[发明专利]一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法

说明书

本发明公开了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法，包括：进气歧管，所述进气歧管包括分别设置在电堆内部两侧的阳极气体入口流道和阴极气体入口流道；所述进气歧管外围包围设置冷却液出口流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热。本发明通过在电堆内部对氢氧进气进行多级预热，能够达到不同工况下的进气温度预热目标，不仅减少了进气在电堆外部加热所需装置与功耗，使燃料电池系统更具便携性，且通过对冷却液余热的逐级利用提高了燃料电池的总效率。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料和空气中的化学能直接转化为电能的装置，具有高效率、无噪音、无污染等优点。质子交换膜燃料电池的最佳工作温度范围为60～80℃，在此范围内燃料电池能够达到最大额定功率。

若进气不预热，电堆长时间处于温差过大的工作状态会加速电堆性能衰减，减少使用寿命。且为维持燃料电池在60～80℃以获得较高发电效率，往往在进气系统中安装加热装置对燃料电池供气进行预热，以保证进入电堆的氢气和空气温度满足电堆的工作需求，但加热装置使系统更加复杂且在进气预热过程中需要大量消耗额外功率。

燃料电池进行电化学反应过程中产生不可逆热、熵反应热、欧姆电阻热，由于电堆不断的产生热量使其温度超过60～80℃进而需对电堆进行散热，在其散热方式中，冷却液循环散热方式应用最为广泛。但燃料的化学能大量以热能形式散失，使电池的实际效率与理论效率相差甚远，因此对冷却液进行余热回收利用能提高燃料电池的总效率，但在回收过程中会需要额外装置与功耗。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆及控制方法，利用循环冷却液的余热对氢氧供气进行预热，该预热过程在电堆进气歧管及双极板内部流道内先后利用冷却液余热对进气进行加热，并在进气歧管内加装网状电阻丝调控进气温度，以保证达到不同工况下的进气温度预热目标。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆，包括：进气歧管，所述进气歧管包括分别设置在电堆内部两侧的阳极气体入口流道和阴极气体入口流道；所述进气歧管外围包围设置冷却液出口流道，形成套管式进气歧管；冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种进气多级自预热的新型燃料电池电堆的控制方法，包括：

根据工况计算阳极和阴极所需进气温度；

通过套管式进气歧管，使得冷却液余热对进气歧管内流体进行对流换热；

通过双极板内的循环冷却液对进气区域进行加热；

如果此时气体温度低于计算的进气温度，则开启电阻丝加热；否则，不开启。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在电堆内部对氢氧进气进行多级预热，能够达到不同工况下的进气温度预热目标，不仅减少了进气在电堆外部加热所需装置与功耗，使燃料电池系统更具便携性，且通过对冷却液余热的逐级利用提高了燃料电池的总效率；与传统进气预热在电堆外进气预热相比，在歧管中进气预热后直接流入双极板，避免了沿程中热量损失，实现了能量的高效利用。

(2)本发明套管式进气歧管外侧为冷却液出口流道，使冷却液与进气流体流动方向相反形成逆流式对流换热加速了换热效率的同时充分利用了冷却液余热，提高了燃料电池的总效率，且省去了冷却液余热的回收过程。