為了防止空冷燃料電池系統(tǒng)熱失控，豐田對(duì)空冷燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。專利CN115441010A空冷燃料電池系統(tǒng)如下圖所示，包括燃料電池、空氣系統(tǒng)、燃料氣體供給系統(tǒng)、控制部等；空氣入口上游區(qū)域設(shè)置有閥1、空氣出口下游設(shè)置有閥2、燃料氣體入口的上游設(shè)置有閥3、燃料氣體出口下游設(shè)置有閥4；空氣系統(tǒng)包括空氣導(dǎo)入部，空氣導(dǎo)入部將冷卻用空氣和反應(yīng)用空氣供給至燃料電池；冷卻用空氣排出流路具有氣泵或風(fēng)扇。

控制部通過溫度監(jiān)測(cè)部來獲取燃料電池的溫度，當(dāng)燃料電池溫度超過規(guī)定的閾值或者溫度上升速度超過規(guī)定的升溫速度閾值時(shí)，控制部進(jìn)行隔斷反應(yīng)用空氣并且不隔斷冷卻用空氣的操作，控制部可減小閥1、閥2、閥3、閥4的開度或者使燃料電池停止發(fā)電（可將閥1、閥2、閥3、閥4閉閥），來使燃料電池電壓快速回落，防止系統(tǒng)熱失控。此外，在燃料電池停止發(fā)電時(shí)，通過使被密封的氫系統(tǒng)中的氫摩爾數(shù)大于反應(yīng)空氣系統(tǒng)中氧摩爾數(shù)的2倍，可消耗燃料電池內(nèi)的氧，使燃料電池在富含氫的狀態(tài)下進(jìn)行密封，來抑制其劣化加劇。

上述燃料電池系統(tǒng)可獨(dú)立地控制反應(yīng)用空氣和冷卻用空氣的流量以及壓力，使得在高溫下冷卻用空氣使流量增大，反應(yīng)用空氣使流量降低，實(shí)現(xiàn)單元溫度合理化和濕度保持。該燃料電池系統(tǒng)即使反復(fù)啟停，也不易發(fā)生劣化，使得燃料電池壽命延長。

由于空冷式燃料電池與水冷式燃料電池相比，空冷式燃料電池的熱容量較小，空氣熱傳遞較差，當(dāng)發(fā)生冷卻流量降低等異常時(shí)，過度升溫風(fēng)險(xiǎn)較大；而水冷式燃料電池中，水熱傳遞效果好，燃料電池?zé)崛萘枯^大，升溫速度較慢。因此，即使發(fā)現(xiàn)空冷燃料電池異常，防止其過度升溫十分重要。

在專利CN115441006A中，豐田通過監(jiān)視不與燃料電池接觸的空氣的溫度以及燃料電池溫度之間的溫度差或者升溫速度差，來及時(shí)發(fā)現(xiàn)空冷燃料電池異常，并通過執(zhí)行相應(yīng)控制來防止其出現(xiàn)熱失控。

豐田在冷卻用空氣入口的附近配置了第一溫度取得部來獲取冷卻用空氣的溫度，通過與冷卻翅片抵接的方式配置了第二溫度取得部來獲取燃料電池的溫度。控制部通過獲取第一溫度取得部和第二溫度取得部的溫度來與相關(guān)設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)谝粶囟热〉貌颗c第二溫度取得部的溫度差大于規(guī)定的溫度閾值時(shí)或者當(dāng)?shù)谝粶囟热〉貌亢偷诙囟热〉貌康纳郎厮俣炔畲笥谝?guī)定的升溫速度閾值時(shí)，控制部可通過減小閥1、閥2、閥3、閥4的開度來使燃料電池電壓降低，從而安全地停止燃料電池的發(fā)電；或者直接使燃料電池停止發(fā)電，來防止燃料電池發(fā)生熱失控。

