CN216958107U - 一种燃料电池电堆的风冷装置 - Google Patents

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池滨
高鹏然
曹加鹏
陈宏�
张华农
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Abstract

本申请提出的一种燃料电池电堆的风冷装置，包括：电堆本体：所述电堆本体设置于第一支撑板和第二支撑板之间，所述第一支撑板与所述第二支撑板通过多个紧固件固定连接，所述电堆本体包括阴极流道开放的双极板；电堆外壳：所述电堆外壳的一端围合固定于所述第一支撑板的外周侧面上，另一端围合固定于所述第二支撑板的外周侧面上；所述电堆外壳的侧面上设置有多个进风口和多个出风口，所述进风口与所述出风口相对设置在所述电堆外壳的两个侧面上，且所述进风口的个数比所述出风口的个数多；进风风扇，设置于所述进风口的外侧；出风风扇，设置于所述出风口的外侧。本申请可实现电堆的水热管理，显著提升电堆性能，并有效延长电堆的使用寿命。

Description

一种燃料电池电堆的风冷装置
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池电堆的风冷装置。
背景技术
燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、噪音低、零污染、低温下快速启动等优势，在车用动力系统、固定式发电站、备用电源、便携式电源等领域有很广泛的应用前景。而风冷型燃料电池结构简易、系统控制逻辑简单，同时其造价成本较低，非常适合对功率需求低的用电场景。
阴极开放式的风冷燃料电池电堆在工作过程中阴极需通入足量的空气，以提供足够的氧气，保证燃料电池反应的进行，同时足量的空气经过开放阴极流道能将反应产生的热量带走，起到电堆散热的作用。对于阴极侧通常采用单侧风扇进行供应空气，这种进气方式在电堆运行过程阴极开放流道中的空气压力相对比较低。同时为了保证电堆的散热效果，风扇提供的风量远大于电堆化学反应所需要的风量，使得空气利用率低，也容易导致电堆中的水分挥发快，使膜电极湿度降低，影响电堆中质子交换膜的质子传导率，影响电堆的输出功率。
实用新型内容
基于此，本实用新型提供一种燃料电池电堆的风冷装置，旨在解决现有的风冷燃料电池电堆阴极流道空气压力低、空气利用率低、电堆湿度低及电堆散热效果差而影响电堆的质子传导率和输出功率的等问题。本申请装置能有效提升电堆阴极流道中的空气压力，在获得良好散热效果的同时保持电堆的湿度，可以提升电堆的输出性能。
为实现上述目的，本实用新型提出如下技术方案：
本实用新型提出了一种燃料电池电堆的风冷装置，包括：
电堆本体，所述电堆本体设置于第一支撑板和第二支撑板之间，所述第一支撑板与所述第二支撑板通过多个紧固件固定连接；所述电堆本体包括阴极流道开放的双极板；
电堆外壳，所述电堆外壳的一端围合固定于所述第一支撑板的外周侧面上，另一端围合固定于所述第二支撑板的外周侧面上；所述电堆外壳的侧面上设置有多个进风口和多个出风口，所述进风口与所述出风口相对设置在所述电堆外壳的两个侧面上，且所述进风口的个数比所述出风口的个数多；
进风风扇，设置于所述进风口的外侧；所述进风风扇为吹气风扇；
出风风扇，设置于所述出风口的外侧；所述出风风扇为吸气风扇。
进一步地，所述进风口设置于所述电堆外壳靠近所述阴极流道的侧面。
进一步地，所述进风风扇的个数、所述出风风扇的个数均与所述电堆本体的输出功率相适配。这样，以满足燃料电池电堆的发电和散热的需求，保证燃料电池电堆的正常运行。
进一步地，所述进风风扇的转速、所述出风风扇的转速均与所述燃料电池电堆的阴极流道的空气需求量及气体压力相适配。这样，以满足燃料电池电堆运行过程中阴极所需的压力，保证燃料电池电堆的正常运行。
进一步地，所述进风风扇的吹气速度大于或等于所述出风风扇的吸气速度。
进一步地，所述进风风扇通过多个第一螺钉固定于所述电堆外壳的一侧面上；所述出风风扇通过多个第二螺钉固定于所述电堆外壳的另一侧面上。
进一步地，所述进风口的两侧设置有第一开孔，所述进风风扇通过所述第一开孔固定于所述电堆外壳上；所述出风口的两侧设置有第二开孔，所述出风风扇通过所述第二开孔固定于所述电堆外壳上。
进一步地，所述阴极流道与所述进风风扇的空气流道连通；所述阴极流道的空气压力优选为20～30kPa。
进一步地，所述进风风扇与所述出风风扇均为转速可调的风扇。
进一步地，所述第一支撑板和所述第二支撑板平行且对称设置。
进一步地，所述电堆外壳为不锈钢铝合金外壳。
