CN209087989U - 一种阴极开放式燃料电池加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阴极开放式燃料电池加热装置，包括简易加热装置、外部电源及控制单元，简易加热装置包括固联在燃料电池外部的空气进气处的电热丝；外部电源通过继电器开关与电热丝电性连接，实现多档调节，继电器开关的控制端经导线与控制单元电性连接。本实用新型结构简单、合理，且成本低廉，通过在阴极开放式燃料电池外部的空气进气处设置可控制的加热装置，加热装置产生的热量可被燃料电池自带的风扇吸入电堆内部，不仅解决了阴极开放式燃料电池启动或运行阶段进给空气温度低而导致燃料电池输出电压低的问题，而且还可解决阴极开放式燃料电池在高负载条件下电池反应效率低、在低温已运行工况下电池输出效率低的问题。

Description

一种阴极开放式燃料电池加热装置

技术领域：

本实用新型涉及一种阴极开放式燃料电池加热装置。

背景技术：

燃料电池具有零排放、能量转换效率高、安全可靠以及能量密度高等优点被认为是未来新能源汽车重点发展方向之一。目前交通运输用燃料电池的类型多为质子交换膜燃料电池，而制约燃料电池汽车商业化的主要障碍是车用燃料电池的寿命和成本，阴极开放式质子交换膜燃料电池由于其极简的结构降低了制造成本具有较好的应用前景。

极简结构的阴极开放式燃料电池由于省去的辅助装置也导致其输出效率降低，具体表现如在低温条件下启动难；外接高负载时电堆内温度上升缓慢，电池反应效率低；低温已运行时电堆内可维持温度低电池输出效率低等。尤其是工业用大型阴极开放式燃料电池低温条件下难以启动，因此，阴极开放式燃料电池在低温条件下启动及提高其效率而又受成本制约成了本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容：

本实用新型针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种阴极开放式燃料电池加热装置，不仅结构合理，而且高效便捷。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种阴极开放式燃料电池加热装置，包括阴极开放式燃料电池；还包括简易加热装置、外部电源以及控制单元，所述简易加热装置包括固联在燃料电池外部的空气进气处两端的两块支撑板，两块支撑板之间设置有电热丝；所述外部电源通过继电器开关与电热丝电性连接，实现多档调节，所述继电器开关的控制端经导线与控制单元电性连接。

进一步的，所述继电器开关包括第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关；所述外部电源的正极通过导线与电热丝的一端相连接，电热丝的另一端通过导线分别与第一继电器开关的一端、第二继电器开关的一端以及第三继电器开关的一端相连接，所述第一继电器开关的另一端通过导线与外部电源的负极相连接；所述第二继电器开关的另一端与外部电源的负极之间串接有电阻A；所述第三继电器开关的另一端与外部电源的负极之间串接有电阻B。

进一步的，所述电阻B的阻值大于电阻A的阻值。

进一步的，还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器与第二温度传感器分别设置在燃料电池外部的空气进气处和燃料电池电堆内部，以分别检测进气温度和堆内温度，第一温度传感器与第二温度传感器分别与控制单元的数据采集端口电性连接，控制单元根据第一温度传感器、第二温度传感器检测的进气温度和堆内温度控制第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关的通断。

进一步的，所述第一温度传感器与第二温度传感器均为热电偶、热敏电阻或者半导体温度传感器。

进一步的，所述支撑板的上端开设有两排用以连接电热丝的第一圆柱孔，支撑板的下端开设有一排孔径大于第一圆柱孔孔径的第二圆柱孔，支撑板通过贯穿第二圆柱孔的螺栓与螺母配合紧固在燃料电池的外壳上。

进一步的，所述电热丝为螺旋状。

进一步的，所述控制单元为单片机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下效果：本实用新型通过在阴极开放式燃料电池外部的空气进气处设置可控制的加热装置，加热装置产生的热量可被燃料电池自带的风扇吸入电堆内部，不仅解决了阴极开放式燃料电池启动或运行阶段进给空气温度低而导致燃料电池输出电压低的问题，而且还可解决阴极开放式燃料电池在高负载条件下电池反应效率低、在低温已运行工况下电池输出效率低的问题，同时整个装置结构简单、合理，且成本低廉。

