專利名稱：空氣直冷式氫電堆的冷卻氣流控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空氣直冷式氫質子交換膜燃料電池電堆的冷卻氣流控制方 法，用于直接空氣冷卻的電堆。
背景技術：
氫質子交換膜燃料電池電堆(本文簡稱氫電堆)的額定工作溫度隨著膜電
極技術的提高而提高，在電堆額定工作溫度達到10(TC以上的條件下運行，水冷 方式必須考慮對水冷系統(tǒng)壓力的處理問題，或者改換以其他液體為主的熱載體， 例如高沸點的乙二醇。但是以水和乙二醇為代表的熱載體的液冷方式，其防凍、 防腐蝕、沸點等問題中至少有一個會成為使用上的技術障礙。另外，液體作為 熱載體，除氫電堆在水中使用和/或特定使用的環(huán)境， 一般來說，仍然需要用空 氣作為氫電堆的散熱去向，特別是作為移動用途，例如氫電堆驅動的汽車，最 終還是歸結于空氣冷卻。畢竟液冷方式的電堆系統(tǒng)的體積和重量比空氣直接冷 卻方式的電堆系統(tǒng)要大。
由于電堆的額定工作溫度的提高，用于空氣直接冷卻的氣流量會迅速減低， 冷卻空氣的阻力降低速度更快，甚至超過線性。因此，隨著冷卻空氣的流量的 下降，輸送冷卻空氣的風扇功率會超過線性地下降，冷卻孔道的孔徑也可以降 低。
相對液體冷卻方式而言，空氣直接冷卻方式具有系統(tǒng)重量輕、防凍、易于 防腐和系統(tǒng)啟動快等優(yōu)點。其不利之處在于冷卻的均勻性比較差；電堆設計和 雙極板組合設計，以及冷卻空氣的流道設計等方面存在很多困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種空氣直冷式氫電堆的冷卻氣流控制方法，旨在 通過控制氫電堆上的冷卻通道的冷卻空氣流量和回風比例來達到均衡地冷卻氫 電堆。
為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種空氣直冷式氫電堆的冷卻氣流控制方法，其特征在于在所述氫電堆 系統(tǒng)中增加一個空氣阻力分布控制板和使用回風方法，對于吹入式冷卻方式， 阻力板位于風扇與氫電堆之間或氫電堆之后；對于吸入式冷卻方式，阻力板位 于氫電堆之前或氫電堆與風扇之間；其中
所述的空氣阻力分布控制板乃系具有絕緣層的金屬材料或有絕緣性能的聚 合物的蜂窩板，其上帶有蜂窩狀通孔，通孔可以是三角形、四邊形、圓形和/或 六邊形的幾何形狀；板的厚度可按下述步驟進行調整
(1) 先計算或測定風扇的風速在沒有氫電堆和/或有氫電堆條件下的氣流 截面上的分布；
(2) 在氫電堆后緊貼電堆壓上厚度均勻的阻力板原板，阻力板的開孔與氫 電堆通孔可以是一致或不一致；
(3) 在特定環(huán)境溫度和額定工況下，測定有阻力板和/或無阻力板的氫電 堆各冷卻空氣孔道的氣流溫度和/或測定阻力板上流出的冷卻空氣的溫度分布；
(4) 根據步驟(1)和步驟(3)對氣流溫度比較高的部位的阻力板進行減 薄加工；所述減薄的一面是阻力板背離氫電堆的面；
(5) 在特定環(huán)境溫度和額定工況下測定經過歩驟(4)減薄的阻力板的各 冷卻空氣孔道的氣流溫度和/或測定阻力板上流出的冷卻空氣的溫度分布；
(6) 根據步驟(5)對氣流溫度比較高的部位的阻力板再次進行減薄加工； 所述減薄加工的面仍是阻力板背離氫電堆的面；
(7) 重復步驟(5)和步驟(6)，直到測量的溫度分布比較均勻，滿足氫 電堆穩(wěn)定工作的條件；
(8) 如果阻力板原板的減薄部分已接近其全部板厚，則提高原板厚度或減 小通孔孔徑以及同時采用提高厚度和減小孔徑后繼續(xù)(2)到(7)的步驟，直 到步驟(7)的溫差條件得到滿足；
