CN209786087U - 一种燃料电池电堆加热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池电堆加热系统，主要体现在本燃料电池电堆加热系统中加热器件与与电堆的位置关系。本实用新型涉及高温燃料电池电堆技术领域。该燃料电池电堆加热系统，可实现通过在电堆外部对电堆进行加热和在电堆内部对电堆进行加热，这种方式有效的避免了使用加热介质对电堆进行加热所带来的问题，提高了燃料电池电堆的加热效率和性能，这种加热方式提高了燃料电堆的使用环境，能够在低温和高温条件下使用，能够短时间将电堆加热到反应温度，提高燃料电池分反应速度和用户体验度，可直接加热双极板，通过固体传热，高效迅速。

Description

一种燃料电池电堆加热系统

技术领域

本实用新型涉及高温燃料电池电堆技术领域，具体为一种燃料电池电堆加热系统。

背景技术

燃料电池是由发电单元、供氧单元、供氢单元、辅助单元、控制单元和输出单元组成，其中发电单元主要是由电堆组成的，电堆是燃料电池的核心部件，其性能好坏直接影响燃料电池的发电性能，对于高温燃料电池来说，当燃料电池启动时需要先给电堆预热待其达到反应温度方可通入氢气进行发电。

目前，燃料电池电堆预热普遍采用换热介质，通过对换热介质进行加热让其在电堆中的孔道里流动，来达到对电堆进行预热的效果，这种加热方式具有以下问题：首先要将加热介质加热一定温度，才具有换热功能，其次加热介质流经的部件都会对其进行热交换，造成大量热量损失，消耗大量的电能；通过加热介质对电堆进行加热，耗时长，燃料电池的启动性能差，客户体验差，客户需要携带较大容量的锂电来提供启动耗能和应急使用；通过加热介质对燃料电池电堆进行加热，需要增加循环泵，冷却器，流道等增加系统的复杂性，系统可靠性差；利用加热介质对燃料电池电堆进行加热，其附件增加了系统的复杂性，占用了大量系统控制资源，增加了控制难难度；利用加热介质对燃料电池电堆加热，必须要考虑加热介质的理化性质，在低温时要具有良好的流动性，不易挥发，热稳定性好，高温不能产生焦灼，温升性能良好等增加选择的难度，成本高；使用加热介质对电堆进行加热，增加了双极板的复杂性和厚度，增加了燃料电池电堆的体积，直接减小了燃料电池的功率重量比和功率体积比；使用加热介质对电堆进行加热时，高温条件下或在孔道堵塞时容易泄露，破坏电堆性能，损坏质子交换膜。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种燃料电池电堆加热系统，解决了现有的加热方法会造成大量热量损失，消耗大量的电能；通过加热介质对电堆进行加热，耗时长，燃料电池的启动性能差，客户体验差，客户需要携带较大容量的锂电来提供启动耗能和应急使用，成本高，破坏电堆性能，损坏质子交换膜的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种燃料电池电堆加热系统，所述燃料电池电堆加热系统包括：电堆、第一加热器件和绝缘材料；

或，

电堆、第二加热器件和绝缘材料；

其中，第一加热器件与电堆的位置关系包括如下任一：

A1、将两个第一加热器件分别固定安装在电堆的两侧，且在第一加热器件和电堆之间安装绝缘材料，可将第一加热器件与电堆之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆外部的两侧开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部；

A2、将两个第一加热器件分别固定安装在电堆的顶部和底部，且在第一加热器件和电堆之间安装绝缘材料，可将第一加热器件与电堆之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆外部的顶部和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部；

A3、将两个第一加热器件分别固定安装在电堆的轴左侧和底部，且在第一加热器件和电堆之间安装绝缘材料，可将第一加热器件与电堆之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆外部的左侧和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部；

A4、将两个第一加热器件分别固定安装在电堆的轴右侧和底部，且在第一加热器件和电堆之间安装绝缘材料，可将第一加热器件与电堆之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆外部的右侧和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部。

其中，第二加热器件(6)与电堆(1)的位置关系包括如下任一：

B1、第二加热器件为杆状，并在杆状第二加热器件的表面包裹一层绝缘材料，然后将包裹有绝缘材料的第二加热器件并排插入电堆内部，实现在电堆内顶部水平排列和底部水平排列，从而即可通过从电堆内部的顶部和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部；

