一种具有加热辅助功能的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种具有加热辅助功能的燃料电池，属于氢氧燃料电池领域。

背景技术

现有的氢燃料电池存在如下的问题：在零下温度启动过程中反应生成的水会在燃料电池内部结冰，覆盖催化剂表面，降低电化学活性面积，影响燃料电池性能，甚至会导致启动失败。低温状态下，动力电池放电性能差，且电加热器基本为非线性控制，易导致电加热器超过动力电池低温提供性能，导致动力电池损伤。当前燃料电池低温启动方案多为采用大功率电加热冷却液的方式实现，不仅效果差，还浪费能源、增加成本。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种具有加热辅助功能的燃料电池，不仅能够处理燃料电池产生的尾气，降低安全风险，还能够产生热量输送给燃料电池电堆，解决了低温状态下，动力电池放电性能差，且电加热器基本为非线性控制，易导致电加热器超过动力电池低温提供性能，导致动力电池损伤等问题。

为了实现以上发明目的，本发明提出了一种具有加热辅助功能的燃料电池，包括：

燃料电池电堆，所述燃料电池电堆将氢气和氧气的化学能转化为电能；

连接所述燃料电池电堆的氢气回路，所述氢气回路为燃料电池电堆提供氢气；

连接所述燃料电池电堆的空气回路，所述空气回路为燃料电池电堆提供氧气；

连接所述燃料电池电堆的散热回路，散热回路为所述燃料电池电堆提供冷却水；以及

加热辅助装置，所述加热辅助装置处理燃料电池电堆反应的氢气尾气和空气尾气，并为所述燃料电池电堆提供热量。

本发明的进一步改进在于，所述加热辅助装置包括氢空混排管路，所述氢空混排管路的入口端设置有氢气尾气入口和空气尾气入口；所述氢气尾气入口连接所述氢气回路的出口端，并接收氢气回路输出的氢气尾气；所述空气尾气入口连接所述空气回路的出口端，并接收空气回路输出的空气尾气；所述氢空混排管路将氢气尾气和空气尾气混合后，通过混合尾气出口排出。

本发明的进一步改进在于，所述氢气尾气入口设置有氢气尾气处理装置，所述氢气尾气处理装置构造成将氢气尾气中的氢气组分分离并燃烧分解；其中，氢气燃烧分解的热量传递至燃料电池电堆。

本发明的进一步改进在于，所述氢气尾气处理装置包括接入氢气尾气的气水分离装置，其将氢气尾气中的气体和液体分离；分离后的气体进入到氢气提纯装置，所述氢气提纯装置将气体中的氢气分离处理；分离出来的氢气进入到氢气存储及燃烧加热装置，加热燃烧后成为水。

本发明的进一步改进在于，所述氢气尾气处理装置内设置有连接所述燃料电池电堆的热循环管道，所述热循环管道与氢气存储及燃烧加热装置并联并发生热交换，将氢气燃烧产生的热量传递至燃料电池电堆。

本发明的进一步改进在于，所述氢气回路包括高压氢气瓶，所述高压氢气瓶通过氢气管线连接燃料电池电堆的氢气入口；所述燃料电池电堆的氢气出口通过氢气尾排电磁阀连接所述氢气尾气处理装置，并通过氢气再循环装置连接氢气管线。

本发明的进一步改进在于，所述空气回路包括提供空气的空压机，所述空压机通过空气进气管线连接燃料电池电堆的空气入口；所述燃料电池电堆的空气出口通过空气出气管线连接所述氢空混排管路；

其中，所述空气进气管线上设置散热器和增湿器，所述增湿器连接有冷凝回路，所述空气出气管路上设置有冷凝器，所述冷凝器连接所述冷凝回路。

本发明的进一步改进在于，所述散热回路包括散热装置，散热装置的两端分别连接燃料电池电堆的冷却水入口和冷却水出口，散热装置连接冷却水入口的管线上设置有电子水泵。

本发明的进一步改进在于，所述热循环管道包括为所述氢气尾气处理装置提供冷却液的冷却液进管以及从所述氢气尾气处理装置排出加热后的冷却液的冷却液出管，所述冷却液出管上设置有阀门。

