一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置

1.本发明属于质子交换膜燃料电池相关技术领域，更具体地，涉及一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置。


背景技术：

2.目前，开放阴极质子交换膜燃料电池通常由若干个单电池串联组成电堆使用，单电池由双极板、膜电极、双极板组合而成。由于其开放阴极的结构特点，通过在阴极入口或出口前加装风扇，向电堆吹入或者吸入空气进入电堆阴极流道，达到为电堆阴极供给空气与散热目的。在低温环境下，风扇送入大量冷空气会导致电堆内温度过低，反应过程中产生的水液化堵塞气体流道，甚至在阴极催化层凝结成固态冰对膜电极造成不可逆的严重损坏，最终导致低温启动失败。
3.针对以上技术问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，cn201480012775.9公开了一种用于飞机上的电源并利用催化系统的燃料电池系统，催化剂系统通过接收和燃烧来自燃料电池组件或者氢存储器的氢，提供热量用以加热水温调节燃料电池内部运行温度。然而，该种催化燃烧器需要调节液冷燃料电池液体冷却回路温度来达到调节电池温度的目的，其系统结构复杂，并且需要多路换热器组合使用。
4.cn201911117794.9公开了一种桶套式催化燃烧器，利用氢氧催化燃烧反应放热，适用于高温质子交换膜燃料电池中的甲醇水蒸气重整制氢反应，为重整反应器提供热量。然而，进一步的研究表明，该方案直接使用了氢气催化燃烧放热再提供热量给重整反应器制氢，仅适用于调节重整反应器床层温度。此外，cn202110887306.3公开了一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置，该装置通过将风冷燃料电池阴极出口空气引回阴极入口，将燃料电池自身工作中释放的热量循环利用，实现风冷燃料电池低温环境无辅助进气加热。然而，该装置在温度过低的环境中使用局限性较强，在电池启动初期电堆未能提供热量，该装置只能维持一般低温环境的稳定运行，无法达到低温冷启动效果。
5.相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究和改进，以便更好地满足开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行的复杂需求。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其中通过紧密结合开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行的特定需求，引入电阻丝加热+陶瓷蜂窝催化加热的两级加热体系，同时对相关组件的具体结构及多种加热方式重新进行了设计，相应能够顺利实现开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行，同时具备结构紧凑、便于操控、适应性好等优点。
7.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，该装置包括供气风扇(1)、一级加热器(2)、二级加热器(3)以及多个电磁阀，其中：
8.所述供气风扇(1)设置在阴极风冷燃料电池的阴极附近，用于向所述一级加热器(2)提供进气空气；所述一级加热器(2)呈电阻丝的形式，并用于对输送至此的进气空气执行一次加热；所述二级加热器(3)呈蜂窝陶瓷氢氧催化加热器的形式，并用于对流经所述一级加热器(2)的空气执行可控的二次加热；
9.所述多个电磁阀包括第一至第四电磁阀，其中该第一电磁阀(10)安装在电堆本体(4)的氢气进气口(5)的上游端，并用于接通/断开从外部氢气源输送至电堆本体(4)的氢气；该第二电磁阀(9)安装在外部氢气源与所述二级加热器(3)之间的氢气管路(11)中，并用于接通/断开从外部氢气源输送至所述二级加热器(3)内部的氢气；该第三电磁阀(8)安装在电堆本体(4)的氢气出气口(6)与所述氢气管路(11)之间，并用于接通/断开从阴极风冷燃料电池的阳极排放至所述二级加热器(3)的氢气；该第四电磁阀(7)安装在所述第三电磁阀(8)的下游端，并用于接通/断开从所述氢气出气口(6)排放至外部环境的氢气。
10.通过以上构思，由于采用了电阻丝加热+陶瓷蜂窝催化加热的两级加热体系，同时配套使用了多个电磁阀来控制多种不同工况的组合使用，以此方式，一方面低温环境中的冷空气通过第一组电阻丝加热后，可以继续通过第二组涂有催化剂的蜂窝陶瓷加热管二次加热，达到50℃左右的温度进入电堆；另一方面，在电堆启动初期，电阻丝可通过外部电路供能，低温冷空气通过电阻丝加热后进入电堆；而当质子交换膜燃料电池电堆启动后电阻丝切换至电堆供能。蜂窝陶瓷管下部通过管线连接电堆氢气出口，当电堆闭口运行后氢气出口通过脉排将堆内氢气通入蜂窝陶瓷管内，氢气与空气中的氧气在蜂窝陶瓷管内催化反应产生热量，进一步加热通过电阻丝的空气，相应使得冷空气可通过电阻丝与蜂窝陶瓷管两级加热达到30-60℃后进入电堆，进而实现电堆在超低温环境下的无损启动与稳定运行。