B2、第二加热器件为杆状，并在杆状第二加热器件的表面包裹一层绝缘材料，然后将包裹有绝缘材料的第二加热器件并排插入电堆内部，实现在电堆内两侧竖直排列，从而即可通过从电堆内部的两侧开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部。

优选的，所述第一加热器件和第二加热器件采用具有可以干烧、不会烧红、恒功率和恒温加热等特性的材料，该材料可以根据使用的工况和要求做成各种结构。

优选的，所述绝缘材料采用有机耐高温导热绝缘材料或无机耐高温导热绝缘材料，具体为环氧绝缘材料、SMC绝缘材料、二苯醚绝缘材料、有机硅绝缘材料和PC绝缘材料中的一种。

优选的，所述第一加热器件包括：

第一壳体，为长方形，内部设有腔体，一端设有两个进气口，另一端设置有出水口；两个进气口分别为氢气进气口和氧气进气口；

第一电磁阀，与氢气进气口连接；

第二电磁阀，与氧气进气口连接；

第一点火装置，设置在所述腔体内，位于腔体中部位置；

第一温度传感器，设置于所述壳体外壁；

第一控制器，与所述第一电磁阀、第二电磁阀、第一点火装置和第一温度传感器连接；

第一控制器接收到加热指令时，控制第一电磁阀和第二电磁阀打开，通过氢气进气口和氧气进气口向腔体内填充氢气和氧气，然后第一控制器控制第一点火装置工作，点燃腔体内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使壳体温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第一控制器通过所述第一温度传感器检测到壳体温度达到预设值时，所述第一控制器控制第一电磁阀和第二电磁阀关闭。

优选的，所述第二加热器件包括：

第二壳体，为圆柱体，内部设有空腔，一端设有两个进气口，另一端设置有出水口；两个进气口分别为氢气进气口和氧气进气口；所述出水口呈螺旋设置；

第三电磁阀，与氢气进气口连接；

第四电磁阀，与氧气进气口连接；

第二点火装置，设置在所述空腔内，位于空腔中部位置；

第二温度传感器，设置于所述第二壳体外壁；

第二控制器，与所述第三电磁阀、第四电磁阀、第二点火装置和第二温度传感器连接；

第二控制器接收到加热指令时，控制第三电磁阀和第四电磁阀打开，通过氢气进气口和氧气进气口向空腔内填充氢气和氧气，然后第二控制器控制第二点火装置工作，点燃空腔内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使第二壳体温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第二控制器通过所述第二温度传感器检测到第二壳体温度达到预设值时，所述第二控制器控制第三电磁阀和第四电磁阀关闭。

