一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置的制作方法

1.本发明涉及电学领域，尤其涉及风冷燃料电池，具体而言是一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种直接把氢气和空气中的氧气的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转化效率高，无污染，噪音低，安全可靠等优点，引起人们的广泛关注，在很多领域内得到大范围的应用。现有的燃料电池结构主要分为两类：阴极开放式燃料电池和阴极闭合式燃料电池。阴极闭合式燃料电池具有专门的冷却流道，水泵，散热器，冷却水箱等，系统的环境适应性和稳定性比较好，但是冷却系统极大增加了电堆结构和控制系统的复杂性，一般应用于比较大型的燃料电池系统，比如车用，备用电源等。阴极开放式燃料电池，也就是我们说的风冷燃料电池，通过特殊的结构设计，通过风扇吸入空气，不仅用作燃料电池的反应气，同时还能带走反应产生的热量，对电池进行冷却，将空气供应和系统散热合二为一，简化了系统，特别适合于便携式燃料电池和无人机等对重量比较敏感的应用。但是，这种电池阴极侧空气流的计量比一般较高，有十倍以上甚至上百倍的化学计量比的空气流通过电池得这类燃料电池受使用环境温度影响比较大，尤其在低温环境中，由于吸入了大量的较低温度的空气，导致燃料电池系统散热太多，燃料电池不能维持住适宜的工作温度。燃料电池电堆运行温度过低时，燃料电池空气测产生的水分不能及时排出阴极造成阴极水淹，导致性能下降甚至反极，甚至会造成阴极侧结冰，使得燃料电池低温下无法长时间运行。目前报道的空冷类燃料电池产品使用环境温度大多都在0
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40℃，不能满足低温环境下的使用。另外，即使在零摄氏度以上，如果室温较低的时候，比如低于10℃，风冷燃料电池电堆由于空气进气温度低，会导致电堆空气进气侧和出气侧温度不均匀，电堆温度不均匀，不仅会影响燃料电池的性能输出，更会损害燃料电池的寿命。智慧能量有限公司提交得专利wo2014/184549a1曾提到利用等离子放电风机多次改变电堆开放阴极的排出气来给电堆预热，以及cn104662722a提到利用多组风机改变电堆阴极的进气和出气，循环多次，可以给电堆预热。但是，两个专利中所提及的电堆阴极冷却空气导管被同时用来输入新鲜空气和返回预热后的循环空气，容易导致阴极侧气流不匀称，电堆内部阴极侧各处浓度相差比较大，影响电堆性能和寿命。并且为了实现该功能，需要多组风机组配合，结构很复杂，不适用于功率比较小、仅有1
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2个小风机的便携式燃料电池系统。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置，所述的这种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置要解决现有技术中风冷燃料电池在低温环境中无法长时间运行的技术问题。
4.本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置，包括一个壳体，壳体的一端设置有开口，壳体内沿所述的开口的轴向设置有一个隔板，隔板将壳体的内腔中
部分隔为进风通道和排风通道，隔板的一侧、排风通道的入口处设置有电堆，电堆的进气口与壳体的封闭端相向设置并与进风通道连通，排风通道中设置有风扇，壳体内设置有挡板，挡板位于隔板与壳体的开口之间，挡板上固定连接有转轴，转轴垂直于壳体的开口的轴向，转轴与壳体连接，转轴与壳体之间设置有转轴旋转驱动机构。
5.进一步的，所述的转轴旋转驱动机构包括控制器和电机，所述的电机与壳体相对固定设置，转轴通过传动机构与电机的输出轴连接，电机的控制端与所述的控制器的信号输出端连接，壳体外设置有温度传感器，所述的温度传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接。
6.进一步的，所述的挡板包括第一挡板和第二挡板，第一挡板和第二挡板分别设置在排风通道和进风通道中，转轴包括第一转轴和第二转轴，第一挡板和第二挡板分别与第一转轴和第二转轴固定连接。
7.进一步的，所述的转轴旋转驱动机构包括控制器、第一电机和第二电机，第一转轴通过第一传动机构与第一电机的输出轴连接，第二转轴通过第二传动机构与第二电机的输出轴连接，电机的控制端与控制器的信号输出端连接，壳体外设置有温度传感器，温度传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接。
8.或者，所述的挡板由一个大直径挡板构成，所述的大直径挡板的直径大于排风通道的直径以及进风通道的直径。
9.进一步的，所述的壳体封闭端内壁为凹弧面。
10.本发明与现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置将燃料电池自身工作中释放的热量循环利用，无需额外加热，使燃料电池可以在低温环境下维持住较高的运行温度，工作稳定，打破低温环境对风冷燃料电池的限制。进气温度较高，使得燃料电池电堆前后侧温度更均匀，可增长其使用寿命。
附图说明
11.图1为本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置中第一挡板和第二挡板平放状态示意图。
12.图2为本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置中第一挡板和第二挡板旋转后状态示意图。
13.图3为本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置中大直径挡板旋转后状态示意图。
具体实施方式
14.以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不限制于本实施例，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