11.作为进一步优选地，对于所述一级加热器(2)而言，它的电阻丝优选采用交叉布置，并且布置根数设计为5组～30组，加热功率设定为为1kw～3kw，布置间隔为3cm～10cm。
12.作为进一步优选地，对于所述二级加热器(3)而言，其优选包括氢气分布单元(3_1)和蜂窝陶瓷催化器(3_2)，其中该氢气分布单元(3_1)的底部用于导入来流氢气，并且它的两侧采用孔隙网状结构，由此使得供气风扇(1)鼓入的空气以及来流氢气得以均匀分布并进入所述蜂窝陶瓷催化器(3_2)中；该蜂窝陶瓷催化器(3_2)设置有多个蜂窝管状通气孔，并且在这些蜂窝管状通气孔孔壁上涂布有催化剂。
13.作为进一步优选地，对于所述二级加热器(3)的蜂窝陶瓷催化器(3_2)而言，它的载体结构孔密度优选设计为400孔/平方英寸～700孔/平方英寸，进一步优选设计为600孔/平方英寸。
14.作为进一步优选地，上述装置依照如下的多种工况之一进行操作：
15.第一工况，当环境温度t处于-40℃≤t＜-20℃时，开放电堆本体(4)预热到5℃～10℃，打开所述第二电磁阀(9)、第一电磁阀(10)将氢气同时通入电堆本体(4)和所述二级加热器(3)中，并保持出口所述第三电磁阀(8)和所述第四电磁阀(7)关闭，此时电堆依靠所述一级加热器(2)和所述二级加热器(3)来两级加热阴极来流空气；接着电堆本体(4)保持阳极闭口运行，所述一级加热器(2)供电切换为电堆供电加热来流空气；
16.而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀(8)进行阳极脉排，由该第三电磁阀(8)脉排出的氢气汇入由所述第二电磁阀(9)的来流氢气，然后进入所述二级加热器(3)内部为空气来流二次加热。
17.作为进一步优选地，上述装置按照如下的多种工况之一进行操作：
18.第二工况，当环境温度t处于-20℃≤t＜-10℃时，电堆本体(4)预热到5℃～10℃，打开所述第一电磁阀(10)且关闭所述第二电磁阀(9)，氢气仅通入电堆本体(4)，同时保持所述第三电磁阀(8)和所述第四电磁阀(7)关闭，此时电堆本体(4)仅依靠所述一级加热器(2)加热阴极来流空气；接着电堆本体(4)采用阳极闭口运行，所述一级加热器(2)供电切换为电堆供电；
19.而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀(8)使电堆排出氢气进入所述二级加热器(3)内部为来流空气间歇二次加热。
20.作为进一步优选地，上述装置按照如下的多种工况之一进行操作：
21.第三工况，当环境温度t处于-10℃≤t＜0℃时，此时可关闭所述一级加热器(2)的电源，并采用电堆阳极脉排氢气在所述二级加热器(3)中为电堆本体(4)间歇性加热来流空气。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
23.1、本发明通过对两级复合辅助冷启动启动装置整体的构成组成重新作出改进和设计，电阻丝与蜂窝陶瓷管分级加热，相应能够充分加热开放阴极电堆阴极进气口空气温度；
24.2、尤其是，本发明可灵活选择电阻丝加热、蜂窝陶瓷管氢氧催化加热、电阻丝加热与蜂窝陶瓷管氢氧催化加热组合加热三种加热方式，可根据不同的低温环境与运行条件合理调整加热策略；
25.3、由于在蜂窝陶瓷管内发生氢氧催化反应，二次加热进入电堆的空气，对电堆不造成伤害，使电堆在超低温环境稳定无损运行。
附图说明
26.图1是按照本发明的蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置的整体结构示意图；
27.图2是按照本发明的一个优选实施例，用于具体显示两级加热器的内部结构示意图，其中对局部结构进一步作出了放大显示；
28.在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或结构，其中：
29.1-供气风扇；2-一级加热器；3-二级加热器；4-电堆本体；5-氢气进气口；6-氢气出气口；7-第四电磁阀；8-第三电磁阀；9-第二电磁阀；10-第一电磁阀；11-氢气管路；3_1-氢气分布单元；3_2-蜂窝陶瓷催化器。
具体实施方式
30.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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.图1是按照本发明的蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置的整体结
构示意图。如图1所示，该装置主要包括供气风扇1、一级加热器2、二级加热器3以及多个电磁阀也即第一电磁阀10、第二电磁阀9、第三电磁阀8和第四电磁阀7等组件，下面将对其逐一进行具体解释说明。
