一种适用于极限环境下的燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种适用于极限环境下的燃料电池系统。

背景技术：

1、随着人类对于环境保护、资源与能源的可再生性、可持续性关注程度日益提高，尤其是在一些对于轻量化、长续航、大规模储能应用领域中，氢燃料电池的应用越来越普及，降本和技术迭代正在快速实现。

2、现有技术中的空冷燃料电池将阳极腔封闭，通过氢气进气通道供给燃料气体，阴极则采用开放进气的方式，通过风扇吸风的方式提供反应和散热空气，这种结构使得燃料电池功率密度较低；空气无法进行预处理，在环境污染和低温等环境中功率衰减严重；而且质子交换膜的干湿度无法保证，实际测试中发现，在长时间使用或者测试后，燃料电池堆质子交换膜频繁出现膜干或水淹现象、受到环境温度等不利因素影响较大，导致燃料电池整体效率受限。

3、同时，在一些极限环境中，如低温、缺氧、干燥、空气污染严重的应用场景中，目前的开放阴极燃料电池和闭合阴极空气燃料性能会受到严重影响，甚至不能工作。具体地，现有的开放阴极电堆在0℃以下不能工作、在低温下性能(10℃)以下表现差。其原因主要是由于需要通过风扇吸风进入堆内，部分参与与氧气的氧化还原反应，部分提供散热。在环境温度较低时，由于其结构限制，即使降低风扇转速，仅保留用于反应的空气，外界空气也会很快把电堆热量带走，从而导致堆温下降。根据测试数据，5℃的时候，电堆功率下降就很明显了，可能也就是额定功率50％-60％；在-2℃的时候，电堆开不起来，即使把风扇pwm调到最低，很快电堆内部结冰而停止运行。有鉴于此，本发明提供一种适用于极限环境下的燃料电池系统。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于极限环境下的燃料电池系统，以解决现有技术中燃料电池使用效果不佳的问题。

2、为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：

3、一种适用于极限环境下的燃料电池系统，包括燃料电池堆、电池堆加热组件、用于对燃料电池系统的氢气进气管和氧气进气管加热的余热利用组件和氧气回收组件，所述电池堆加热组件设置于燃料电池堆内，所述余热利用组件与燃料电池堆的风扇出风口、氢气进气管和氧气进气管连接，所述氧气回收组件的一端与燃料电池堆的氧气出口连接，氧气回收组件的另一端与氧气进气管连通。

4、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述余热利用组件包括罩体和导热翅片，所述罩体的一部分与燃料电池堆的风扇出风口连接，所述导热翅片置于罩体内，所述氢气进气管和氧气进气管插设于导热翅片的通孔中，所述导热翅片的通孔与穿过其中的氢气进气管、氧气进气管贴合设置。

5、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述电池堆加热组件包括用于环境温度低于设置值时给燃料电池堆加热的启动加热组和用于保持燃料电池堆温度的辅热加热组。

6、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述电池堆加热组件还包括蓄电池或电容，所述启动加热组与蓄电池或电容电连接。

7、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述辅热加热组与燃料电池堆电连接。

8、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述氧气回收组件包括氧气出气管、氧气缓冲罐和氧气循环泵，所述氧气出气管的一端与燃料电池堆的氧气出口连接，所述氧气出气管的另一端与氧气进气管连通，所述氧气缓冲罐设置于氧气出气管上，所述氧气循环泵设置于氧气出气管上，并位于氧气出气管与氧气进气管连通的一侧。

9、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述氧气缓冲罐内设置有单向阀、气液分离器和液位计，所述单向阀设置于氧气缓冲罐的进气口处，所述氧气缓冲罐的下部设置有排液管，所述排液管上设置有排水电磁阀。

10、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，还包括储氢瓶和储氧瓶，所述储氢瓶通过氢气进气管与燃料电池堆连接，所述储氧瓶通过氧气进气管与燃料电池堆连接。