所述的回風方法乃系在氫電堆中加入冷卻空氣的回風通路，通過單獨的一 條通道和/或多條通道，并且具有截斷、開通、控制流量的控制閥片將經過氫電 堆加熱的冷卻空氣返回一部分或其全部，回到氫電堆前端，通過風扇由前端被 風扇吸入，與新的冷卻空氣混合，對氫電堆進行冷卻，溫度可以接近上述特定 溫度，防止風冷對氫電堆產生凍結；其工藝歩驟如下(O上述的回風控制依據是氫電堆排出的經過混合的冷卻空氣溫度，如果 排出冷卻空氣的溫度低于系統(tǒng)設定的溫度，則開啟回風的閥片，降低新風的進
入，待氫電堆回風溫度接近系統(tǒng)的設定溫度，再開啟新風的進入；
(2)對于低溫環(huán)境下的啟動，系統(tǒng)根據檢測的氫電堆和環(huán)境溫度，判斷氫 電堆如果出現凍結，則先使用完全的回風，同時開啟回風通路中的加熱器，當 回風溫度達到系統(tǒng)設定值，則允許氫電堆啟動發(fā)電，停止加熱。
本發(fā)明的有益效果是
有利于降低整個燃料電池系統(tǒng)的重量、體積和造價，提高了氫電堆的啟動 速度和降低了系統(tǒng)的防凍難度。


圖1是本發(fā)明在使用沒有經過厚度修正的阻力板原板時的基本結構示意圖； 圖2是對于沒有回風的情況下，在額定條件下逐步修改阻力板原板的示意
圖3是對于沒有回風的情況下，在額定條件下形成阻力板模板的示意圖4是使用已經經過厚度修正的阻力板或成品阻力板，在氫電堆非額定工 作條件下使用部分回風條件時的示意圖5是對于使用已經經過厚度修正的阻力板或成品阻力板，在氫電堆使用 全回風條件時的氫電堆示意在圖中1、冷卻風扇，2、測定混合進風溫度的熱電偶，3、氫電堆，4、 阻力板，5、測定阻力板的各個孔道出風溫度的熱電偶，6、回風入口， 7、回風 通道殼，8、回風流量控制閥片，9、回風通道，10、加熱器，11、回風出口， 12、新風控制閥片，13、阻力板減薄后的曲面，14、測定冷卻空氣出口混合溫 度的熱電偶。
具體實施例方式
如圖1至圖5所示的一種空氣直冷式氫電堆系統(tǒng)，由新風控制閥片12、測 定混合進風溫度的熱電偶2、雙極板和端板等組成的電堆3、阻力板4、測定冷 卻空氣出口混合溫度的熱電偶14、回風入口6、回風通道殼7、回風流量控制閥 片8、回風通道9、加熱器IO、回風出口ll組成。
在整個系統(tǒng)中具有空氣阻力分布控制板。對于風扇在電堆之前的吹入式冷卻方式，該阻力板位于風扇與氫電堆之間或氫電堆之后；對于風扇在氫電堆之 后的吸入式冷卻方式，該阻力板位于氫電堆之前或氫電堆與風扇之間。該阻力 板是開孔方向平行于冷卻空氣的方向的孔徑均勻或不均勻、板厚度不均勻或均 勻的蜂窩板，或者是孔徑不均勻的薄板，以及這幾種方式的混合使用。
使用具有一定厚度的、孔徑形狀相同的阻力板，采用具有均勻分布的蜂窩 狀通孔，通孔可以是三角、四邊形、圓形、六邊形等方便加工的幾何形狀。板 的厚度需要進行調整，調整的方法如下
1、 先計算或測定風扇的風速在沒有氫電堆、有氫電堆兩種條件下的風速在 氣流截面上的分布?；蛘卟贿M行本步驟。
2、 在氫電堆后緊貼電堆壓上厚度均勻的阻力板原板，阻力板的開孔與氫電 堆通孔可以是一致或不一致。阻力板必須不影響氫電堆的導電性質，與電堆接 觸點不導電，使用具有絕緣層的金屬材料或使用絕緣的聚合物制造。
3、 在特定環(huán)境溫度下，測定額定工況下，沒有加入阻力板和加入阻力板的 氫電堆后各個冷卻空氣孔道的氣流溫度。在有阻力板時，可以測定阻力板上流 出的冷卻空氣的溫度分布?？梢匀炕蜷g隔地測量全部冷卻空氣孔道。
4、 根據1和3的歩驟對氣流溫度比較高的部位的阻力板進行減薄加工。減 薄以后，氣流溫度比較高的孔道的氣流阻力下降，對應部位的冷卻空氣流量占 總流量的比例將提高，流出的冷卻空氣的溫度將降低，沒有減薄的部位的冷卻 空氣流量占總流量的比例將降低。所述減薄加工一面是阻力板背離氫電堆的面。
5、 在特定環(huán)境溫度下，測定使用經過減薄加T的阻力板在額定工況下的的