32.对于所述供气风扇1而言，它设置在阴极风冷燃料电池的阴极附近，用于向所述一级加热器2提供进气空气；所述一级加热器2呈电阻丝的形式，并用于对输送至此的进气空气执行一次加热；所述二级加热器3呈蜂窝陶瓷氢氧催化加热器的形式，并用于对流经所述一级加热器2的空气执行可控的二次加热；
33.参看图1，对于所述多个电磁阀而言，它们具体包括第一至第四电磁阀，其中该第一电磁阀10安装在电堆本体4的氢气进气口5的上游端，并用于接通/断开从外部氢气源输送至电堆本体4的氢气；该第二电磁阀9安装在外部氢气源与所述二级加热器3之间的氢气管路11中，并用于接通/断开从外部氢气源输送至所述二级加热器3内部的氢气；该第三电磁阀8安装在电堆本体4的氢气出气口6与所述氢气管路11之间，并用于接通/断开从阴极风冷燃料电池的阳极排放至所述二级加热器3的氢气；该第四电磁阀7安装在所述第三电磁阀8的下游端，并用于接通/断开从所述氢气出气口6排放至外部环境的氢气。
34.通过以上设计，在启动时，进气空气经过电阻丝一级加热，第一电磁阀10和第四电磁阀7关闭，第二电磁阀9和第三电磁阀8打开，氢气通入蜂窝陶瓷加热器与空气发生反应进行二次加热。两次加热后的热空气进入电堆本体4的阴极流道中，达到加热电堆的目的。
35.以此方式，通过电阻丝一级加热引入电堆的冷空气，实现开放阴极燃料电池电堆在低温环境下的无损冷启动，启动后通过陶瓷蜂窝催化加热装置对进气空气二次加热，可有效提高进入电堆阴极的空气温度，同时降低电阻丝加热功率，达到开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行。
36.按照本发明的一个优选实施例，对于所述二级加热器3而言，参看图2，其优选包括氢气分布单元3_1和蜂窝陶瓷催化器3_2，其中该氢气分布单元3_1的底部用于导入来流氢气，并且它的两侧采用孔隙网状结构，由此使得供气风扇1鼓入的空气以及来流氢气得以均匀分布并进入所述蜂窝陶瓷催化器3_2中；该蜂窝陶瓷催化器3_2设置有多个蜂窝管状通气孔，并且在这些蜂窝管状通气孔孔壁上涂布有催化剂。
37.下面将具体解释说明按照本发明的上述装置在不同工况下的运行原理及过程。
38.第一工况，当环境温度t处于-40℃≤t＜-20℃时，开放电堆本体4预热到5℃～10℃，打开所述第二电磁阀9、第一电磁阀10将氢气同时通入电堆本体4和所述二级加热器3中，并保持出口所述第三电磁阀8和所述第四电磁阀7关闭，此时电堆依靠所述一级加热器2和所述二级加热器3来两级加热阴极来流空气；接着电堆本体4保持阳极闭口运行，所述一级加热器2供电切换为电堆供电加热来流空气；而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀8进行阳极脉排，由该第三电磁阀8脉排出的氢气汇入由所述第二电磁阀9的来流氢气，然后进入所述二级加热器3内部为空气来流二次加热。
39.第二工况，当环境温度t处于-20℃≤t＜-10℃时，电堆本体4预热到5℃～10℃，打开所述第一电磁阀10且关闭所述第二电磁阀9，氢气仅通入电堆本体4，同时保持所述第三电磁阀8和所述第四电磁阀7关闭，此时电堆本体4仅依靠所述一级加热器2加热阴极来流空气；接着电堆本体4采用阳极闭口运行，所述一级加热器2供电切换为电堆供电；而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀8使电堆排出氢气进入所述二级加热器3内
部为来流空气间歇二次加热。
40.第三工况，当环境温度t处于-10℃≤t＜0℃时，此时可关闭所述一级加热器2的电源，并采用电堆阳极脉排氢气在所述二级加热器3中为电堆本体4间歇性加热来流空气。
41.综上，按照本发明的两级复合辅助冷启动装置通过引入电阻丝加热+陶瓷蜂窝催化加热的两级加热体系，同时对相关组件的具体结构及多种加热方式重新进行了设计，相应能够顺利实现开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行，同时具备结构紧凑、便于操控、适应性好等优点。
42.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。

技术特征：
