CN212161980U - 一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，燃料电池包括燃料电池阳极、电堆模块以及开放式燃料电池阴极，燃料电池阳极设有阳极气体流通道、阳极气体扩散层以及阳极催化层；电堆模块旁边设置有吸风风扇，开放式燃料电池阴极设有电堆阴极出风口以及冷空气流量调节装置。该电池结构在几乎不增加系统重量和寄生功耗的情况下，实现燃料电池系统在低温环境下的快速启动与维持优化的反应温度，并且热交换机构具有低的空气阻力特性，不影响电堆阴极空气的供给与冷却功能。

Description

一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池装置，特别涉及一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置。

背景技术

燃料电池应用的一个挑战就是低温冷启动及低温运行。低温冷启动及低温运行是指燃料电池系统可在0℃以下的温度环境中成功启动，并可将燃料电池堆温度提升并维持在45～80℃以满足正常运行的性能。在无特殊处理或辅助工具的情况中，在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。燃料电池系统的反应热量不足是外部低温冻结膜电极的主因。特别是对阴极供氧与冷却一体化的空冷型电堆而言，由于功率偏小，与封闭式电堆相比，自身产热又不够集中，为保证供氧又必须向电池阴极通风，导致温度很难平衡，启动及运行困难的情况尤为突出。常规的解决手段，辅助电加热、通入热空气等方法附带的辅助系统质量、体积大，并且有较大寄生功耗，大大降低了燃料电池系统的效率。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，该电池结构在几乎不增加系统重量和寄生功耗的情况下，实现燃料电池系统在低温环境下的快速启动与维持优化的反应温度，并且热交换机构具有低的空气阻力特性，不影响电堆阴极空气的供给与冷却功能。

本实用新型的技术方案如下：一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，燃料电池包括燃料电池阳极、电堆模块以及开放式燃料电池阴极，燃料电池阳极设有阳极气体流通道、阳极气体扩散层以及阳极催化层；电堆模块旁边设置有吸风风扇，开放式燃料电池阴极设有电堆阴极出风口以及冷空气流量调节装置。

作为其中的一个优选方案，所述燃料电池阳极的空气入口连通阳极气体流通道，空气入口设有通氢气管道以及通空气管道，所述通空气管道上设有微型空气泵。

作为其中的一个优选方案，所述冷空气流量调节装置包括可以开合的百叶窗，预热空气通道以及冷空气入口，预热空气通道为冷热空气的循环通道。

作为其中的一个优选方案，所述百叶窗通过电动舵机与曲柄摇杆式推拉机构连接，电动舵机驱动曲柄摇杆式推拉机构调节百叶窗开合的角度。

作为其中的一个优选方案，所述冷空气流量调节装置还包括第一温度传感器，位于百叶窗与电堆模块之间，第一温度传感器与电动舵机控制连接。

作为其中的一个优选方案，所述电堆阴极出风口与冷空气入口间隔排列并且垂直交错，电堆阴极出风口出来的湿热空气与冷空气入口经冷空气通道进来的冷空气在垂直交错湿热冷空气交换通道里面进行热交换，预热空气经预热空气通道循环进冷空气流量调节装置里。

作为其中的一个优选方案，所述电堆的空气阴极流道内设置有第二温度传感器，第二温度传感器可以探测电堆内部中心温度，第二温度传感器与微型空气泵控制连接。

作为其中的一个优选方案，所述湿热冷空气交换通道里铺设有轻质热交换纸。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、利用微型空气泵向电堆阳极脉冲注入空气，利用氢氧直接化学反应产热并生成水，实现对电堆的快速加热升温，同时水也可以增湿电池膜电极的质子交换膜，质子交换膜在一定的含水量下才有传导氢质子的能力，质子交换膜增湿好了，导质子能力强，膜电极内阻低，电池性能才能好；空气注入脉冲比例可根据电堆温度自动调整，确保混入的空气比例低于氢空混合爆炸比例下限，电堆的空气阴极流道内设置有温度传感器，可以探测电堆内部中心温度T。当T<预设的电堆预热温度，一般为5～55度，则每隔30S～300S，通过空气泵向阳极注入空气，每次注入空气体积由电堆阳极氢气腔的体积Ⅴ来确定，每次注入空气量少于<Ⅴ*4％，当测得温度T>预热温度则停止注入空气，通过此方法实现电堆快速预热启动后，后续电堆进入正常工作，靠自身的发热来维持堆温。

2、通过轻质热交换纸构建的低阻力热交换调温机构，与电堆阴极出风口垂直交错的湿热冷空气交换通道，可以实现电堆出口湿热空气与开放式燃料电池阴极的冷空气入口进来的冷空气进行湿热双重交换；位于开放式燃料电池阴极的冷空气流量调节装置，通过可以开合的百叶窗，控制混入的冷空气量，从而调节电堆的温度；开合百叶窗通过电动舵机驱动曲柄摇杆式推拉机构调节开口角度，开口角度的大小由电堆入口空气温度通过控制系统计算确定，其中从百叶窗进入的冷空气和电堆阴极出风口处的冷空气入口进入的冷空气，都是从电池系统所处的周边环境中获取的。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型燃料电池阳极的结构示意图；