优选的，所述燃料电池电池堆加热系统还包括：第三温度传感器，设置在所述电堆中间位置；

第四温度传感器，设置在靠近第一加热器件或第二加热器件位置；

第三控制器，与所述第三温度传感器、第四温度传感器连接；第三控制器与第一加热器件或第二加热器件连接；

所述第三控制器通过第三温度传感器检测电堆内部温度，所述第三控制器通过第四温度传感器检测第一加热器件或第二加热器件的温度；当所述第三控制器通过第四温度传感器检测的温度大于第三预设值时，所述第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作；当所述第三控制器通过第三温度传感器检测的温度大于第四预设值并还持续上升时，第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种燃料电池电堆加热系统。与现有技术相比具备以下有益效果：该燃料电池电堆加热系统，采用加热器件与电堆位置的改变，具体包括以下几种方式：A1、将两个加热器件分别固定安装在电堆的两侧，且在加热器件和电堆之间安装绝缘材料，可将加热器件与电堆之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆外部的两侧开始进行加热，使热量快速导入整个电堆内部，可实现通过在电堆外部对电堆进行加热和在电堆内部对电堆进行加热，这种方式有效的避免了使用加热介质对电堆进行加热所带来的问题，提高了燃料电池电堆的加热效率和性能，这种加热方式提高了燃料电堆的使用环境，能够在低温和高温条件下使用，能够短时间将电堆加热到反应温度，提高燃料电池分反应速度和用户体验度，可直接加热双极板，通过固体传热，高效迅速，热量利用率高减小电堆启动时的性能的提高电堆的启动时间，通过直接加热法对燃料电池电堆进行加热，可以很好地解决电堆由于温度积聚或者孔道堵塞造成的泄露问题，通过通断电的控制加热的开启和停止的，控制方便简单，简化了燃料电池的控制系统，提高了系统的可操性，稳定性和可靠性，通过直接加热法加热燃料电池电堆，省去了利用加热介质对电堆进行加热使用的管道和孔道，减少了加热介质容积，加热介质循环泵及其附件，减小了燃料电池部件，提高的燃料电池的功率质量比，功率体积比，这种加热方法提高了燃料电池的使用环境，能在较低温度下快速启动解决了利用加热介质在低温下流动性差，容易堵塞管道的问题，直接加热法，加热器件与电堆接触进行加热，可以根据电堆的大小形状做成不同形状，直接嵌套使电堆更加美观整洁，采用直接加热法可以灵活布置加热器件，根据使用环境条件布置电堆，提高电堆的适应性和灵活性，通过直接加热法将电堆加热到反应温度后，可以采用更加灵活的降温手段，提高电堆正常工作下的降温效率，简化降温辅助设备。

附图说明

图1为本实用新型的电堆与第一加热器件的第一布置示意图；

图2为本实用新型的电堆与第一加热器件的第二布置示意图；

图3为本实用新型的电堆与第一加热器件的第三布置示意图；

图4为本实用新型的电堆与第一加热器件的第四布置示意图；

图5为本实用新型的电堆与第二加热器件的第一布置示意图；

图6为本实用新型的电堆与第二加热器件的第二布置示意图；

图7为本实用新型燃料电池电堆加热系统的第一加热器件的示意图；

图8为本实用新型燃料电池电堆加热系统的第二加热器件的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，本实用新型实施例提供一种技术方案：一种燃料电池电堆加热系统，包括：电堆1、第一加热器件3和绝缘材料2；

或，

电堆1、第二加热器件6和绝缘材料2；

其中，第一加热器件3与电堆1的位置关系包括如下任一：

A1、将两个第一加热器件3分别固定安装在电堆1的两侧，且在第一加热器件3和电堆之间安装绝缘材料2，可将第一加热器件3与电堆1之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆1外部的两侧开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部；

A2、将两个第一加热器件3分别固定安装在电堆1的顶部和底部，且在第一加热器件3和电堆1之间安装绝缘材料2，可将第一加热器件3与电堆1 之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆1外部的顶部和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部；

A3、将两个第一加热器件3分别固定安装在电堆1的轴左侧和底部，且在第一加热器件3和电堆1之间安装绝缘材料2，可将第一加热器件3与电堆 1之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆1外部的左侧和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部；

A4、将两个第一加热器件3分别固定安装在电堆1的轴右侧和底部，且在第一加热器件3和电堆1之间安装绝缘材料2，可将第一加热器件3与电堆 1之间进行绝缘处理，从而即可通过从电堆1外部的右侧和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部。

其中，第二加热器件(6)与电堆(1)的位置关系包括如下任一：

B1、第二加热器件6为杆状，并在第二加热器件6的表面包裹一层绝缘材料2，然后将包裹有绝缘材料2的第二加热器件6并排插入电堆1内部，实现在电堆1内顶部水平排列和底部水平排列，从而即可通过从电堆1内部的顶部和底部开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部；

B2、第二加热器件6为杆状，并在第二加热器件6的表面包裹一层绝缘材料2，然后将包裹有绝缘材料2的第二加热器件6并排插入电堆1内部，实现在电堆1内两侧竖直排列，从而即可通过从电堆1内部的两侧开始进行加热，使热量快速导入整个电堆1内部。

本实用新型中，第一加热器件3和第二加热器件6采用具有可以干烧、不会烧红、恒功率和恒温加热等特性的材料，该材料可以根据使用的工况和要求做成各种结构。

本实用新型中，绝缘材料2采用有机耐高温导热绝缘材料或无机耐高温导热绝缘材料，具体为环氧绝缘材料、SMC绝缘材料、二苯醚绝缘材料、有机硅绝缘材料和PC绝缘材料中的一种。

