CN202712342U - 一种燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池装置，所述燃料电池装置包括电堆、控制器、反应风机、散热风机、环境风机、供氢电磁阀和单电池电压及温度监测组件；所述电堆包括阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口。本实用新型提供的燃料电池装置通过反应空气与散热空气的流场和风机相互独立，即电池的温度及湿度控制相对独立，有利于电堆水、热平衡的管理。并在使用该装置时将电堆短路与切断反应空气操作方法有机结合，实现质子交换膜燃料电池的快速启动，使燃料电池在较短时间内快速升温、快速增湿，在较短时间内激发燃料电池催化剂活性，使燃料电池性能快速最佳化，尽可能缩短电堆启动所需时间。

Description

一种燃料电池装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是指一种空气冷却型燃料电池装置。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为低压直流电能的装置。燃料电池稳定发电要求电池内部电化学反应平衡，不仅包括电池内部的水、热平衡，而且对电池内部温度、催化剂反应位点、反应物及产物的转移途径、质子转移途径等提出很高的要求。

新组装或长期闲置的燃料电池，启动时很难快速实现电化学反应平衡，因此启动时必须经过活化过程。该活化过程需要增湿和预热，较为常用的方法是给燃料电池设计反应气体外加湿设备、燃料电池预加热设备，但这些辅助装置提高了燃料电池电源系统的体积、重量、成本。燃料电池启动时增湿的方法，主要包括将燃料电池连续或间断地置于短路一段时间，对燃料电池增湿，可以解决电堆启动时因质子交换膜内水含量过少导致的性能损失，但不能快速激发催化剂活性，因而电堆不能在短时间内达到最佳工作状态。而且，由于提供反应空气的风机也同时起着散热功能，因此停止空气供给时也就无法对电堆进行继续散热，导致电堆温度过高，水、热平衡管理不协调。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种燃料电池装置，解决电堆的水、热平衡管理，电堆不能在短时间内达到最佳工作状态的问题。

基于上述目的本实用新型提供的燃料电池装置包括电堆、控制器、反应风机、散热风机、环境风机、供氢电磁阀和单电池电压及温度监测组件；所述电堆包括阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口；

其中，所述反应风机通过风道连接于阴极入口，用于向电堆提供反应空气并排出部分生成水；所述散热风机用于控制电堆运行过程中的温度；所述供氢电磁阀通过管路分别连接于阳极入口和氢气源，用于导通或者切断电堆阳极的反应氢气；所述单电池电压及温度监测组件用于在电堆运行过程中监控电堆单电池的电压及温度，并将数据传输给控制器；所述控制器用于接收单电池电压及温度监测组件的数据，并根据接收到的数据实时调节电堆各辅助元件的输出量；

所述阴极入口和阴极出口侧设置有外壳，用于回收利用电堆阴极的生成水，并实现电堆阴极入口空气的自增湿；所述环境风机安装于外壳的阴极入口侧，用于调节阴极入口空气的相对湿度。

较佳地，所述燃料电池装置还包括循环泵、气水分离器和排氢电磁阀；

其中，所述气水分离器通过管路分别连接于阳极出口、循环泵和排氢电磁阀，用于过滤管路中的液体水；所述排氢电磁阀用于排出阳极出口的尾气及液体水；所述循环泵通过管路连接于阳极入口，用于循环利用阳极出口的氢气及水蒸气。

从以上描述内容可以看出，本实用新型提供的燃料电池装置通过反应空气与散热空气的流场和风机相互独立，即电池的温度及湿度控制相对独立，以利于电堆水、热平衡的管理。并在使用该装置时将电堆短路与切断反应空气的操作手段有机结合，实现质子交换膜燃料电池的快速启动，使燃料电池在较短时间内快速升温、快速增湿，在较短时间内激发燃料电池催化剂活性，使燃料电池性能快速最佳化，尽可能缩短电堆启动所需时间。因此，本实用新型不仅解决了电堆水、热平衡的管理问题，减少了燃料电池启动活化的辅助设备，而且还缩短了电池启动活化所需的时间，使燃料电池在较短时间内输出性能达到最佳，使用该装置可简化燃料电池电源系统的集成难度。

附图说明

图1为本实用新型实施例燃料电池的结构示意图；

图2为本实用新型实施例控制器的电路原理图；

图3为本实用新型实施例控制电堆的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供的燃料电池装置包括电堆、控制器、反应风机、散热风机、环境风机、供氢电磁阀和单电池电压及温度监测组件；所述电堆包括阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口。

