CN115064731B - 一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置与方法，属于燃料电池领域，用于和燃料电池的电堆相连，包括有用于将电堆阳极中的氢气和水蒸气导入电堆的阴极进气口处的喷头组件，所述喷头组件一端和电堆的阳极出气口连通，所述喷头组件另一端和电堆的阴极进气口连通且留有空气进气间隙，所述喷头组件的出气面和电堆的阴极进气口平行，所述喷头组件和电堆之间设有用于将所述喷头组件内的氢气和水蒸气导入电堆的阴极进气口内的风扇。本发明空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，对电堆中的氢气和水蒸气进行回收利用，简化电堆结构，降低了生产成本，同时具有良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置。
背景技术
空冷燃料电池通过设计开放式阴极结构，阴极通过风扇鼓入空气为电堆提供反应所需要的空气同时过量鼓入的空气带走电堆多余的热量，相较于液冷燃料电池结构简单，体积小，常用便携式移动电源。在质子交换膜燃料电池工作过程中，质子交换膜需要保持一定的湿润度才能保持质子的高传导性和良好的运行特性，而空冷燃料电池由于阴极供气特性膜电极处于较干的状态，因此燃料电池中需要增设增湿装置，结构较为复杂，生产成本较高，同时，由于风冷电堆开放阴极的结构在低温环境下运行难度大，风扇直接鼓入冷空气进入电堆限制其在低温环境下的应用，还需要设置加热系统，另外，质子交换膜燃料电池电堆在长时间运行过程中阳极会由于杂质气体积累和反渗透作用积水而产生不同程度的衰减，此时需要打开阳极出口阀门来冲出阳极积累的水和杂质气体来恢复电堆性能，称之为阳极脉排，通常情况阳极脉排的氢气和水蒸气直接排入大气不进行回收利用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，旨在解决燃料电磁加热加湿时结构复杂、生产成本高、同时阳极脉排的氢气和水蒸气无法回收利用的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，用于和燃料电池的电堆相连，包括有用于将所述电堆阳极中的氢气和水蒸气导入所述电堆的阴极进气口处的喷头组件，所述喷头组件一端和所述电堆的阳极出气口连通，所述喷头组件另一端和所述阴极进气口连通且留有空气进气间隙，所述喷头组件的出气面和所述阴极进气口平行，所述喷头组件和所述电堆之间设有用于将所述喷头组件内的氢气和水蒸气导入所述阴极进气口内的风扇。
更进一步地，所述风扇和所述喷头组件的出气面平行且所述风扇位于所述喷头组件的出气面和所述阴极进气口之间。
更进一步地，所述风扇和所述喷头组件的出气面平行且所述风扇位于所述电堆的阴极出气口外侧。
更进一步地，所述喷头组件包括有喷头主体，所述喷头主体上设有用于和所述阳极出气口连通的进气管道，所述喷头主体的出气面和所述阴极进气口平行，所述喷头主体上均布有和所述进气管道连通的喷口。
更进一步地，所述空气进气间隙的宽度在20mm-60mm之间。
更进一步地，所述喷口之间的间距在1mm-10mm之间。
更进一步地，所述喷口的孔径在0.1mm-5mm之间。
更进一步地，所述阴极进气口设有温度、湿度感应器和控制模块相连，所述喷头组件、所述风扇和所述控制模块电连接。
更进一步地，所述喷头主体通过定位螺杆与所述电堆连接，所述定位螺杆上设有刻度。
一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的使用方法，其包括以下步骤：
S1、将进气管道和电堆的阳极出气口相连，使用定位螺杆将喷头主体与电堆固定同时和阴极进气口平行设置，通过定位螺杆上的刻度，调整空气进气间隙；
S2、根据风扇的进气方式，将风扇安装在阴极进气口和喷头主体之间或者将风扇安装在阴极出气口外侧；
S3、使用控制模块，设置标准空气温度、标准湿度参数；
S4、温度感应器、湿度感应器测得电堆阴极进气口处的实际空气温度、实际湿度参数和标准空气温度、标准湿度参数进行对比，使电堆阳极进行阳极脉排，将阳极中的氢气和水蒸气从进气管道（22）输送到喷头主体（21）并通过风扇（3）的风力导入电堆阴极中进行加热加湿。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于喷头组件可直接和电堆的阳极出气口以及阴极进气口相连；利用风扇将喷头组件中喷出的水蒸气导入燃料电池阴极，能有效对燃料电池阴极加湿，同时燃料电池阴极的进气会对喷头组件中喷出的氢气充分稀释，使氢气浓度处于安全范围内，氢气进入电池阴极发生氢氧催化反应产生热量，有利于燃料电池在低温环境下的热量补充。无需额外增加增湿水路与加热功耗，无需额外安装电控装置，合理利用阳极脉排出的气体作为系统补给，适用于低温环境下便携式空冷型质子交换膜燃料电池系统的长期稳定运行，大大缩减系统成本提高系统效率。