本发明的进一步改进在于，所述冷却液进管与所述电子水泵并联连接在所述燃料电池电堆的冷却水入口；所述冷却水出管与所述散热装置并联连接在所述燃料电池电堆的冷却水出口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种具有加热辅助功能的燃料电池，不仅能够处理燃料电池产生的尾气，降低安全风险，还能够产生热量输送给燃料电池电堆，解决了低温状态下，动力电池放电性能差，且电加热器基本为非线性控制，易导致电加热器超过动力电池低温提供性能，导致动力电池损伤等问题。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的具有加热辅助功能的燃料电池的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的加热辅助装置的结构示意图；

图3所示为本发明的一个实施例的氢气尾气处理装置的结构示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、燃料电池电堆，2、空气回路，3、氢气回路，4、散热回路，5、加热辅助装置，11、空气入口，12、空气出口，13、氢气入口，14、氢气出口，21、空压机，22、散热器，23、增湿器，24、冷凝器，31、高压氢气瓶，32、氢气管线，33、氢气尾排电磁阀，34、氢气再循环装置，35、减压阀，41、散热装置，42、电子水泵，43、冷却水补水箱，44、冷却水入口，45、冷却水出口，51、氢空混排管路，52、氢气尾气入口，53、空气尾气入口，54、氢气尾气处理装置，55、气水分离装置，56、氢气提纯装置，57、氢气存储及燃烧加热装置，58、热循环管道。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种具有加热辅助功能的燃料电池，其包括燃料电池电堆1，燃料电池电堆1将氢气和氧气的化学能转化为电能。其阳极端的燃料为氢气，阴极端的燃料为氧气。燃料电池电堆1上连接有氢气回路3，氢气回路3向所述燃料电池电堆1提供氢气，为电池内的化学反应提供氢气燃料。燃料电池电堆1还包括空气回路2，空气回路2向燃料电池电堆1提供空气，为电池内的化学反应提供氧气。燃料电池电堆1还包括散热回路4，散热回路4为所述燃料电池电堆1提供冷却水，冷却水循环流动带走燃料电池电堆1内反应的热量，使燃料电池电堆1温度始终保持在正常的温度状态。所述具有加热辅助功能的燃料电池还包括加热辅助装置5，所述加热辅助装置5能够处理燃料电池电堆1产生的尾气，并且在处理过程中产生热量，为所述燃料电池电堆1提供热量。

其中，在温度较高的状态下，所述散热回路4为所述燃料电池电堆1进行冷却；在温度较低的状态下，所述加热辅助装置5为所述燃料电池电堆1提供热量。散热回路4和加热辅助装置5配合使用，使燃料电池电堆1内的温度始终保持在合适的状态。

在一个实施例中，如图2所示，加热辅助装置5包括氢空混排管路51，氢空混排管路51有两个入口和一个出口，两个入口分别为氢气尾气入口52和空气尾气入口53。所述氢气尾气入口52连接所述氢气回路3的出口端，并接收氢气回路3输出的氢气尾气；所述空气尾气入口53连接所述空气回路2的出口端，并接收空气回路2输出的空气尾气；所述氢空混排管路51将氢气尾气和空气尾气混合后，通过混合尾气出口排出。氢空混排管路51内可以根据氢气尾气的排放量来设置流程和管道的形状，使氢气尾气和空气尾气充分混合。

在根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，氢空混排管路51的氢气尾气入口52接入氢气尾气，空气尾气入口53接入空气尾气；管路内能够混合氢气尾气和空气尾气，将氢气的浓度降低到安全浓度以下。

在一个实施例中，所述氢气尾气入口52设置有氢气尾气处理装置54，氢气尾气处理装置54在接入氢气尾气后经过一定的处理将尾气中的氢气含量减小。氢气尾气处理装置54构造成能够通过氧化(燃烧)的方式将氢气转化为对环境无害的水。其中，氢气燃烧分解的热量传递至燃料电池电堆1。

在根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，氢气尾气处理装置54能够处理氢气尾气，将氢气尾气中的氢气含量降低到一定程度。在燃烧过程中，将大部分氢气转化为水，从而保证尾气的安全，避免因为氢气含量过高引起爆炸的危险。同时，氢气燃烧过程中产生的热量能够传递到燃料电池电堆1中。在冬季时或温度较低的环境下使用，可以利用尾气中的氢气燃烧产生的热量迅速提高电堆内部温度起到辅助冷启动的过程。在正常温度下，使用该装置可以起到加速燃料电池内部温度提高到正常工作温度，加速燃料电池启动，缩短燃料电池启动时间。

