CN210224180U

CN210224180U - 一种风冷型燃料电池系统

Info

Publication number: CN210224180U
Application number: CN201921657719.7U
Authority: CN
Inventors: Li Zhou; 周利; Youlu Hong; 洪有陆; Zhigang Shao; 邵志刚; Song Li; 李松; Chengyi Yu; 于诚溢
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-30

Abstract

本实用新型提供一种风冷型燃料电池系统，主要包括氢源、气源开关电磁阀、稳压阀、氢水循环器、尾排电磁阀、燃料电池电堆、排风扇、DC/DC逆变器等。氢水循环器可以使阳极排出水部分进行部分循环，为新鲜氢气增湿。尾排电磁阀是将氢气中含有极少数杂质气体定时排出。燃料电池电堆为阴极敞开式结构，靠排风扇强制对流引入的空气冷却电池，同时提供参加电化学反应的氧气。DC/DC逆变器的输入为燃料电池输出端，DC/DC逆变器可以有一个或多个输出端，为排风扇和其他用电设备供电。所述风冷型燃料电池系统构成简单，部件和工艺控制简单可靠，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并得到实际应用。

Description

一种风冷型燃料电池系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于提高风冷型燃料电池性能的电池系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以室温快速启动的工作温度低、低噪音、环境友好、高能量转换效率的零排放发电装置，被誉为终极能源。采质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等，可以满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池。

氢燃料电池工作时，除了对外输出电能之外，同时会伴产约40-50％的热量。在燃料电池冷却方式中主要有液冷(包含水冷)和风冷两种方式。风冷型氢燃料电池是以氢气为燃料，少量空气中氧作为参与电化学反应的氧化剂，过量的空气用于冷却电堆，使其保持在一定的温度(不宜超过80℃)下工作。用风冷技术摈弃了液冷技术中的复杂臃肿的冷却液循环及散热系统(冷却液箱、冷却液循环泵、冷却液管、散热片、风扇、空气增湿器还有诸多传感器、电磁阀等)，更是摈弃了笨重、高功耗的空气压气机(正常工作时要消耗掉燃料电池发电量的20-40％)，使整个系统简单、易于操作与控制，具有广泛的应用前景。

在风冷型燃料电池中，阴极通道是敞开的，为保持电池稳定运行，使用大剂量的空气用以冷却降温时，空气以高流速吹向阴极表面，会带走电化学反应生成水，使质子交换膜处于干燥状态，这样使膜阻升高，进一步导致电池温度升高，如果再以提高风量的办法降温，会使整个过程陷入恶性循环。在解决这一问题时，人们通常采用以二氧化硅等改性制备出的自增湿膜，或在膜电极的电极层做增湿保水处理，使电化学反应生成水能够保留在阴极侧，到达膜润湿状态。

无论是采用自增湿膜还是在阴极催化层和扩散层内做保水处理，都难以解决现实中随不同温度、湿度等环境因素变化带给燃料电池性能的影响。

实用新型内容

基于以上背景技术，本实用新型就是针对可以摆脱环境制约因素而提出的一种风冷型燃料电池系统，不仅可以提高风冷型燃料电池的初活性，还能它的稳定性，具有实用价值和前景，本实用新型采取如下技术方案：

本实用新型提供一种风冷型燃料电池系统，主要包括氢源、氢水循环器、燃料电池电堆、排风扇、DC/DC逆变器，所述燃料电池电堆为阴极敞开式结构，所述排风扇设置在燃料电池电堆的侧面，通过强制对流向所述燃料电池电堆引入空气，引入的空气一方面为冷却电池，同时提供参加电化学反应的氧气。所述氢水循环器用于给进入燃料电池电堆的氢气增湿，DC/DC逆变器为系统供电，即为排风扇供电和系统中其他用电设备供电。将它们连接起来成为风冷型燃料电池系统。在实用过程中，按照使用方或总体方的要求，将这些部件高度集成形成一个对外供电电源。

基于以上技术方案，优选的，所述燃料电池电堆包括阳极氢气进气口和阳极氢气排出口；所述氢源提供的氢气通过氢水循环器增湿后进入阳极氢气进气口，阳极氢气排出口排除的氢气回到氢水循环器。

基于以上技术方案，优选的，所述氢水循环器为膜增湿器或引射器；所述膜增湿器包括新鲜氢气入口、被增湿氢气出口、增湿氢气入口以及尾排口；所述引射器包括高压气体入口、喷射口和低压气体入口；

当所述氢水循环器为膜增湿器时，所述氢源与新鲜氢气入口连接，所述被增湿氢气出口与燃料电池的阳极氢气进气口连接，所述增湿氢气入口与燃料电池阳极氢气排出口连接；使用膜增湿器时，将经过燃料电池阳极气室氢气排出口排出的氢气尾气中带出的反渗透水通过膜增湿器的膜为进入的新鲜氢气增湿。