附图说明
图1是本发明提供的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的结构示意图；
图2是本发明提供的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的另一状态的结构示意图：
图3是本发明提供的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的喷头组件的结构示意图；
图4是本发明提供的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的喷口的分布示意图。
附图中各数字标记对应的结构为：1-电堆，11-阴极进气口，12-阴极出气口，2-喷头组件，21-喷头主体，211-出气面，22-进气管道，3-风扇。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，用于和燃料电池的电堆1相连，包括有用于将电堆1阳极中的氢气和水蒸气导入电堆1的阴极进气口11处的喷头组件2，喷头组件2一端和电堆1的阳极出气口连通，喷头组件2另一端和阴极进气口11连通且留有空气进气间隙；喷头组件2的出气面和阴极进气口11平行，喷头组件2和电堆1之间设有用于将喷头组件2内的氢气和水蒸气导入阴极进气口11内的风扇3。
为了方便对本发明空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置进行电路控制，在阴极进气口11安装有温度、湿度感应器和控制模块相连，喷头组件2以及风扇3和控制模块电连接，通过控制模块设置标准空气湿度和温度参数，将温度、湿度感应器测得的实际空气湿度和温度参数进行对比，对阳极脉排策略进行控制；具体的，当空气湿度和温度低于一定值（如湿度低于30%，温度低于10℃）时，阳极脉排策略采用定时脉排，保证阴极进气能够及时加湿加热；当湿度在轻微干燥环境（如湿度在30%-60%之间，温度低于10℃）下，阳极脉排策略采用单低电压脉排，最大限度节约氢气同时对阴极进气一定程度加热加湿；催化加热加湿装置为纯机械结构，工作可靠性强，下面结合实施例对各部件进行详细说明。
电堆1的阴极依靠风扇3送风，送风方式分为吹风与吸风；如图1所示，当风扇3采用吹风的进气方式时，风扇3和喷头组件2的出气面211平行且风扇3位于喷头组件2的出气面211和电堆1的阴极进气口之间，风扇3对电堆1的阴极进气口11进行吹风时，会在喷头组件2的出气面211附近形成局部负压，将喷头组件2内的氢气、水蒸气以及空气导入电堆1的阴极中，从而给电堆阴极提供热量与水分。在使用过程中，由于燃料电池电堆一般采用阳极闭口运行策略，在电堆闭口运行时阴极依靠吸入风扇在空气进气间隙处的气体，在电堆发生明显衰减时阳极脉冲排放积水与杂质气体，阳极脉排时吸入空气进气间隙处的空气与喷头组件2内的气体进入电堆阴极。
如图2所示，当风扇3采用吸风的进气方式时，风扇3和喷头组件2的出气面211平行且风扇位于电堆1的阴极出气口12外侧，风扇3对电堆1的阴极出气口进行吸风时，可在电堆1的阴极进气口11出形成局部负压，将将喷头组件2内的氢气、水蒸气以及空气导入电堆1的阴极中，从而给电堆阴极提供热量与水分。
如图3所示，喷头组件2用于电堆阳极中的氢气和水蒸气导入阴极进气口11处，其包括有喷头主体21，喷头主体21上设有用于和电堆1的阳极出气口连通的进气管道22，喷头主体21的出气面211和电堆1的阴极进气口11平行，喷头主体21上均布有和进气管道22连通的喷口23，可根据电堆的发电功率大小以及阳极脉排的时间间隔来对喷口的形状及分布状态进行设计选择，同时可以调节空气进气间隙，空气进气间隙用于给电堆阴极处提供反应空气，空气进气间隙的宽度在20mm-60mm之间，为了方便调节空气进气间隙大小同时方便固定喷头主体21，喷头主体21通过定位螺杆与电堆相连，定位螺杆上对应有与电堆阴极进气口距离的刻度，可灵活调节喷头主体21与电堆阴极进气口距离，优选的，定位螺杆为4根；如图4所示，在本实施例中，喷口23为圆孔，其孔径在0.1mm-5mm之间，喷口23之间的间距在1mm-10mm之间，优选的，孔径为1mm，间距为5mm。
本发明同时提供一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的使用方法，其包括以下步骤：
S1、将进气管道22和电堆的阳极出气口相连，使用定位螺杆将喷头主体21与电堆固定同时和阴极进气口11平行设置，通过定位螺杆上的刻度，调整空气进气间隙；