附图说明：

图1是本实用新型实施例的构造示意图；

图2是简易加热装置的构造示意图；

图3是本实用新型实施例的加热效果对比图。

图中：

1-燃料电池；2-直流风扇；3-氢气源；4-负载；5-外部电源；6-简易加热装置；7-控制单元；8-支撑板；9-电热丝；10-第一温度传感器；11-第二温度传感器；12-第一圆柱孔；13-第二圆柱孔；14-空气进气处；15-第一继电器开关；16-第二继电器开关；17-第三继电器开关；18-电阻A；19-电阻B。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

本实施例中所涉及的燃料电池为强制对流型阴极开放式燃料电池，该燃料电池1的内部带有直流风扇2且与氢气源3相连接，燃料电池1还连接有负载4，直流风扇2既能为燃料电池1提供反应所需要的氧气又能带走反应所产生的废热以防止电堆温度过高，且直流风扇只消耗阴极开放式燃料电池输出功率中很小的一部分（<5%）。燃料电池一般运行在60℃至90℃之间，过高的温度会使质子交换膜脱水而影响其电导率，电池性能也随之降低，过低的温度又影响燃料电池电化学反应效率。

如图1～2所示，本实用新型一种阴极开放式燃料电池加热装置，包括阴极开放式燃料电池1；还包括简易加热装置6、外部电源5以及控制单元7，所述简易加热装置6包括固联在燃料电池1外部的空气进气处两端的两块支撑板8，两块支撑板8之间设置有电热丝9；所述外部电源5通过继电器开关与电热丝9电性连接，实现多档调节，所述继电器开关的控制端经导线与控制单元7电性连接。使用时，外部电源为电热丝通电，电热丝通电产生热量，而燃料电池自带的直流风扇将电热丝产生的热量吸入电堆内部；通过控制单元控制数字电位器的阻值，即可调节通过电热丝的电流，实现电热丝的多种加热情况。

本实施例中，所述继电器开关包括第一继电器开关15、第二继电器开关16以及第三继电器开关17，第一继电器开关15、第二继电器开关16以及第三继电器开关17的控制端均经由导线与控制单元7电性连接，以便于通过控制单元分别控制三个继电器开关的通断。优选的，第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关的型号均为HF118F，其负载电压最大为30V，电流最大为10A。

本实施例中，所述外部电源5的正极通过导线与电热丝9的一端相连接，电热丝9的另一端通过导线分别与第一继电器开关15的一端、第二继电器开关16的一端以及第三继电器开关17的一端相连接，所述第一继电器开关15的另一端通过导线与外部电源5的负极相连接；所述第二继电器开关16的另一端与外部电源5的负极之间串接有电阻A18；所述第三继电器开关17的另一端与外部电源5的负极之间串接有电阻B19，电阻B19的阻值大于电阻A18的阻值；即第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关为并联，第一继电器开关、电热丝以及外部电源构成第一加热回路；第二继电器开关、电阻A、电热丝以及外部电源构成第二加热回路；第三继电器开关、电阻B、电热丝以及外部电源构成第三加热回路；其中第一加热回路、第二加热回路以及第三加热回路上的阻值依次增加，进而使得第一加热回路、第二加热回路以及第三加热回路上的电流同理依次增加，即形成高、中、低三种加热档位。使用时，当控制单元控制第一继电器开关闭合，而第二继电器开关与第三继电器开关均断开，此时流经电热丝的电流最大，即高档位电流加热；当控制单元控制第二继电器开关闭合，而第一继电器开关与第三继电器开关均断开，此时流经电热丝的电流较小，即中档位电流加热；当控制单元控制第三继电器开关闭合，而第一继电器开关与第二继电器开关断开，此时流经电热丝的电流为最小，即低档位电流加热。

