31、催化管32、冷却液入口33、冷却液出口34、加热棒4、尾排收集封头

具体实施方式

如图1、图2所示，一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，包括封头前盖1、封头2、水箱主体3和尾排收集封头4，所述封头前盖1上设有空气进气管套孔11和氢气进气管12，所述空气进气管套孔11设置在所述封头前盖1的前遮挡面上，所述氢气进气管12设置在所述封头前盖1的侧壁上；在本实施例中，所述封头2（如图3所示）上设有呈圆环状排布的多个氢气进气孔22，所述封头2的一侧设有与所述氢气进气孔22固定连接的氢气送气管23，所述氢气送气管23的管口为尖嘴式管口。所述封头2的另一侧设有与所述空气进气管套孔11相匹配的空气进气管21，所述空气进气管21与所述空气进气管套孔11之间设有密封圈，从而保证装置的气密性；所述水箱主体3（如图4所示）内设有与所述氢气送气管23相对应的催化管31，催化管31具有较好的导热性能，可以快速把催化反应中产生的热能传递给水箱主体3内的冷却液，可以快速把高温空气热量传递给水箱主体内的冷却液；所述催化管31的管壁内侧附着有可将氢气和氧气催化反应成水的催化剂，所述催化剂至少为铂黑、钯、铑及其合金，Pt/c，Cu_xFe_3-xO₄中的一种，也就是催化剂可以为上述中的一种或几种混合使用，在本实施例中，催化剂选择的为铂黑。所述氢气送气管23的管径小于所述催化管31的管径，在使用过程中，氢气的流速大于空气的流速，氢气通过氢气送气管23前端的尖嘴式管口将空气卷带进入催化管31内达到氢气和空气的混合，其中，氢气来源于尾排氢气，空气来源于回收的燃料电池高温空气；所述水箱主体3内还设有5个加热棒34，所述加热棒34可以为电热丝、电热陶瓷等，本实施例中加热棒34采用由钨丝制的电热丝；所述水箱主体3上分别设有冷却液入口32和冷却液出口33，冷却液入口32和冷却液出口33分别串联在燃料电池系统的循环系统中，起到循环利用热量的作用；所述封头前盖1与所述封头2焊接固定，所述封头2与所述水箱主体3螺栓固定，所述水箱主体3与所述尾气收集封头4螺栓固定，固定处均设有密封圈，保证装置的气密性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，包括封头前盖（1）、封头（2）、水箱主体（3）和尾排收集封头（4），其特征在于：所述封头前盖（1）上设有空气进气管套孔（11）和氢气进气管（12）；所述封头（2）上设有至少两个氢气进气孔（22），所述封头（2）的一侧设有与所述氢气进气孔（22）固定连接的氢气送气管（23），所述封头（2）的另一侧设有与所述空气进气管套孔（11）相匹配的空气进气管（21）；所述水箱主体（3）内设有与所述氢气送气管（23）相对应的催化管（31），所述催化管（31）的管壁内侧设有可将氢气和氧气催化反应成水的催化剂，所述水箱主体（3）内还设有至少一个加热棒（34），所述水箱主体（3）上分别设有冷却液入口（32）和冷却液出口（33）；所述封头前盖（1）、所述封头（2）、所述水箱主体（3）和所述尾气收集封头（4）依次固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，其特征在于：所述氢气送气管（23）的管径小于所述催化管（31）的管径。

3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，其特征在于：所述催化管（31）内的催化剂至少为铂黑、钯、铑及其合金，Pt/c，Cu_xFe₃-xO₄中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于燃料电池冷启动的多功能水箱，其特征在于：所述氢气送气管（23）的管口为尖嘴式管口。

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