图2为本实用新型燃料电池内湿热空气交换的结构示意图；

图3为本实用新型燃料电池阴极的结构示意图；

其中，1、燃料电池阳极；2、电堆模块；3、开放式燃料电池阴极；4、阳极气体流通道；5、阳极气体扩散层；6、阳极催化层；7、吸风风扇；8、电堆阴极出风口；9、百叶窗；10、预热空气通道；11、冷空气入口；12、电动舵机；13、推拉机构；14、第一温度传感器；15、通氢气管道；16、通空气管道；17、微型空气泵。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。

如图1至图3所示，一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，燃料电池包括燃料电池阳极1、电堆模块2以及开放式燃料电池阴极3，燃料电池阳极1设有阳极气体流通道4、阳极气体扩散层5以及阳极催化层6；电堆模块2旁边设置有吸风风扇7，开放式燃料电池阴极3设有电堆阴极出风口8以及冷空气流量调节装置。

冷空气流量调节装置包括可以开合的百叶窗9，预热空气通道10以及冷空气入口11，预热空气通道10为冷热空气的循环通道，百叶窗9通过电动舵机12与曲柄摇杆式推拉机构13连接，电动舵机12驱动曲柄摇杆式推拉机构13调节百叶窗9开合的角度；冷空气流量调节装置还包括第一温度传感器14，第一温度传感器14位于百叶窗9与电堆模块2之间，第一温度传感器14与电动舵机12控制连接。

燃料电池阳极1的空气入口连通阳极气体流通道4，空气入口设有通氢气管道15以及通空气管道16，通空气管道16上设有微型空气泵17。

电堆阴极出风口8与冷空气入口11间隔排列并且垂直交错，电堆阴极出风口8出来的湿热空气与冷空气入口11经冷空气通道进来的冷空气在垂直交错湿热冷空气交换通道里面进行热交换，预热空气经预热空气通道10循环进冷空气流量调节装置里。

电堆的空气阴极流道内设置有第二温度传感器(图中未示出)，第二温度传感器可以探测电堆内部中心温度，第二温度传感器与微型空气泵17控制连接。

(1)燃料电池的快速启动阳极通入氢气的同时，利用微型空气泵向阳极脉冲注入微量空气，使空气中的氧与氢气在阳极催化层直接催化反应产热，迅速提高堆内温度；由于氢氧反应释放的热能很高，从而实现快速升温启动，同时生成的水也可以增湿电池膜电极的质子交换膜；待电堆温度高于3～5℃，则可以直接启动放电；所述的空气注入脉冲比例可根据电堆温度自动调整，确保混入的空气比例低于氢空混合爆炸比例下限，电堆的空气阴极流道内设置有温度传感器，可以探测电堆内部中心温度T。当T<预设的电堆预热温度，一般为5～55度，则每隔30S～300S，通过空气泵向阳极注入空气，每次注入空气体积由电堆阳极氢气腔的体积Ⅴ来确定，每次注入空气量少于<Ⅴ*4％，当测得温度T>预热温度则停止注入空气，通过此方法实现电堆快速预热启动后，后续电堆进入正常工作，靠自身的发热来维持堆温。

(2)燃料电池维持堆温空冷型燃料电池启动后，为保证足够的供氧，空气需要以一定的流速流过阴极，同时也会从阴极带走热量，为维持足够的反应温度，利用导热透水的湿热交换纸，通过结构设计实现入口冷空气与出口热空气的湿热交换，在空气的入口区域，设置有一可以调节开合度的百叶窗结构透气孔，开合度通过舵机驱动控制；当电堆温度过高，且无法通过调整吸风风扇转速来降低电堆温度，则通过调节百叶窗开度，混入合适比例的未热交换的冷空气来降低电堆温度至优化区域；百叶窗开合角度是通过第一温度传感器测量电堆入口空气的温度作为调节参量来控制。

燃料电池采用上述结构后，在几乎不增加电池系统重量和寄生功耗的情况下，实现燃料电池系统在低温环境下的快速启动与维持优化的反应温度，并且热交换机构具有低的空气阻力特性，不影响电堆阴极空气的供给与冷却功能。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：燃料电池包括燃料电池阳极、电堆模块以及开放式燃料电池阴极，燃料电池阳极设有阳极气体流通道、阳极气体扩散层以及阳极催化层；电堆模块旁边设置有吸风风扇，开放式燃料电池阴极设有电堆阴极出风口以及冷空气流量调节装置。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述燃料电池阳极的空气入口连通阳极气体流通道，空气入口设有通氢气管道以及通空气管道，所述通空气管道上设有微型空气泵。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述冷空气流量调节装置包括可以开合的百叶窗，预热空气通道以及冷空气入口，预热空气通道为冷热空气的循环通道。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述百叶窗通过电动舵机与曲柄摇杆式推拉机构连接，电动舵机驱动曲柄摇杆式推拉机构调节百叶窗开合的角度。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述冷空气流量调节装置还包括第一温度传感器，位于百叶窗与电堆模块之间，第一温度传感器与电动舵机控制连接。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述电堆阴极出风口与冷空气入口间隔排列并且垂直交错，电堆阴极出风口出来的湿热空气与冷空气入口经冷空气通道进来的冷空气在垂直交错湿热冷空气交换通道里面进行热交换，预热空气经预热空气通道循环进冷空气流量调节装置里。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述电堆的空气阴极流道内设置有第二温度传感器，第二温度传感器可以探测电堆内部中心温度，第二温度传感器与微型空气泵控制连接。

8.根据权利要求6所述的一种燃料电池低温快速冷启动及控温装置，其特征在于：所述湿热冷空气交换通道里铺设有轻质热交换纸。

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