在一个实施例中，如图3所示，所述氢气尾气处理装置54包括气水分离装置55、氢气提纯装置56以及氢气存储及燃烧加热装置57。气水分离装置55能够分离气体中混合的水，将水直接导入氢空混排管路51内排出。所述气水分离装置55的后端连接有氢气提纯装置56，氢气提纯装置56能够分离氢气和其他气体，将氢气输送到后端的氢气存储及燃烧加热装置57内，其他气体输送到氢空混排管路51内排出。所述氢气存储及燃烧加热装置57能够存储氢气，并在氢气存储到一定量后通过燃烧的方式氧化成水，生成的水输送到氢空混排管路51内排出。

在根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，氢气尾气处理装置54首先通过气水分离装置55分离气体和液体，再通过氢气提纯装置56提纯氢气，最后将提纯后的氢气存储及燃烧销毁。通过气液分离和提纯后，使氢气达到可以燃烧的浓度，燃烧后产生水，不会对环境造成污染。

在一个实施例中，如图3所示，所述氢气尾气处理装置54内设置有连接所述燃料电池电堆1的热循环管道58，所述热循环管道58与氢气存储及燃烧加热装置57并联并发生热交换，将氢气燃烧产生的热量传递至燃料电池电堆1。

在本实施例中，热循环管道58设置在氢气存储及燃烧加热装置57内，并且并联设置，两者之间可以发生热交换，氢气燃烧产生的热量通过热循环管道58导出，并将热量传递到燃料电池电堆1中。

在一个实施例中，如图1所示，所述氢气回路3包括高压氢气瓶31，所述高压氢气瓶31通过氢气管线32连接燃料电池电堆1的氢气入口13；所述燃料电池电堆1的氢气出口14通过氢气尾排电磁阀33连接所述氢气尾气处理装置54。氢气管线32上设置有若干减压阀35和若干电磁阀，通过减压阀35和电磁阀控制氢气管线32内氢气的流量。所述燃料电池电堆1上设置有氢气尾气排出口，氢气尾气排出口上设置有氢气尾排电磁阀33，并且所述氢气尾气排出口还通过氢气再循环装置34连接氢气管线32，使尾气中的氢气回收再利用。

根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，高压氢气瓶31用于提供电池反应过程中的氢气燃料，氢气从高压氢气瓶31出来后通过氢气管线32进入到燃料电池电堆1中，通过减压阀35和电磁阀能够控制输送氢气的流量。反应后的氢气尾气首先通过氢气再循环装置34输送会氢气管线32，剩余的气体通过氢气尾排电磁阀33输送到氢气尾气处理装置54内。

在一个实施例中，所述空气回路2包括提供空气的空压机21，所述空压机21通过空气进气管线连接燃料电池电堆1的空气入口11。所述燃料电池电堆1的空气出口通过空气出气管线连接所述氢空混排管路51。其中，所述空气进气管线上设置散热器22和增湿器23，所述增湿器23连接有冷凝回路，所述空气出气管路上设置有冷凝器24，所述冷凝器24连接所述冷凝回路。

在一个实施例中，所述散热回路4包括散热装置41，散热装置41的两端分别连接燃料电池电堆1的冷却水入口44和冷却水出口45，散热装置41连接冷却水入口44的管线上设置有电子水泵42。在所述散热回路4内还连接有冷却水补水箱43，能够为散热回路4提供冷却水，当冷却水温度上升蒸发速度加快而造成水分流失后，冷却水补水箱43能够及时补充冷却水。

通过所述散热回路4能够将燃料电池电堆1中反应产生的热量通过冷却水带出燃料电池电堆1以外。冷却水入口44和冷却水出口45之间设置散热装置41，通过散热装置41将热量散发出去。电子水泵42能够控制散热回路4的启动和停止。

在一个实施例中，所述热循环管道58包括为所述氢气尾气处理装置54提供冷却液的冷却液进管以及从所述氢气尾气处理装置54排出加热后的冷却液的冷却液出管，所述冷却液出管上设置有阀门。

在一个优选的实施例中，所述冷却液进管与所述电子水泵42并联连接在所述燃料电池电堆1的冷却水入口44；所述冷却水出管与所述散热装置41并联连接在所述燃料电池电堆1的冷却水出口45。

根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，通过热循环管道58与散热回路4并联设置的方式，既能够满足在温度低时为燃料电池电堆1进行供热，也能够满足在温度高时对燃料电池电堆1进行散热。在不同的温度环境下选择热循环管道58与散热回路4之中的一个进行工作，使燃料电池电堆1始终在合适的温度环境下。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。