S2、根据风扇的进气方式，将风扇安装在阴极进气口11和喷头主体21之间或者将风扇3安装在阴极出气口12外侧；
S3、使用控制模块，设置标准空气温度、标准湿度参数；
S4、温度感应器、湿度感应器测得电堆阴极进气口处的实际空气温度、实际湿度参数和标准空气温度、标准湿度参数进行对比，使电堆阳极进行阳极脉排，将阳极中的氢气和水蒸气从进气管道22输送到喷头主体21并通过风扇3的风力导入电堆阴极中进行加热加湿。
在低温干燥的环境中，电堆需要维持一定的温度与湿度，本发明提供的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，能够将阳极喷出的氢气鼓入阴极流道内发生氢氧反应产生部分热量，同时能将阳极积累的水蒸汽鼓入阴极为进入电堆的空气提供一定湿度环境，最大限度的将阳极脉排时本该排放至大气部分的氢气、热量与水分进行了回收利用，同时简化避免增设加热和加湿装置，简化了电堆的结构，并提高了电堆在低温干燥环境下的环境适应能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，用于和燃料电池的电堆（1）相连，其特征在于：包括有用于将所述电堆（1）阳极中的氢气和所述电堆（1）阳极中水蒸气均导入所述电堆（1）的阴极进气口（11）处的喷头组件（2），所述喷头组件（2）一端和所述电堆（1）的阳极出气口连通，所述喷头组件（2）另一端和所述阴极进气口（11）连通且留有空气进气间隙，所述喷头组件（2）的出气面和所述阴极进气口（11）平行，所述喷头组件（2）和所述电堆（1）之间设有用于将所述喷头组件（2）内的氢气和所述喷头组件（2）内水蒸气均导入所述阴极进气口（11）内的风扇（3），
工作时，燃料电池阴极的进气会对喷头组件中喷出的氢气充分稀释，使氢气浓度处于安全范围内，氢气进入电池阴极发生氢氧催化反应产生热量，有利于燃料电池在低温环境下的热量补充。
2.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述风扇（3）出气面和所述喷头组件（2）的出气面平行且所述风扇（3）位于所述喷头组件（2）的出气面和所述阴极进气口（11）之间。
3.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述喷头组件（2）包括有喷头主体（21），所述喷头主体（21）上设有用于和所述阳极出气口连通的进气管道（22），所述喷头主体（21）的出气面和所述阴极进气口（11）平行，所述喷头主体（21）上均布有和所述进气管道（22）连通的多个喷口（23）。
4.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述空气进气间隙的宽度在20mm-60mm之间。
5.如权利要求3所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：多个所述喷口（23）之间的间距在1mm-10mm之间。
6.如权利要求5所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述喷口（23）的孔径在0.1mm-5mm之间。
7.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述阴极进气口（11）设有温度感应器、湿度感应器两者和控制模块相连，所述喷头组件（2）、所述风扇（3）两者和所述控制模块电连接。
8.如权利要求3所述的空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置，其特征在于：所述喷头主体（21）通过定位螺杆与所述电堆（1）连接，所述定位螺杆上设有刻度。
9.如权利要求1-8任一所述的一种空冷型燃料电池阴极催化加热加湿装置的使用方法，其包括以下步骤：
S1、将进气管道（22）和电堆的阳极出气口相连，使用定位螺杆将喷头主体（21）与电堆固定同时喷头主体（21）的出气面和阴极进气口（11）平行设置，通过定位螺杆上的刻度，调整空气进气间隙；
S2、根据风扇的进气方式，将风扇安装在阴极进气口（11）和喷头主体（21）之间；
S3、使用控制模块，设置标准空气温度、标准湿度参数；
S4、温度感应器、湿度感应器测得电堆阴极进气口处的实际空气温度、实际湿度参数和标准空气温度、标准湿度参数进行对比，使电堆阳极进行阳极脉排，将阳极中的氢气和阳极中水蒸气从进气管道（22）输送到喷头主体（21）并通过风扇（3）的风力导入电堆阴极中进行加热加湿。
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