当所述氢水循环器为引射器时，所述氢源与高压气体入口连接，所述喷射口与燃料电池的阳极氢气进口连接，所述低压气体入口与所述燃料电池阳极氢气排出口连接。使用引射器是使燃料电池电堆阳极气室内的氢气处于外循环状态，燃料电池阳极气室氢气排出口排出的氢气尾气中带出的反渗透水与新鲜氢气一并重新进入电堆，同时提高了氢气利用率。

基于以上技术方案，优选的，在本实用新型中，所述氢源为氢气发生器或气瓶。

基于以上技术方案，优选的，所述氢源还包括与气瓶连接的瓶阀(含减压阀)、开关电磁阀和稳压阀，也可以和由瓶阀(含减压阀)、开关电磁阀和稳压阀集成在一起的多功能阀直接相连接。

基于以上技术方案，优选的，所述风冷型燃料电池系统还包括尾排电磁阀，所述膜增湿器的尾排口与所述尾排电磁阀连接，或所述氢水循环器为引射器时，燃料电池阳极氢气排出口与所述尾排电磁阀连接。尾排电磁阀是将氢气中含有极少数杂质气体定时排出。

基于以上技术方案，优选的，在本实用新型中，DC/DC逆变器的输入为燃料电池输出端，DC/DC逆变器可以有一个或多个输出端，为排风扇供电和其他用电设备供电。

有益效果

1、摈弃了液冷技术中的复杂臃肿的冷却液循环及散热系统(冷却液箱、冷却液循环泵、冷却液管、散热片、风扇、空气增湿器还有诸多传感器、电磁阀等)，更是摈弃了笨重、高功耗的空气压气机(正常工作时要消耗掉燃料电池发电量的20-40％)，使整个系统简单、易于操作与控制，具有广泛的应用前景。

2、大幅度提高了燃料电池系统的重量和体积的功率密度和能量密度，更重要的是充分利用了阳极尾气中生成的反渗透水，为新鲜氢气增湿，彻底克服不同温度、湿度等环境因素变化对燃料电池性能的影响。

3、结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，大幅度降低成本。

附图说明

图1为本实用新型风冷型燃料电池系统构成示意图；

图2为集成式一体化结构高压气瓶为氢源风冷型燃料电池系统构成示意图；

图3为风冷型燃料电池电堆正面示意图；

图4为风冷型燃料电池电堆背面示意图；

图5为实施例1中风冷型燃料电池性能图；

图6为实施例2中风冷型燃料电池性能图；

图7为实施例3中风冷型燃料电池性能图；

其中，1氢源；2氢水循环器；3燃料电池电堆；4排风扇；5逆变器；6尾排电磁阀；

1-1气源瓶阀；1-2气源开关电磁阀；1-3稳压阀；1-4多功能集成阀；

2-1膜增湿器；2-2引射器；所述膜增湿器包括新鲜氢气入口、被增湿氢气出口、增湿氢气入口以及尾排口；所述引射器包括高压气体入口、喷射口和低压气体入口；

2-1-a新鲜氢气入口；2-1-b被增湿氢气出口；2-1-c增湿氢气入口；2-1-d尾排口；

2-2-a高压气体入口；2-2-b喷射口；2-2-c低压气体入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种风冷型燃料电池系统，包括氢源1、氢水循环器2、燃料电池电堆3，排风扇4、DC/DC逆变器5，尾排电磁阀6，氢源1连接气瓶瓶阀1-1、气源开关电磁阀1-2和稳压阀1-3，氢水循环器为膜增湿器2-1，膜增湿2-1包括新鲜氢气入口2-1-a、被增湿氢气出口2-1-b、增湿氢气入口2-1-c和尾排口2-1-d，氢源1提供的氢气通过新鲜氢气入口2-1-a进入膜增湿2-1被增湿后，从被增湿氢气出口2-1-b出口排出，从燃料电池电堆3的阳极氢气进气口进入燃料电池电堆3，燃料电池电堆3内的氢气和产生的反渗透水从阳极氢气排出口排出，从增湿氢气入口2-1-c回到膜增湿器2-1，再从尾排口2-1-d排出与尾排电磁阀6连接，定时排出氢气中的杂质，燃料电池电堆3为阴极敞开式结构，燃料电池电堆的侧面安装有排风扇4，排风扇通过对流向燃料电池电堆引入空气，DC/DC逆变器5的输入为燃料电池输出端，DC/DC逆变器5有一个输出端，为排风扇供电，其他输出端对外供电。