本实施例中，还包括第一温度传感器10和第二温度传感器11，所述第一温度传感器10与第二温度传感器11分别设置在燃料电池1外部的空气进气处14和燃料电池1电堆内部，以分别检测进气温度和堆内温度，第一温度传感器10与第二温度传感器11分别与控制单元7的数据采集端口电性连接，控制单元7根据第一温度传感器10、第二温度传感器11检测的进气温度和堆内温度控制第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关的通断。

本实施例中，所述第一温度传感器10与第二温度传感器11均为热电偶、热敏电阻或者半导体温度传感器。

本实施例中，所述支撑板8的上端开设有两排用以连接电热丝9的第一圆柱孔12，第一圆柱孔还可便于支撑板进行散热，支撑板8的下端开设有一排孔径大于第一圆柱孔12孔径的第二圆柱孔13，支撑板通过贯穿第二圆柱孔的螺栓与螺母配合紧固在燃料电池的外壳上。

本实施例中，所述电热丝为螺旋状。

本实施例中，所述控制单元为80c51单片机，电热丝的阻值约为3.3欧；所述外部电源5为直流稳压电源，其电压为25V（最大电压为32V）；所述电阻A的阻值为1.2欧，电阻B的阻值为3.8欧；使用时，当控制单元控制第一继电器开关闭合，而第二继电器开关与第三继电器开关均断开，此时流经电热丝的电流为7.5A，即高档位电流加热；当控制单元控制第二继电器开关闭合，而第一继电器开关与第三继电器开关均断开，此时流经电热丝的电流为5.5A，即中档位电流加热；当控制单元控制第三继电器开关闭合，而第一继电器开关与第二继电器开关断开，此时流经电热丝的电流为3.5A，即低档位电流加热。

本实施例中，在燃料电池的整个启停过程中；

（1）应用在燃料电池启动工况：控制单元7通过第一温度传感器10和第二温度传感器11分别采集阴极开放式燃料电池1空气进气处14温度及电池堆内温度，当所测进气处温度和电堆内温度等于环境温度时，控制单元判断燃料电池处于启动阶段，此时控制单元7控制第一继电器开关闭合，而第二继电器开关与第三继电器开关均断开，使得外部电源5输出至电热丝9的电流最大，即处于高档位；电热丝迅速产生热量并通过燃料电池1自带的直流风扇2将热量穿入电堆内，使得电堆内温度尽快逼近最理想工作温度范围，以使燃料电池输出特性提升；

（2）应用于燃料电池低负载工况：控制单元7采集到阴极开放式燃料电池1电堆内温度在所设定的低负载温度范围内，此时控制单元控制第三继电器开关闭合，而第一继电器开关与第二继电器开关断开，使得外部电源5输出至电热丝9的电流最小，即处于低档位；由于流经电热丝的电流不大，即电热丝产热不高，在保证燃料电池电堆温度低于理想工作温度可接纳范围内提高电池输出净功率；

（3）应用于燃料电池额定负载工况：控制单元7采集到阴极开放式燃料电池1电堆内温度在所设定的额定负载温度范围内，此时控制单元7控制第二继电器开关闭合，而第一继电器开关与第三继电器开关均断开，使得外部电源输5出至电热丝9的电流较小，即处于中档位，电热丝产热效果适中，以保证电堆内温度稳定在理想工作温度范围，使燃料电池稳定高效率输出；

（4）应用于燃料电池高负载工况：为满足高负载工况，阴极开放式燃料电池1的氧气需求量增大，即燃料电池自带的直流风扇所需开度增加，但这也使燃料电池电堆内温度由于强烈制热对流的原因上升缓慢，因此当控制单元7采集到电堆内温度在所设定的高负载温度范围内时，控制单元7控制第一继电器开关闭合，而第二继电器开关与第三继电器开关均断开，使得外部电源5输出至电热丝9的电流最大，即处于高档位，以控制燃料电池在高负载工况下电堆内温度剧烈变化，以提高燃料电池的输出功率。

具体实施过程：

设定阴极开放式燃料电池1的额定功率为1000W，将阴极开放式燃料电池外接负载4置于恒电流模式，认为燃料电池在恒电流0安到10安工况下为燃料电池冷启动；测定燃料电池在无加热系统条件下恒电流0安到10安工况输出功率曲线。