11、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述储氢瓶和储氧瓶的出气口均设置有减压阀。

12、所述适用于极限环境下的燃料电池系统中，所述氢气进气管和氧气进气管上均设置有进堆电磁阀。

13、相较于现有技术，本发明提供的适用于极限环境下的燃料电池系统，由电池堆加热组件使燃料电池保持恒定温度，使燃料电池可以适用于低温环境，还利用所述余热利用组件利用燃料电池堆产生的热量对氢气进气管和氧气进气管加热利用增加氢气和氧气进入燃料电池堆中的温度，提升燃料电池堆的反应速度，还通过所述氧气回收组件将燃料电池堆运行产生的氧气尾气进行气水分离，再将分离后的氧气导至氧气进气管中，最后与纯氧一起送入燃料电池堆中，以提高氧气的利用率。

技术特征：

1.一种适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池堆、电池堆加热组件、用于对燃料电池系统的氢气进气管和氧气进气管加热的余热利用组件和氧气回收组件，所述电池堆加热组件设置于燃料电池堆内，所述余热利用组件与燃料电池堆的风扇出风口、氢气进气管和氧气进气管连接，所述氧气回收组件的一端与燃料电池堆的氧气出口连接，氧气回收组件的另一端与氧气进气管连通。

2.根据权利要求1所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述余热利用组件包括罩体和导热翅片，所述罩体的一部分与燃料电池堆的风扇出风口连接，所述导热翅片置于罩体内，所述氢气进气管和氧气进气管插设于导热翅片的通孔中，所述导热翅片的通孔与穿过其中的氢气进气管、氧气进气管贴合设置。

3.根据权利要求1所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆加热组件包括用于环境温度低于设置值时给燃料电池堆加热的启动加热组和用于保持燃料电池堆温度的辅热加热组。

4.根据权利要求3所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆加热组件还包括蓄电池或电容，所述启动加热组与蓄电池或电容电连接。

5.根据权利要求3所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述辅热加热组与燃料电池堆电连接。

6.根据权利要求1所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述氧气回收组件包括氧气出气管、氧气缓冲罐和氧气循环泵，所述氧气出气管的一端与燃料电池堆的氧气出口连接，所述氧气出气管的另一端与氧气进气管连通，所述氧气缓冲罐设置于氧气出气管上，所述氧气循环泵设置于氧气出气管上，并位于氧气出气管与氧气进气管连通的一侧。

7.根据权利要求6所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述氧气缓冲罐内设置有单向阀、气液分离器和液位计，所述单向阀设置于氧气缓冲罐的进气口处，所述氧气缓冲罐的下部设置有排液管，所述排液管上设置有排水电磁阀。

8.根据权利要求1所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，还包括储氢瓶和储氧瓶，所述储氢瓶通过氢气进气管与燃料电池堆连接，所述储氧瓶通过氧气进气管与燃料电池堆连接。

9.根据权利要求8所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述储氢瓶和储氧瓶的出气口均设置有减压阀。

10.根据权利要求8所述适用于极限环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气进气管和氧气进气管上均设置有进堆电磁阀。

技术总结
本发明公开了一种适用于极限环境下的燃料电池系统，包括燃料电池堆、电池堆加热组件、用于对燃料电池系统的氢气进气管和氧气进气管加热的余热利用组件和氧气回收组件，所述电池堆加热组件设置于燃料电池堆内，所述余热利用组件与燃料电池堆的风扇出风口、氢气进气管和氧气进气管连接，所述氧气回收组件的一端与燃料电池堆的氧气出口连接，氧气回收组件的另一端与氧气进气管连通，通过氧气回收组件将氧气尾气进行气水分离，再将分离后的氧气导至氧气进气管中，以提高气体利用效率，还利用所述余热利用组件利用燃料电池堆产生的热量对氢气进气管和氧气进气管加热利用，以减少氢气、氧气反应时间，加速电池运行。

技术研发人员：范雪波,常晨,崔炜,李京校,李林,王广华,毛宏兵,张凯,豆浩浩,李盈军
受保护的技术使用者：北京市气象探测中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17