如图2所示，一种风冷型燃料电池系统，包括氢源1、氢水循环器2、燃料电池电堆3，排风扇4、DC/DC逆变器5，尾排电磁阀6，氢源1连接多功能集成阀1-4，氢水循环器为引射器2-2，引射器2-2包括高压气体入口2-2-a、喷射口2-2-b、低压气体入口2-2-c，氢源1提供的氢气通过高压气体入口2-2-a进入引射器2-2被增湿后，从喷射口2-2-b喷出，从燃料电池电堆3的阳极氢气进气口进入燃料电池电堆3，燃料电池电堆3内的氢气和产生的反渗透水从阳极氢气排出口排出，从低压气体入口2-2-c回到引射器2-2，燃料电池电堆3内的氢气和产生的反渗透水从阳极氢气排出口后，也可通过尾排电磁阀6定时排出氢气中的杂质，燃料电池电堆3为阴极敞开式结构，燃料电池电堆的侧面安装有排风扇4，排风扇通过对流向燃料电池电堆引入空气，DC/DC逆变器5的输入为燃料电池输出端，DC/DC逆变器5有一个输出端，为排风扇供电，其他输出端对外供电。

实施例1

如图1所示，选取容积为40升，压力为12MPa的普通钢瓶作为气源，选用宝德电磁阀和SMC稳压阀，选用自制膜增湿器和尾排电磁阀，自制29节风冷型燃料电池电堆和轴流风扇，对燃料电池进行性能测试，结果如图5所示。在室温22℃、相对湿度46％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.6A/cm²，输出功率达到970W。

实施例2

如图2所示，选取容积为9升，压力为35MPa的碳纤维缠绕铝合金瓶作为气氢气源，其中瓶阀与气源开关阀和稳压阀为集成式一体化结构，选用自制引射器和尾排电磁阀，自制32节风冷型燃料电池电堆和轴流风扇，对电堆进行性能测试，结果如图6所示。在室温24℃、相对湿度52％时，以氢气为燃料，当氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.65A/cm2，输出功率达到1250W。

实施例3

为了测试除气瓶之外燃料电池系统的稳定性，选取实验室集中管道连续供应氢气，以满足氢气用量需求，用应急手动开关阀和SMC稳压阀，用自制引射器和尾排电磁阀，自制32节风冷型燃料电池电堆和轴流风扇，对燃料电池稳定性进行测试。结果如图7所示。在室温范围22-25℃、相对湿度范围36-70％时，以氢气为燃料，当电堆内氢气分压(表压)为0.05MPa，采用风冷散热时，电流密度达到0.65A/cm²，输出功率达到1240W，连续运行200h，性能未见衰减。

上面描述了本实用新型的一种风冷型燃料电池系统，本实用新型所属领域的技术人员应当可以理解，所述仅仅为本实用新型的具体实施例，并非用于限制本实用新型。凡是本实用新型的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种风冷型燃料电池系统，其特征在于，包括氢源、氢水循环器、燃料电池电堆、排风扇、DC/DC逆变器；所述燃料电池电堆为阴极敞开式结构，所述排风扇设置于燃料电池电堆侧面，通过强制对流向所述燃料电池电堆引入空气，所述氢源提供的氢气通过氢水循环器增湿后进入燃料电池电堆。

2.根据权利要求1所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于，所述氢水循环器为膜增湿器或引射器；所述膜增湿器包括新鲜氢气入口、被增湿氢气出口、增湿氢气入口以及尾排口；所述引射器包括高压气体入口、喷射口和低压气体入口；

当所述氢水循环器为膜增湿器时，所述氢源与新鲜氢气入口连接，所述被增湿氢气出口与燃料电池的阳极氢气进气口连接，所述增湿氢气入口与燃料电池阳极氢气排出口连接；

当所述氢水循环器为引射器时，所述氢源与高压气体入口连接，所述喷射口与燃料电池的阳极氢气进口连接，所述低压气体入口与所述燃料电池阳极氢气排出口连接。

3.根据权利要求1所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于，所述氢源为氢气发生器或气瓶。

4.根据权利要求3所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于，所述氢源还包括瓶阀、开关电磁阀和稳压阀；所述瓶阀包括减压阀。

5.根据权利要求4所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于，所述瓶阀、开关电磁阀和稳压阀为集成在一起的多功能阀件。

6.根据权利要求2所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于，所述风冷型燃料电池系统还包括尾排电磁阀，所述膜增湿器的尾排口与所述尾排电磁阀连接，或所述氢水循环器为引射器时，燃料电池阳极氢气排出口与所述尾排电磁阀连接。

7.根据权利要求1所述的风冷型燃料电池系统，其特征在于：所述DC/DC逆变器的输入为燃料电池输出端，DC/DC逆变器为一个或多个输出端，所述DC/DC逆变器为风冷型燃料电池系统供电。