氫電堆后各個冷卻空氣孔道的氣流溫度，或者測定阻力板上流出的冷卻空氣的 溫度分布?？梢匀炕蜷g隔地測量。
6、 根據步驟5對氣流溫度比較高的部位的阻力板進行減薄加工。所述減薄
加工一面是阻力板背離氫電堆的面。
7、 重復5和6的步驟，直到測量的溫度分布比較均勻，滿足氫電堆穩(wěn)定工 作的條件，該條件由具體的氫電堆決定。例如在環(huán)境溫度2(TC，出口冷卻空氣 混合溫度為9(TC時，如果氫電堆要求的單獨冷卻空氣孔道流出的冷卻空氣之間 的溫度差最大小于10%，則溫差是7"C，則按照7"C來決定減薄加工的停止。
8、 如果阻力板原板的減薄部分已經減薄到接近完全削去該部位全部板厚，則改進阻力板原板，提高原板的厚度，或減小通孔孔徑，或同時采用提高厚度
和減小通孔孔徑的方法。然后在原來減薄數據的基礎上繼續(xù)2到7的步驟，直 到7的溫差條件得到滿足。
9、 以上述方法得到的阻力板為模板，生產實際使用的阻力板，生產方法包 括注塑、模壓、沖壓等常規(guī)方法，阻力板可以是單個整板，或者是多板的組合、 插接、層壓方式。
10、 阻力板的蜂窩孔孔徑在適當的范圍，例如在氫電堆冷卻空氣孔道孔徑 大小的1/3到2/3之間，厚度在氫電堆的冷卻通道方向長度的1/2到1/4，這要 按照氫電堆的具體結構尺寸來決定，然后調節(jié)。
為適應啟動，特別是低溫啟動和其它低于額定溫度(例如20-4(TC)下的情 況，系統(tǒng)使用回風方法解決相應問題，該回風方法如下
1、 在系統(tǒng)中加入冷卻空氣的回風通路，經過氫電堆加熱的冷卻空氣返回一 部分，或全部，回到氫電堆前端，與補充的新鮮的冷卻空氣混合，或不補充， 對氫電堆進行冷卻，可以是通過單獨的一條通道或多條通道，截面可以是任何 方便安裝的形式，包括均勻不變的和變化的截面，也可以是借用氫電堆的外殼 形式，包括四周全部構成回風和局部構成回風。并且具有截斷、開通、控制流 量的控制閥片，根據氫電堆形狀以及空間安排要求和回風通路的具體設置形式， 閥片可以具有多個，并且閥片可以安裝在任何方便安裝的部位。由于系統(tǒng)對于 氫電堆的冷卻空氣出口溫度許可一定的偏差，所以閥片的控制許可一定的偏差。 回風通過在風扇前端被風扇吸入，與新的冷卻空氣混合，溫度可以接近上述特 定溫度，例如20°C，氫電堆的冷卻空氣入口溫度可以保證在冰點以上，防止0 °C以下環(huán)境中風冷對氫電堆產生的凍結的發(fā)生。
2、 上述的回風控制依據是測定氫電堆排出的經過混合的冷卻空氣的溫度。 在氫電堆輸出電能時，風扇持續(xù)運轉，并且排出冷卻空氣，如果排出冷卻空氣 的溫度低于具體系統(tǒng)設定的溫度，例如90°C，則開啟回風的閥片，同時可以在 新風入口增設進風控制，降低新風的進入，甚至完全關閉新風的進入，待氫電 堆回風溫度接近系統(tǒng)的設定溫度，例如20°C，再開啟新風的進入。并根據環(huán)境 溫度、入口溫度和出口溫度控制新風和回風的開啟和比例，使氫電堆工作時的 冷卻空氣入口溫度和出口溫度保持在系統(tǒng)設定的范圍內，例如設定入口溫度2(TC到4(TC，出口溫度在90。C到IO(TC，具體溫度依照具體氫電堆特點設定。
3、對于低溫環(huán)境的啟動，根據系統(tǒng)檢測的氫電堆和環(huán)境溫度，自動判斷氫 電堆是否可能發(fā)生水的凍結問題。如果可能出現凍結，則先使用完全的回風， 同時開啟回風通路中的加熱器，對整個回路，包括氫電堆，進行加熱。當回風 溫度達到系統(tǒng)設定值，例如2(TC或3(TC，同時氫電堆極板或內部的燃料和氧化 劑循環(huán)溫度達到l(TC或2(rC，則允許氫電堆啟動發(fā)電，停止加熱。回風系統(tǒng)的 加熱與氫電堆具有的其他加熱措施可以并行使用。
權利要求