1.一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，该装置包括供气风扇(1)、一级加热器(2)、二级加热器(3)以及多个电磁阀，其中：所述供气风扇(1)设置在阴极风冷燃料电池的阴极附近，用于向所述一级加热器(2)提供进气空气；所述一级加热器(2)呈电阻丝的形式，并用于对输送至此的进气空气执行一次加热；所述二级加热器(3)呈蜂窝陶瓷氢氧催化加热器的形式，并用于对流经所述一级加热器(2)的空气执行可控的二次加热；所述多个电磁阀包括第一至第四电磁阀，其中该第一电磁阀(10)安装在电堆本体(4)的氢气进气口(5)的上游端，并用于接通/断开从外部氢气源输送至电堆本体(4)的氢气；该第二电磁阀(9)安装在外部氢气源与所述二级加热器(3)之间的氢气管路(11)中，并用于接通/断开从外部氢气源输送至所述二级加热器(3)内部的氢气；该第三电磁阀(8)安装在电堆本体(4)的氢气出气口(6)与所述氢气管路(11)之间，并用于接通/断开从阴极风冷燃料电池的阳极排放至所述二级加热器(3)的氢气；该第四电磁阀(7)安装在所述第三电磁阀(8)的下游端，并用于接通/断开从所述氢气出气口(6)排放至外部环境的氢气。2.如权利要求1所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，对于所述一级加热器(2)而言，它的电阻丝优选采用交叉布置，并且布置根数设计为5组～30组，加热功率设定为为1kw～3kw，布置间隔为3cm～10cm。3.如权利要求1或2所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，对于所述二级加热器(3)而言，其优选包括氢气分布单元(3-1)和蜂窝陶瓷催化器(3-2)，其中该氢气分布单元(3-1)的底部用于导入来流氢气，并且它的两侧采用孔隙网状结构，由此使得供气风扇(1)鼓入的空气以及来流氢气得以均匀分布并进入所述蜂窝陶瓷催化器(3-2)中；该蜂窝陶瓷催化器(3-2)设置有多个蜂窝管状通气孔，并且在这些蜂窝管状通气孔孔壁上涂布有催化剂。4.如权利要求3所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，对于所述二级加热器(3)的蜂窝陶瓷催化器(3-2)而言，它的载体结构孔密度优选设计为400孔/平方英寸～700孔/平方英寸，进一步优选设计为600孔/平方英寸。5.如权利要求1-4任意一项所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，上述装置依照如下的多种工况之一进行操作：第一工况，当环境温度t处于-40℃≤t＜-20℃时，开放电堆本体(4)预热到5℃～10℃，打开所述第二电磁阀(9)、第一电磁阀(10)将氢气同时通入电堆本体(4)和所述二级加热器(3)中，并保持出口所述第三电磁阀(8)和所述第四电磁阀(7)关闭，此时电堆依靠所述一级加热器(2)和所述二级加热器(3)来两级加热阴极来流空气；接着电堆本体(4)保持阳极闭口运行，所述一级加热器(2)供电切换为电堆供电加热来流空气；而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀(8)进行阳极脉排，由该第三电磁阀(8)脉排出的氢气汇入由所述第二电磁阀(9)的来流氢气，然后进入所述二级加热器(3)内部为空气来流二次加热。6.如权利要求5所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，上述装置按照如下的多种工况之一进行操作：第二工况，当环境温度t处于-20℃≤t＜-10℃时，电堆本体(4)预热到5℃～10℃，打开所述第一电磁阀(10)且关闭所述第二电磁阀(9)，氢气仅通入电堆本体(4)，同时保持所述
第三电磁阀(8)和所述第四电磁阀(7)关闭，此时电堆本体(4)仅依靠所述一级加热器(2)加热阴极来流空气；接着电堆本体(4)采用阳极闭口运行，所述一级加热器(2)供电切换为电堆供电；而当电堆设定为定时阳极脉排模式时，打开所述第三电磁阀(8)使电堆排出氢气进入所述二级加热器(3)内部为来流空气间歇二次加热。7.如权利要求6所述的一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，其特征在于，上述装置按照如下的多种工况之一进行操作：第三工况，当环境温度t处于-10℃≤t＜0℃时，此时可关闭所述一级加热器(2)的电源，并采用电堆阳极脉排氢气在所述二级加热器(3)中为电堆本体(4)间歇性加热来流空气。

技术总结
本发明属于质子交换膜燃料电池相关技术领域，并公开了一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置，该装置包括供气风扇、一级加热器、二级加热器以及多个电磁阀，其中该供气风扇设置在阴极风冷燃料电池的阴极附近用于向一级加热器提供进气空气，该一级加热器呈电阻丝的形式，用于对进气空气执行一次加热，该二级加热器呈蜂窝陶瓷氢氧催化加热器的形式，并用于与一级加热器配合使空气实现二次加热；此外，所述多个电磁阀用于对输送至电堆本体和/或二级加热器的氢气执行不同的控制组合，由此实现不同工况的操作。通过本发明，能够顺利实现开放阴极燃料电池堆低成本无损超低温冷启动及运行，同时具备结构紧凑、便于操控、适应性好等优点。适应性好等优点。适应性好等优点。


技术研发人员：涂正凯 余纤纤
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/27