本发明专利技术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。通过本发明专利技术，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。
【技术实现步骤摘要】
一种蜂窝陶瓷管风冷燃料电池两级复合辅助冷启动装置
[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池相关
，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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术，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：
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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
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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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]第一工况，当环境温度T处于
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40℃≤T＜
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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；
[0016]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。
[0017]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：
[0018]第二工况，当环境温度T处于
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20℃≤T＜
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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)，同时保持所本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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
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1)和蜂窝陶瓷催化器(3
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2)，其中该氢气分布单元(3
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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
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2)中；该蜂窝陶瓷催化器(3
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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
...
【专利技术属性】
技术研发人员：涂正凯，余纤纤，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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