其中，所述反应风机通过管路连接于阴极入口，用于向电堆提供反应空气并排出部分生成水；所述散热风机用于控制电堆运行过程中的温度；所述供氢电磁阀通过管路分别连接于阳极入口和氢气源，用于导通或者切断电堆阳极的反应氢气；所述单电池电压及温度监测组件用于在电堆运行过程中监控电堆单电池的电压及温度，并将数据传输给控制器；所述控制器用于接收单电池电压及温度监测组件的数据，并根据接收到的数据实时调节电堆各辅助元件的输出量。

所述阴极入口和阴极出口侧设置有外壳，用于回收利用电堆阴极的生成水，并实现电堆阴极入口空气的自增湿；所述环境风机安装于外壳的阴极入口侧，用于调节阴极入口空气的相对湿度。

参考图1，其为本实用新型实施例燃料电池的结构示意图。本实用新型提供的燃料电池装置包括电堆1、控制器2、反应风机3、散热风机4、环境风机5、供氢电磁阀6、循环泵7、气水分离器8、排氢电磁阀9和单电池电压及温度监测组件10。所述电堆1包括阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口。

其中，所述反应风机3通过风道连接于阴极入口，用于向电堆1提供反应空气并排出部分生成水。所述供氢电磁阀6通过管路分别连接于电堆1的阳极入口和氢气源，用于导通或者切断电堆阳极的反应氢气。反应空气和氢气在电堆中发生电化学反应，将化学能转化成电能。

所述氢气源用于向燃料电池提供氢气，可以为高压氢气瓶或者其他储氢容器。

所述阴极入口和阴极出口侧设置有外壳，用于回收利用该燃料电池装置进行电化学反应后的电堆阴极的生成水，并实现电堆阴极入口处反应空气的自增湿。所述环境风机5安装于该外壳的阴极入口侧，利用外壳回收的生成水，调节阴极入口处反应空气的相对湿度，简化了燃料电池反应空气的增湿设备。

所述散热风机4用于控制电堆1运行过程中的温度，防止电堆1的温度过高或过低。

所述气水分离器8通过管路分别连接于阳极出口、循环泵7和排氢电磁阀9，用于过滤管路中的液体水。所述排氢电磁阀9用于排出阳极出口的尾气以及经气水分离器8过滤出来的液体水。所述循环泵7通过管路连接于电堆1的阳极入口，用于循环利用阳极出口的氢气、水蒸气，提高氢气利用率，且提高了反应氢气的湿度，有助于燃料电池在较短时间内快速升温、快速增湿，以及燃料电池运行过程中电堆的水平衡管理。

所述单电池电压及温度监测组件10用于在电堆1运行过程中监控电堆单电池的电压及温度，并将数据传送给控制器2。所述控制器2用于接收单电池电压及温度监测组件10的数据，并根据接收到的数据实时调节反应风机3、散热风机4、环境风机5、供氢电磁阀6、循环泵7、气水分离器8、排氢电磁阀9等辅助元件的输出量。

参考图2，其为本实用新型实施例控制器的电路原理图。K1、K2为两个电子开关，D1、D2为两个二极管，L是感应器，C为电容，R是负载。

开关K1、K2由PWM控制，当开关K1和K2同时闭合时，电堆形成短路回路，实现电堆短路，输出电压U₀和输出电流I₀均为零。电堆正常工作时，通过PWM控制使开关K1、K2不同时闭合，实现电路的升降压，根据需要向负载提供不同大小的电压。

参考图3，为本实用新型实施例控制电堆的流程图。针对该装置的启动与活化，包括两步。

第一步：在电堆1启动时，首先向燃料电池提供计量比等于1的反应氢气和反应空气；然后启动短路程序，将燃料电池的电极连续或间断地置于短路一段时间，使质子交换膜快速湿润、电堆快速升温至预设工作温度。其中短路时间与短路间隔可根据电堆性能进行调整。

第二步：当堆温达到预设工作温度后，通过控制器2切断电池阴极的空气供应；待电池电压从预定水平的初始电压降低至阈值水平后，再次向阴极供应反应空气。根据电堆性能的可恢复性，选择重复切断反应空气供应-恢复反应空气供应的次数，激发燃料电池催化剂的反应活性，使燃料电池性能在较短时间内最佳化，完成电堆1启动活化过程，使电堆正常运行。