15.实施例1如图1、图2和图3所示，本发明的一种提高风冷燃料电池电堆低温环境适应性的装置，包括一个壳体6，壳体6的一端设置有开口，壳体6内沿所述的开口的轴向设置有一个隔板8，隔板8将壳体6的内腔中部分隔为进风通道7和排风通道2，隔板8的一侧、排风通道2的
入口处设置有电堆4，电堆4的进气口与壳体6的封闭端相向设置并与进风通道7连通，排风通道2中设置有风扇3，壳体6内设置有挡板，挡板位于隔板8与壳体6的开口之间，挡板上固定连接有转轴，转轴垂直于壳体6的开口的轴向，转轴与壳体6连接，转轴与壳体6之间设置有转轴旋转驱动机构。
16.进一步的，所述的转轴旋转驱动机构包括控制器和电机，所述的电机与壳体6相对固定设置，转轴通过传动机构与电机的输出轴连接，电机的控制端与所述的控制器的信号输出端连接，壳体6外设置有温度传感器，所述的温度传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接。
17.进一步的，所述的挡板包括第一挡板1和第二挡板9，第一挡板1和第二挡板9分别设置在排风通道2和进风通道7中，转轴包括第一转轴和第二转轴，第一挡板1和第二挡板9分别与第一转轴和第二转轴固定连接。
18.进一步的，所述的转轴旋转驱动机构包括控制器、第一电机和第二电机，第一转轴通过第一传动机构与第一电机的输出轴连接，第二转轴通过第二传动机构与第二电机的输出轴连接，电机的控制端与控制器的信号输出端连接，壳体6外设置有温度传感器，温度传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接。
19.或者，所述的挡板由一个大直径挡板10构成，所述的大直径挡板10的直径大于排风通道2的直径以及进风通道7的直径。
20.进一步的，所述的壳体6封闭端内壁为凹弧面5。
21.具体的，本实施例的中的风扇3、电堆4、控制器、电机、传动机构、温度传感器等均采用现有技术中的公知方案，本领域技术人员均已了解，在此不再赘述。
22.本实施例的工作原理：如图1所示，本装置的进风通道7和出风通道2隔离开，当环境温度很高，或者进气温度无需调整的时候，将第一挡板1和第二挡板9放平，然后空气从进风通道7进入，经过凹弧面5进入电堆4，一小部分空气氧气进入电堆4被电堆4消耗，作为反应物经过气体扩散层进入燃料电池阴极，发生电化学反应，生成水，另外大部分空气经过热交换，将燃料电池电堆4中产生的废热带出来，可带走电堆4的热量，然后通过风扇3从排风通道2排出。
23.如图2所示，在低温环境中，当燃料电池成功低温启动以后，调整第一挡板1的角度，可以调整排风通道2的开口比例，调整第二挡板9的角度，可以调整进风通道7的开口比例，电堆4排出的一部分或全部热风被第一挡板1改变方向，进入燃料电池的进风通道7，并在进风通道7里和进入的新鲜空气汇合，实现氧气的补给，然后再被吸入电堆4。通过调整第一挡板1和第二挡板9的位置，可以实现新鲜空气进气和电堆4排出热风的混合比例，从而控制电堆4进气的温度，实现电堆4低温环境下的正常运行，并且一直有新鲜空气不停的补充进入电堆4进气中，可避免少量空气在燃料电池内部的多次循环导致氧气浓度太低，以满足不同的功率输出。当然，不同的电堆4、不同的功率输出、以及不同的环境温度，热风和冷风的混合比例需求会不同，第一挡板1和第二挡板9的转动角度不同，进风通道7或排风通道2开口比例也会不同，要根据实际情况来调整。风冷燃料电池电堆4工作温度一般都在40
o
c
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65
o
c，不同的功率电流输出下，燃料电池电堆4适宜工作温度会略有不同，但整体工作温度在40
‑
75
o
c 范围内。
24.另外，如图3所示，只设置大直径挡板10，通过调整大直径挡板10的角度，也可以实
现进入气和排出气在进风通道7中混合，也在本发明保护内容之内。
25.本发明还可以通过温度传感器监测运行环境的温度，控制器根据温度传感器提供的温度，并通过第一电机、第二电机和第三电机分别智能调整第一挡板1、第二挡板9和大直径挡板10的角度。电堆排气控制阀和排气管可以排布在进风通道7里，避免低温环境使用时结冰堵塞。
26.本发明在不同参数和环境中的运行结果如下：在
‑
40
o
c 环境时，调节第二挡板9位置，使排风通道2开口面积占比排风通道2整体面积20%，其余热风经过第二挡板9阻挡进入进风通道7，进风通道7开口占比也为20%，电堆4运行时温度为65
o
c左右，电堆4输出100w，电堆4进气温度可以保持在40
o
c 左右，连续运行20小时，电堆4内部温度均匀，输出稳定，性能无下降。
27.在
‑
20
o
c 环境时，调节第二挡板9位置，使排风通道2开口面积占比排风通道2整体面积30%，其余热风经过阻挡进入进风通道7，进风通道7开口占比为30%，电堆4运行时温度为55
o
c左右，电堆4输出80w，电堆4进气温度可以保持在35
o
c左右，连续运行24小时，电堆4内部温度均匀，输出稳定，性能无下降。
28.在室温5
o
c环境时，调节第二挡板9位置，使排风通道2开口面积占比50%，其余热风经过阻挡进入进风通道7，进风通道7开口占比为30%，电堆4运行时温度为55
o
c左右，电堆4输出80w，电堆4进气温度可以保持在30
o
c 左右，连续运行10小时，电堆4内部温度均匀，输出稳定，性能相比于第二挡板9和进风通道7挡板均放平时提高20%。
29.在在
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20
o
c 环境时，调节第二挡板9位置，使排风通道2开口面积占比排风通道2整体面积30%，进风通道7开口占比同样为30%，电堆4运行时温度为65
o
c左右，电堆4输出100w，电堆4进气温度可以保持在35
o
c左右，连续运行24小时，电堆4内部温度均匀，输出稳定，性能无下降。
30.应当理解的是，本发明不仅仅适用于低温环境中，对任何根据上述说明加以改进用于改变电堆4进气温度或者平稳电堆4内部温度的应用，都属于本发明所附权利要求的保护范围。此外，利用电堆4排出的热气和进入的空气混合来改变进气温度的应用，即使混合位置和混合方式不同，也应属于本发明所附权利要求的保护范围。