相对于现有技术，本申请具有如下技术效果：本申请通过设置进风风扇和出风风扇，并控制两者的进气方式，可以使更多的空气进入到阴极流道中，提供足够的反应氧化剂，同时也可以及时排出电堆产生的多余热量，有效控制电堆的温度。通过控制进风风扇和出风风扇的转速，能够有效增强风扇的空气流道中的空气压力，提高阴极流道中氧化剂的浓度，同时也可以有效减少电堆内水分的流失，提高电堆中质子交换膜在运行条件下的质子传导率。本申请装置没有改变电堆的结构即可实现电堆的水热管理，提高空气在阴极流道中的压力，显著提升电堆的性能，并有效延长电堆的使用寿命。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例所述燃料电池电堆的风冷装置的结构示意图；
图2为图1的燃料电池电堆的风冷装置的另一侧面视角的结构示意图；
图3为图1的燃料电池电堆的风冷装置的另一端视角的结构示意图；
图4中电堆外壳和风扇的结构示意图；
图5为图1中电堆外壳的结构示意图。
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
阴极开放式的风冷燃料电池电堆在工作过程中阴极需通入足量的空气以提供足够的氧气，保证燃料电池反应的进行，同时足量的空气经过开放阴极流道能将反应产生的热量带走，起到电堆散热的作用。对于阴极侧通常采用单侧风扇进行供应空气，这种进气方式在电堆运行过程阴极开放流道中的空气压力相对比较低。同时为了保证电堆的散热效果，风扇提供的风量远大于电堆化学反应所需要的风量，使得空气利用率低，也容易导致电堆中的水分挥发快，使膜电极湿度降低，影响电堆中质子交换膜的质子传导率，影响电堆的输出功率。基于此，有必要提供一种燃料电池电堆的风冷装置以解决上述技术问题。
本申请装置通过提高电堆在运行中的湿度，能显著提升质子交换膜的质子传导率，降低电堆的欧姆阻抗；通过调节进风风扇的转速而增强电堆阴极流道中空气的压力，可以提高阴极流道中氧化剂的浓度，并提升氧化剂在阴极的扩散速率，进而有效提升燃料电池电堆的输出性能。
具体的，如图1至图5所示，本实用新型实施例提供一种燃料电池电堆的风冷装置，包括：
电堆本体(图中未标识)，所述电堆本体设置于第一支撑板10和第二支撑板20之间，所述第一支撑板10与所述第二支撑板20通过多个紧固件30固定连接；所述电堆本体包括阴极流道开放的双极板(图中未标识)；
电堆外壳40，所述电堆外壳40的一端围合固定于所述第一支撑板10的外周侧面上，另一端围合固定于所述第二支撑板20的外周侧面上；所述电堆外壳40的侧面上设置有多个进风口41和多个出风口42，所述进风口41与所述出风口42相对设置在所述电堆外壳40的两个侧面上，且所述进风口41的个数比所述出风口42的个数多；
进风风扇50，设置于所述进风口41的外侧；所述进风风扇50为吹气风扇；
出风风扇60，设置于所述出风口42的外侧；所述出风风扇60为吸气风扇。
具体的，在本申请实施例中，进风风扇50设置有3个，出风风扇60设置有2个。
进一步地，所述进风口41设置于所述电堆外壳40靠近所述阴极流道的侧面。
进一步地，所述进风风扇50的个数、所述出风风扇60的个数均与所述电堆本体的输出功率相适配。这样，以满足燃料电池电堆的发电和散热的需求，保证燃料电池电堆的正常运行。例如，在一实施例中，当所述进风风扇的个数为3、所述出风风扇的个数为2时，所述电堆本体的输出功率为5kW，此时进风风扇的个数、出风风扇的个数均与电堆本体的输出功率相适配。
进一步地，所述进风风扇50的转速、所述出风风扇60的转速均与所述阴极流道的空气需求量以及气体压力相适配。这样，以满足燃料电池电堆运行过程中阴极所需的气体压力，保证燃料电池电堆的正常运行。例如，在一实施例中，当每个所述进风风扇(个数为3个)的转速为5000-7000rpm、每个所述出风风扇(个数为2个)的转速为3000-5000rpm，此时，进风风扇的转速、出风风扇的转速均与所述燃料电池电堆的阴极流道的空气需求量以及气体压力相适配，可以满足燃料电池电堆的化学反应所需的风量，并能够保证电堆中的水分含量，保证膜电极所需的湿度，电堆中质子交换膜的质子传导率较高，而且空气的利用率较高。
进一步地，所述进风风扇50的吹气速度大于或等于所述出风风扇60的吸气速度。这样，可以满足燃料电池电堆的阴极流道的空气需求量以及气体压力的要求，并能够保证电堆中的水分含量，保证膜电极所需的湿度，而且空气的利用率较高。
进一步地，所述进风风扇50通过多个第一螺钉51固定于所述电堆外壳40的一侧面上；所述出风风扇60通过多个第二螺钉61固定于所述电堆外壳40的另一侧面上。在本申请中，进风风扇和出风风扇相对设置，能够有效的保证电堆的散热效果。