优选的，如图7所示，所述第一加热器件包括：

第一壳体11，为长方形，内部设有腔体12，一端设有两个进气口4，另一端设置有出水口5；两个进气口4分别为氢气进气口41和氧气进气口42；

第一电磁阀13，与氢气进气口41连接；

第二电磁阀14，与氧气进气口42连接；

第一点火装置15，设置在所述腔体12内，位于腔体12中部位置；

第一温度传感器16，设置于所述壳体11外壁；

第一控制器，与所述第一电磁阀13、第二电磁阀14、第一点火装置15 和第一温度传感器16连接；

第一控制器接收到加热指令时，控制第一电磁阀13和第二电磁阀14打开，通过氢气进气口41和氧气进气口42向腔体内填充氢气和氧气，然后第一控制器控制第一点火装置15工作，点燃腔体内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使壳体11温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第一控制器通过所述第一温度传感器16检测到壳体11温度达到预设值时，所述第一控制器控制第一电磁阀13和第二电磁阀14关闭。

第一加热器件可以直接采用燃料电池的燃料对电堆加热，无需外置电源先对电堆进行加热，简化了加热器件，并且节约了能源。

优选的，如图8所示，所述第二加热器件包括：

第二壳体31，为圆柱体，内部设有空腔34，一端设有两个进气口，另一端设置有螺旋状出水口37；两个进气口分别为氢气进气口和氧气进气口；所述出水口呈螺旋设置；采用螺旋状出水口37，使反应后的水汽中的热能尽可能的得到利用。

第三电磁阀32，与氢气进气口连接；

第四电磁阀33，与氧气进气口连接；

第二点火装置35，设置在所述空腔34内，位于空腔34中部位置；

第二温度传感器36，设置于所述第二壳体31外壁；

第二控制器，与所述第三电磁阀32、第四电磁阀33、第二点火装置35 和第二温度传感器36连接；

第二控制器接收到加热指令时，控制第三电磁阀和第四电磁阀打开，通过氢气进气口和氧气进气口向空腔内填充氢气和氧气，然后第二控制器控制第二点火装置工作，点燃空腔内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使壳体温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第二控制器通过所述第二温度传感器检测到壳体温度达到预设值时，所述第二控制器控制第三电磁阀和第四电磁阀关闭。

第二加热器件可以直接采用燃料电池的燃料对电堆加热，无需外置电源先对电堆进行加热，简化了加热器件，并且节约了能源。

为防止电池堆加热后的温度过而损坏，优选的，所述燃料电池电池堆加热系统还包括：第三温度传感器，设置在所述电堆中间位置；

第四温度传感器，设置在靠近第一加热器件或第二加热器件位置；

第三控制器，与所述第三温度传感器、第四温度传感器连接；第三控制器与第一加热器件或第二加热器件连接；

所述第三控制器通过第三温度传感器检测电堆内部温度，所述第三控制器通过第四温度传感器检测第一加热器件或第二加热器件的温度；当所述第三控制器通过第四温度传感器检测的温度大于第三预设值时，所述第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作；当所述第三控制器通过第三温度传感器检测的温度大于第四预设值并还持续上升时，第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种燃料电池电堆加热系统，其特征在于，包括：电堆(1)、第一加热器件(3)和绝缘材料(2)；