為了使空冷燃料電池系統(tǒng)升溫至合適溫度，需要利用發(fā)電時(shí)發(fā)生的熱量，同時(shí)使冷卻用空氣循環(huán)。在現(xiàn)有空冷燃料電池系統(tǒng)中，由于部分包含液體水、水蒸氣的反應(yīng)后空氣也在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，使得系統(tǒng)內(nèi)可能產(chǎn)生結(jié)露、積水等情況，造成燃料電池性能降低以及劣化發(fā)生。

基于此，豐田在專利CN115441011A中提出了一種高效預(yù)熱燃料電池的空冷燃料電池系統(tǒng)。其中，反應(yīng)用空氣排出流路直接與系統(tǒng)外部連接，冷卻用空氣可在容納部內(nèi)循環(huán)，同時(shí)控制部可以根據(jù)外部氣溫或者內(nèi)部排出空氣溫度大小來控制排氣口開閉部的開度，來使燃料電池快速預(yù)熱。

空冷燃料電池系統(tǒng)如上圖所示，燃料電池系統(tǒng)包括容納部，容納部內(nèi)設(shè)置有燃料電池、反應(yīng)氣體供給系統(tǒng)以及冷卻空氣循環(huán)流路，其中排氣口具有開閉部；該系統(tǒng)設(shè)置有外部氣溫傳感器T1以及用以測(cè)量冷卻用空氣排出空氣溫度的溫度取得部T2。

當(dāng)控制部判斷內(nèi)部空氣溫度低于第1溫度閾值時(shí)，控制部使開閉部開度在0-5%來使冷卻用空氣在容納部內(nèi)循環(huán)（循環(huán)模式），促使燃料電池升溫；當(dāng)內(nèi)部空氣溫度大于第1溫度閾值、小于第2溫度閾值時(shí)，控制部使開閉部開度在5%-90%來使一部分冷卻用空氣在容納部內(nèi)循環(huán)（中間模式）；當(dāng)內(nèi)部空氣溫度在第2溫度閾值以上時(shí)，控制部使開閉部開度在90%-100%來使冷卻用空氣從容納部排出（一次性模式），促進(jìn)熱量排放。第1溫度閾值和第二溫度閾值可以根據(jù)燃料電池的發(fā)電狀態(tài)、性能而隨時(shí)變動(dòng)。

控制部也可以在外部氣溫低于基準(zhǔn)值的情況下，執(zhí)行循環(huán)模式；在外部氣溫為基準(zhǔn)值范圍的情況下，執(zhí)行中間模式；在外部氣溫高于基準(zhǔn)值的情況下，執(zhí)行一次性模式。

No.4

專利CN115441001A

在空冷式燃料電池中，為了使冷卻用空氣流路熱傳遞提高、壓損減小，使用了較寬槽間距的流路。由于隔板層疊時(shí)對(duì)置凸部的間隔變寬，使得載荷減小的區(qū)域增多，易引發(fā)燃料電池性能降低和劣化。在與隔板分開設(shè)置冷卻板而形成三片結(jié)構(gòu)的情況下亦如此。

基于此，豐田在專利CN115441001A中提出通過改進(jìn)隔板間流路的夾角、隔板與冷卻板流路之間夾角的大小關(guān)系來減少載荷消失區(qū)域，從而改善燃料電池耐久性能。空冷燃料電池如上圖所示，包括第1隔板、第2隔板、膜電極組件以及冷卻板。其中，第1隔板流路與第2隔板流路的夾角θ12為15°以上，第1隔板流路與冷卻板流路的夾角θ13、第2隔板流路與冷卻板流路的夾角θ23在40°以上（能夠減少載荷消失區(qū)域）。

通過使各槽流路在發(fā)電部的主要區(qū)域以上述角度關(guān)系交叉配置，可使反應(yīng)用空氣流路與燃料氣體流路的交叉角度較淺，反應(yīng)用空氣流路、燃料氣體流路與冷卻用空氣流路的交叉角度較深。因此，在發(fā)電區(qū)域，能夠使施加于電解質(zhì)膜、氣體擴(kuò)散層等的載荷比以往更均勻，減輕對(duì)電解質(zhì)膜、氣體擴(kuò)散層等的損傷，提高燃料電池的耐久性能。

 

 

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