在有加热系统条件下，实验时保持其初始条件与无加热系统下的实验完全一致，包括实验环境温度、湿度、燃料电池直流风扇的转速以及氢气源的开度等。设定加热系统进气处门槛温度设置为35摄氏度，电堆内门槛温度设置为50摄氏度，默认冷启动时电池堆内温度低于设置门槛温度，即质子交换膜适宜工作温度范围。在电池冷启动前控制单元7采集第一温度传感器10所测得的阴极开放式燃料电池1空气进气处14温度为摄氏度低于设定温度35摄氏度，控制单元7给出执行信号，使第一继电器开关处于闭合状态，而第二继电器开关与第三继电器开关均处于断开状态，此时外部电源5通过第一继电器开关与电热丝导通，此时有电流7.5A流经固定于两支撑板8的电热丝9，电热丝9迅速产热使阴极开放式燃料电池空气进气处14周围温度上升，直至燃料电池进气处温度达到设定温度35摄氏度，此时启动阴极开放式燃料电池，其自带的直流风扇2将外部空气吸入反应堆的同时也将进气处的热量吸入，此时测定燃料电池在恒电流0安到10安工况的输出功率曲线，即燃料电池冷启动时的输出功率曲线，燃料电池冷启动过程中第二温度传感器所测电池堆内温度未达设定温度50摄氏度因此外部电源电路始终处于导通状态，即电热丝不断在产生热量以满足堆内温度达到质子交换膜适宜工作范围。如当第二温度传感器所测堆内温度已达设定温度则控制单元给出执行信号使外部电源电路断开。

将两次实验所得的输出功率曲线，即阴极开放式燃料电池在无加热系统下的冷启动输出功率曲线和在有加热系统下的冷启动输出功率曲线在MATLAB软件中拟合对比，如图3所示，在本实用新型一种阴极开放式燃料电池加热装置下的阴极开放式燃料电池冷启动输出功率明显提高，即本实用新型能解决阴极开放式燃料电池启动阶段温度不够高而使燃料电池没有发挥出最佳性能的问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种阴极开放式燃料电池加热装置，包括阴极开放式燃料电池，其特征在于：还包括简易加热装置、外部电源以及控制单元，所述简易加热装置包括固联在燃料电池外部的空气进气处两端的两块支撑板，两块支撑板之间设置有电热丝；所述外部电源通过继电器开关与电热丝电性连接，实现多档调节，所述继电器开关的控制端经导线与控制单元电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述继电器开关包括第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关；所述外部电源的正极通过导线与电热丝的一端相连接，电热丝的另一端通过导线分别与第一继电器开关的一端、第二继电器开关的一端以及第三继电器开关的一端相连接，所述第一继电器开关的另一端通过导线与外部电源的负极相连接；所述第二继电器开关的另一端与外部电源的负极之间串接有电阻A；所述第三继电器开关的另一端与外部电源的负极之间串接有电阻B。

3.根据权利要求2所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述电阻B的阻值大于电阻A的阻值。

4.根据权利要求2所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器与第二温度传感器分别设置在燃料电池外部的空气进气处和燃料电池电堆内部，以分别检测进气温度和堆内温度，第一温度传感器与第二温度传感器分别与控制单元的数据采集端口电性连接，控制单元根据第一温度传感器、第二温度传感器检测的进气温度和堆内温度控制第一继电器开关、第二继电器开关以及第三继电器开关的通断。

5.根据权利要求4所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述第一温度传感器与第二温度传感器均为热电偶、热敏电阻或者半导体温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述支撑板的上端开设有两排用以连接电热丝的第一圆柱孔，支撑板的下端开设有一排孔径大于第一圆柱孔孔径的第二圆柱孔，支撑板通过贯穿第二圆柱孔的螺栓与螺母配合紧固在燃料电池的外壳上。

7.根据权利要求1所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述电热丝为螺旋状。

8.根据权利要求1所述的一种阴极开放式燃料电池加热装置，其特征在于：所述控制单元为单片机。