[发明专利]空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空气直冷式氢质子交换膜燃料电池电堆的冷却气流控制方法，用于直接空气冷却的电堆。

背景技术

氢质子交换膜燃料电池电堆(本文简称氢电堆)的额定工作温度随着膜电极技术的提高而提高，在电堆额定工作温度达到100℃以上的条件下运行，水冷方式必须考虑对水冷系统压力的处理问题，或者改换以其他液体为主的热载体，例如高沸点的乙二醇。但是以水和乙二醇为代表的热载体的液冷方式，其防冻、防腐蚀、沸点等问题中至少有一个会成为使用上的技术障碍。另外，液体作为热载体，除氢电堆在水中使用和/或特定使用的环境，一般来说，仍然需要用空气作为氢电堆的散热去向，特别是作为移动用途，例如氢电堆驱动的汽车，最终还是归结于空气冷却。毕竟液冷方式的电堆系统的体积和重量比空气直接冷却方式的电堆系统要大。

由于电堆的额定工作温度的提高，用于空气直接冷却的气流量会迅速减低，冷却空气的阻力降低速度更快，甚至超过线性。因此，随着冷却空气的流量的下降，输送冷却空气的风扇功率会超过线性地下降，冷却孔道的孔径也可以降低。

相对液体冷却方式而言，空气直接冷却方式具有系统重量轻、防冻、易于防腐和系统启动快等优点。其不利之处在于冷却的均匀性比较差；电堆设计和双极板组合设计，以及冷却空气的流道设计等方面存在很多困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，旨在通过控制氢电堆上的冷却通道的冷却空气流量和回风比例来达到均衡地冷却氢电堆。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，其特征在于：在所述氢电堆系统中增加一个空气阻力分布控制板和使用回风方法，对于吹入式冷却方式，阻力板位于风扇与氢电堆之间或氢电堆之后；对于吸入式冷却方式，阻力板位于氢电堆之前或氢电堆与风扇之间；其中：

所述的空气阻力分布控制板乃系具有绝缘层的金属材料或有绝缘性能的聚合物的蜂窝板，其上带有蜂窝状通孔，通孔可以是三角形、四边形、圆形和/或六边形的几何形状；板的厚度可按下述步骤进行调整：

(1)先计算或测定风扇的风速在没有氢电堆和/或有氢电堆条件下的气流截面上的分布；

(2)在氢电堆后紧贴电堆压上厚度均匀的阻力板原板，阻力板的开孔与氢电堆通孔可以是一致或不一致；

(3)在特定环境温度和额定工况下，测定有阻力板和/或无阻力板的氢电堆各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；

(4)根据步骤(1)和步骤(3)对气流温度比较高的部位的阻力板进行减薄加工；所述减薄的一面是阻力板背离氢电堆的面；

(5)在特定环境温度和额定工况下测定经过步骤(4)减薄的阻力板的各冷却空气孔道的气流温度和/或测定阻力板上流出的冷却空气的温度分布；

(6)根据步骤(5)对气流温度比较高的部位的阻力板再次进行减薄加工；所述减薄加工的面仍是阻力板背离氢电堆的面；

(7)重复步骤(5)和步骤(6)，直到测量的温度分布比较均匀，满足氢电堆稳定工作的条件；

(8)如果阻力板原板的减薄部分已接近其全部板厚，则提高原板厚度或减小通孔孔径以及同时采用提高厚度和减小孔径后继续(2)到(7)的步骤，直到步骤(7)的温差条件得到满足；

所述的回风方法乃系在氢电堆中加入冷却空气的回风通路，通过单独的一条通道和/或多条通道，并且具有截断、开通、控制流量的控制阀片将经过氢电堆加热的冷却空气返回一部分或其全部，回到氢电堆前端，通过风扇由前端被风扇吸入，与新的冷却空气混合，对氢电堆进行冷却，温度可以接近上述特定温度，防止风冷对氢电堆产生冻结；其工艺步骤如下：

(1)上述的回风控制依据是氢电堆排出的经过混合的冷却空气温度，如果排出冷却空气的温度低于系统设定的温度，则开启回风的阀片，降低新风的进入，待氢电堆回风温度接近系统的设定温度，再开启新风的进入；

(2)对于低温环境下的启动，系统根据检测的氢电堆和环境温度，判断氢电堆如果出现冻结，则先使用完全的回风，同时开启回风通路中的加热器，当回风温度达到系统设定值，则允许氢电堆启动发电，停止加热。

本发明的有益效果是：

有利于降低整个燃料电池系统的重量、体积和造价，提高了氢电堆的启动速度和降低了系统的防冻难度。

附图说明

图1是本发明在使用没有经过厚度修正的阻力板原板时的基本结构示意图；

图2是对于没有回风的情况下，在额定条件下逐步修改阻力板原板的示意图；