进一步地，所述进风口41的两侧设置有第一开孔(图中未标识)，所述进风风扇50通过所述第一开孔固定于所述电堆外壳40上；所述出风口42的两侧设置有第二开孔出风开孔(图中未标识)，所述出风风扇60的通过所述第二开孔固定于所述电堆外壳40上。
进一步地，所述阴极流道与所述进风风扇50的空气流道连通；所述阴极流道的空气压力优选为20～30kPa。
进一步地，所述进风风扇50与所述出风风扇60均为转速可调的风扇。
进一步地，所述第一支撑板10和所述第二支撑板20平行且对称设置。
进一步地，所述电堆外壳40为不锈钢铝合金外壳。
使用时，在启动本申请装置的过程中，首先以低转速打开进风口处的三个进风风扇，此时，出风口的两个出风风扇不启动。随着电堆的启动和运行，电堆的温度逐渐升高，当电堆的温度达到60℃时，进风口的三个进风风扇转速提高，同时出风口的两个出风风扇启动，并且出风口的出风风扇转速低于进风口的进风风扇的转速。在这过程中，电堆产生的多余热量能有效被出风风扇带出电堆，同时能提高电堆阴极流道中的空气压力和电堆中膜电极的湿度，从而有效提升电堆的输出性能。其中电堆的阴极流道中空气的压力可达到20～30kPa，相对于单侧装风扇的方案中阴极流道中的空气压力不高于10kPa，本申请装置中的空气流道中的压力有了明显的提升。
相对于现有技术，本申请具有如下技术效果：本申请通过设置进风风扇和出风风扇，并控制两者的进气方式，可以使更多的空气进入到阴极流道中，提供足够的反应氧化剂，同时也可以及时排出电堆产生的多余热量，有效控制电堆的温度。通过控制进风风扇和出风风扇的转速，能够有效增强风扇的空气流道中空气的压力，提高阴极流道中氧化剂的浓度，同时也可以有效减少电堆内水分的流失，提高电堆中质子交换膜在运行条件下的质子传导率。本申请装置没有改变电堆的结构即可实现电堆的水热管理，提高空气在阴极流道中的压力，显著提升电堆的性能，并有效延长电堆的使用寿命。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，包括：
电堆本体，所述电堆本体设置于第一支撑板和第二支撑板之间，所述第一支撑板与所述第二支撑板通过多个紧固件固定连接；所述电堆本体包括阴极流道开放的双极板；
电堆外壳，所述电堆外壳的一端围合固定于所述第一支撑板的外周侧面上，另一端围合固定于所述第二支撑板的外周侧面上；所述电堆外壳的侧面上设置有多个进风口和多个出风口，所述进风口与所述出风口相对设置在所述电堆外壳的两个侧面上，且所述进风口的个数比所述出风口的个数多；
进风风扇，设置于所述进风口的外侧；所述进风风扇为吹气风扇；
出风风扇，设置于所述出风口的外侧；所述出风风扇为吸气风扇。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风口设置于所述电堆外壳靠近所述阴极流道的侧面。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风风扇的个数、所述出风风扇的个数均与所述电堆本体的输出功率相适配。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风风扇的转速、所述出风风扇的转速均与所述燃料电池电堆的阴极流道的空气需求量以及气体压力相适配。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风风扇的吹气速度大于或等于所述出风风扇的吸气速度。
6.根据权利要求2所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风风扇通过多个第一螺钉固定于所述电堆外壳的一侧面上；所述出风风扇通过多个第二螺钉固定于所述电堆外壳的另一侧面上。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风口的两侧设置有第一开孔，所述进风风扇通过所述第一开孔固定于所述电堆外壳上；所述出风口的两侧设置有第二开孔，所述出风风扇通过所述第二开孔固定于所述电堆外壳上。
8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述阴极流道与所述进风风扇的空气流道连通；所述阴极流道的空气压力为20～30kPa。
9.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述进风风扇与所述出风风扇均为转速可调的风扇；所述电堆外壳为不锈钢铝合金外壳。
10.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的风冷装置，其特征在于，所述第一支撑板和所述第二支撑板平行且对称设置。
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