针对不同的电堆，可调整短路与切断反应空气两个操作程序的顺序，也可交替使用两个操作程序。如在新组装的电堆中，因催化剂活性较弱，一般先进行切断反应空气操作，然后配合短路操作，使电堆1快速达到最佳性能。

理论分析及实验表明，当反应氢气和反应空气的计量比等于1时，燃料电池具有良好的增湿效果，因此电池启动初始阶段，该计量比等于1，可达到质子交换膜快速增湿的效果。将燃料电池两极置于短路状态，高电流下产生的热量，可使电池快速升温至设定的工作温度。间断性地切断反应空气供应，阴极反应气饥饿有助于消除催化剂表面的毒素，激发催化剂的活性位点，使燃料电池性能最佳化。

操作实施例1

低温环境下电堆的控制是燃料电池领域的技术难点。使用本实用新型提供的燃料电池装置，在低温环境下，可缩短启动活化电堆的时间，使电堆快速进入工作状态。如1.5℃环境下，按照图3的控制流程，首先打开反应风机3、环境风机5、供氢电磁阀6、循环泵7（见图1），将电路间断性地置于短路模式（见图2），用短路方法使电堆升温、增湿。

在短路时间200ms、短路间隔3s的操作参数下，3～4分钟内电堆温度升至30℃；待堆温达到设定工作温度后，通过3次切断反应空气操作即关闭反应风机3，耗时约1分钟，功率由479W上升至532W。

即不需外加辅助设备下，采用本实用新型，在低温环境下电堆1可快速完成启动活化。电堆温度达到电堆工作温度值后，开启散热风机4，对电堆1进行散热，防止电堆工作时温度过高。

操作实施例2

长期闲置的电堆，因膜内水分的流失，电堆启动后性能恢复很慢。如对闲置时间超过3个月的电堆，按照图3所示操作流程，首先打开反应风机3、环境风机5、供氢电磁阀6、循环泵7（见图1），将电路间断性地置于短路模式（见图2），经过5分钟短路活化（短路时间200ms，短路间隔5s）及3次切断反应空气操作即关闭反应风机3，24V工作电压下，功率由141W上升至247W。

在操作过程中，通过改变散热风机4的供风量，调整电堆温度在设定的温度值。所以，使用本实用新型提供的燃料电池装置，可以使电堆1的性能快速恢复。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的燃料电池装置通过反应空气与散热空气的流场和风机相互独立，即电池的温度、湿度控制相对独立，有利于电堆水、热平衡的管理。并在使用该装置时将电堆短路与切断反应空气操作方法有机结合，实现质子交换膜燃料电池的快速启动，使燃料电池在较短时间内快速升温、快速增湿，在较短时间内激发燃料电池催化剂活性，使燃料电池性能快速最佳化，尽可能缩短电堆启动所需时间。

因此，本实用新型不仅解决了电堆水、热平衡的管理问题，减少了燃料电池启动活化的辅助设备，而且还缩短了电池启动活化所需的时间，使燃料电池在较短时间内输出性能达到最佳，使用该装置可简化燃料电池电源系统的集成难度。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置包括电堆、控制器、反应风机、散热风机、环境风机、供氢电磁阀和单电池电压及温度监测组件；所述电堆包括阴极入口、阳极入口、阴极出口和阳极出口；

其中，所述反应风机通过风道连接于阴极入口，用于向电堆提供反应空气并排出部分生成水；所述散热风机用于控制电堆运行过程中的温度；所述供氢电磁阀通过管路分别连接于阳极入口和氢气源，用于导通或者切断电堆阳极的反应氢气；所述单电池电压及温度监测组件用于在电堆运行过程中监控电堆单电池的电压及温度，并将数据传输给控制器；所述控制器用于接收单电池电压及温度监测组件的数据，并根据接收到的数据实时调节电堆各辅助元件的输出量；

所述阴极入口和阴极出口侧设置有外壳，用于回收利用电堆阴极的生成水，并实现电堆阴极入口空气的自增湿；所述环境风机安装于外壳的阴极入口侧，用于调节阴极入口空气的相对湿度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置还包括循环泵、气水分离器和排氢电磁阀；

其中，所述气水分离器通过管路分别连接于阳极出口、循环泵和排氢电磁阀，用于过滤管路中的液体水；所述排氢电磁阀用于排出阳极出口的尾气及液体水；所述循环泵通过管路连接于阳极入口，用于循环利用阳极出口的氢气及水蒸气。

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