或，

电堆(1)、第二加热器件(6)和绝缘材料(2)；

其中，第一加热器件(3)与电堆(1)的位置关系包括如下任一：

A1、将两个第一加热器件(3)分别固定安装在电堆(1)的两侧，且在第一加热器件(3)和电堆之间安装绝缘材料(2)；

A2、将两个第一加热器件(3)分别固定安装在电堆(1)的顶部和底部，且在第一加热器件(3)和电堆(1)之间安装绝缘材料(2)；

A3、将两个第一加热器件(3)分别固定安装在电堆(1)的轴左侧和底部，且在第一加热器件(3)和电堆(1)之间安装绝缘材料(2)；

A4、将两个第一加热器件(3)分别固定安装在电堆(1)的轴右侧和底部，且在第一加热器件(3)和电堆(1)之间安装绝缘材料(2)；

其中，第二加热器件(6)与电堆(1)的位置关系包括如下任一：

B1、第二加热器件(6)为杆状，并在第二加热器件(6)的表面包裹一层绝缘材料(2)，然后将包裹有绝缘材料(2)的第二加热器件(6)并排插入电堆(1)内部；

B2、第二加热器件(6)为杆状，并在第二加热器件(6)的表面包裹一层绝缘材料(2)，然后将包裹有绝缘材料(2)的第二加热器件(6)并排插入电堆(1)内部；

所述第一加热器件(3)和第二加热器件(6)采用一种可以干烧、不会烧红、恒功率和恒温加热的材料，该材料可以根据使用的工况和要求做成各种结构。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆加热系统，其特征在于：所述绝缘材料(2)采用有机耐高温导热绝缘材料或无机耐高温导热绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆加热系统，其特征在于，所述第一加热器件(3)包括：

第一壳体(11)，为长方形，内部设有腔体(12)，一端设有两个进气口(4)，另一端设置有出水口(5)；两个进气口(4)分别为氢气进气口(41)和氧气进气口(42)；

第一电磁阀(13)，与氢气进气口(41)连接；

第二电磁阀(14)，与氧气进气口(42)连接；

第一点火装置(15)，设置在所述腔体(12)内，位于腔体(12)中部位置；

第一温度传感器(16)，设置于所述壳体(11)外壁；

第一控制器，与所述第一电磁阀(13)、第二电磁阀(14)、第一点火装置(15)和第一温度传感器(16)连接；

第一控制器接收到加热指令时，控制第一电磁阀(13)和第二电磁阀(14)打开，通过氢气进气口(41)和氧气进气口(42)向腔体内填充氢气和氧气，然后第一控制器控制第一点火装置(15)工作，点燃腔体内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使壳体(11)温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第一控制器通过所述第一温度传感器(16)检测到壳体(11)温度达到预设值时，所述第一控制器控制第一电磁阀(13)和第二电磁阀(14)关闭。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆加热系统，其特征在于，所述第二加热器件(6)包括：

第二壳体(31)，为圆柱体，内部设有空腔(34)，一端设有两个进气口，另一端设置有螺旋状出水口(37)；两个进气口分别为氢气进气口和氧气进气口；所述出水口呈螺旋设置；采用螺旋状出水口(37)，使反应后的水汽中的热能尽可能的得到利用；

第三电磁阀(32)，与氢气进气口连接；

第四电磁阀(33)，与氧气进气口连接；

第二点火装置(35)，设置在所述空腔(34)内，位于空腔(34)中部位置；

第二温度传感器(36)，设置于所述第二壳体(31)外壁；

第二控制器，与所述第三电磁阀(32)、第四电磁阀(33)、第二点火装置(35)和第二温度传感器(36)连接；

第二控制器接收到加热指令时，控制第三电磁阀(32)和第四电磁阀(33)打开，通过氢气进气口和氧气进气口向空腔(34)内填充氢气和氧气，然后第二控制器控制第二点火装置(35)工作，点燃空腔(34)内混合气体，混合气体燃烧后发出热量使第二壳体(31)温度升高，从而对电堆进行加热；当所述第二控制器通过所述第二温度传感器(36)检测到第二壳体(31)温度达到第二预设值时，所述第二控制器控制第三电磁阀(32)和第四电磁阀(33)关闭。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆加热系统，其特征在于，所述燃料电池电池堆加热系统还包括：第三温度传感器，设置在所述电堆中间位置；

第四温度传感器，设置在靠近第一加热器件或第二加热器件位置；

第三控制器，与所述第三温度传感器、第四温度传感器连接；第三控制器与第一加热器件或第二加热器件连接；

所述第三控制器通过第三温度传感器检测电堆内部温度，所述第三控制器通过第四温度传感器检测第一加热器件或第二加热器件的温度；当所述第三控制器通过第四温度传感器检测的温度大于第三预设值时，所述第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作；当所述第三控制器通过第三温度传感器检测的温度大于第四预设值并还持续上升时，第三控制器控制第一加热器件或第二加热器件停止工作。