1. 一種空氣直冷式氫電堆的冷卻氣流控制方法，其特征在于在所述氫電堆系統(tǒng)中增加一個空氣阻力分布控制板和使用回風方法，對于吹入式冷卻方式，阻力板(4)位于風扇(1)與氫電堆(3)之間或氫電堆之后；對于吸入式冷卻方式，阻力板(4)位于氫電堆(3)之前或氫電堆與風扇之間；其中所述的空氣阻力分布控制板乃系具有絕緣層的金屬材料或絕緣的聚合物的蜂窩板，其上帶有蜂窩狀通孔，通孔可以是三角形、四邊形、圓形和/或六邊形的幾何形狀；板的厚度可按下述步驟進行調整(1.1)先計算或測定風扇的風速在沒有氫電堆和/或有氫電堆條件下的氣流截面上的分布；(1.2)在氫電堆后緊貼電堆壓上厚度均勻的阻力板原板，阻力板的開孔與氫電堆通孔可以是一致或不一致；(1.3)在特定環(huán)境溫度和額定工況下，測定有阻力板和/或無阻力板的氫電堆各冷卻空氣孔道的氣流溫度和/或測定阻力板上流出的冷卻空氣的溫度分布；(1.4)根據步驟(1.1)和步驟(1.3)對氣流溫度比較高的部位的阻力板進行減薄加工；所述減薄的一面是阻力板背離氫電堆的面；(1.5)在特定環(huán)境溫度和額定工況下測定經過步驟(1.4)減薄的阻力板的各冷卻空氣孔道的氣流溫度和/或測定阻力板上流出的冷卻空氣的溫度分布；(1.6)根據步驟(1.5)對氣流溫度比較高的部位的阻力板再次進行減薄加工；所述減薄加工的面仍是阻力板背離氫電堆的面；(1.7)重復步驟(1.5)和步驟(1.6)，直到測量的溫度分布比較均勻，滿足氫電堆穩(wěn)定工作的條件；(1.8)如果阻力板原板的減薄部分已接近其全部板厚，則提高原板厚度或減小通孔孔徑以及同時采用提高厚度和減小孔徑后繼續(xù)(1.2)到(1.7)的步驟，直到步驟(1.7)的溫差條件得到滿足；所述的回風方法乃系在氫電堆中加入冷卻空氣的回風通路(9)，通過單獨的一條通道和/或多條通道(7)，并且具有截斷、開通、控制流量的控制閥片(8)將經過氫電堆加熱的冷卻空氣返回一部分或其全部，回到氫電堆前端，通過風扇由前端被風扇吸入，與新的冷卻空氣混合，對氫電堆進行冷卻，溫度可以接近上述特定溫度，防止風冷對氫電堆產生凍結；其工藝步驟如下(1.9)上述的回風控制依據是氫電堆排出的經過混合的冷卻空氣溫度，如果排出冷卻空氣的溫度低于系統(tǒng)設定的溫度，則開啟回風的閥片，降低新風的進入，待氫電堆回風溫度接近系統(tǒng)的設定溫度，再開啟新風的進入；(1.10)對于低溫環(huán)境下的啟動，系統(tǒng)根據檢測的氫電堆和環(huán)境溫度，判斷氫電堆如果出現凍結，則先使用完全的回風，同時開啟回風通路中的加熱器，當回風溫度達到系統(tǒng)設定值，則允許氫電堆啟動發(fā)電，停止加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空氣直冷式氫電堆的冷卻氣流控制方法，其特征是在所述氫電堆系統(tǒng)中增加一個空氣阻力分布控制板和使用回風方法，所述的空氣阻力分布控制板乃系具有絕緣層的金屬材料和/或有絕緣性能的聚合物的蜂窩板，其上帶有蜂窩狀通孔，通孔可以是三角形、四邊形、圓形和/或六邊形，板的厚度可視冷卻效果通過減薄加工進行調整；所述的回風方法是指在氫電堆中加入冷卻空氣的回風通路，通過帶有控制閥片的一條通道和/或多條通道將經過氫電堆加熱的冷卻空氣返回部分或其全部，通過風扇由前端吸入，與新的冷卻空氣混合，對氫電堆進行冷卻。本發(fā)明具有可降低燃料電池系統(tǒng)的重量、體積和造價、提高氫電堆的啟動速度和降低系統(tǒng)防凍難度的優(yōu)點。
文檔編號H01M8/24GK101304096SQ20081001167
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權日2008年6月3日
發(fā)明者廉鎖原, 閔慶旺, 高世萍 申請人:大連工業(yè)大學