CN108288716A - 一种用于燃料电池加湿的热交换器和加湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池加湿的热交换器和使用该热交换器的加湿系统，热交换器包括壳体、冷空气入口、热空气出口、阴极入口、阴极出口、隔离层和设置在壳体内腔并与壳体的上端面垂直设置的多个散热片，冷空气入口和热空气出口设置在壳体的一侧，阴极入口和阴极出口设置在壳体的另一侧，散热片的截面呈波浪状，相邻两个散热片的波峰面相互抵靠，隔离层嵌在多个散热片上并把壳体内腔分成上腔室和下腔室，热空气出口和阴极出口分别与上腔室的位置对应，冷空气入口和阴极入口分别与下腔室的位置对应，冷空气入口和热空气出口与壳体之间设置有腔体，腔体的底部安装有进排水口。热交换器的结构简单紧凑，波浪状散热片具有高导热性能且能量损耗小。

Description

一种用于燃料电池加湿的热交换器和加湿系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池加湿的热交换器和使用该热交换器的加湿系统。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。燃料电池的核心部件是膜电极，膜电极一般由聚合物膜、催化剂层和气体扩散层组成，其中，聚合物膜的主要作用是传导质子、隔绝反应气体，由于质子的传导一般是以水合质子的形式进行，所以在燃料电池运行过程中，保持聚合物膜的湿度显得十分重要。一方面，如果聚合物膜的湿度不够，将会降低质子的传导率，从而影响燃料电池的性能，严重时还会引起膜脱水，造成膜收缩、穿孔，降低膜的使用寿命。另一方面，如果聚合物膜的湿度较大，将会引发膜电极水淹，阻碍反应气体的传输，从而降低燃料电池的性能。因此，保持聚合物膜的合适湿度对于提高燃料电池的性能和寿命是十分重要的。

目前，一般采用对阴极空气进行加湿的方法来保持膜的湿度，加湿方法分为内加湿和外加湿。内加湿，就是在电堆内部增加加湿段对反应气体进行增湿，它依靠膜的阻气特性与水在膜内的浓度扩散来实现。外加湿，就是在电堆外引入一个能够产生液态水或水蒸气的元件，使水与反应气体一起进入电堆。外加湿可分为增温加湿、液态水喷射加湿和蒸汽注射加湿。增温加湿是通过在一定的温度下将水转化成水蒸气，与反应气体一起进入电堆，优点是结构简单，操作方便，缺点是耗能较大，且加湿过程的动态响应慢。液态水喷射加湿是直接将液态水喷入气体流道中，水喷入后形成雾状，在遇到电堆产生的热量时，水雾就会迅速蒸发，同时还能冷却电堆，结构简单，加湿效率高，缺点是难以形成稳定密集的水雾，且动态响应较慢。蒸汽注射加湿是通过附加在导流通道上的多孔基板向反应气体中连续注入水蒸气进行加湿，优点是加湿的连续性，缺点是结构复杂，制备难度加大。

现有加湿技术大多集中在利用膜加湿器进行加湿，它的原理是在膜的一侧通入湿热气体(一般是电堆排放的尾气)，另一侧通入需要干燥的反应气体，利用膜两侧的湿度梯度为驱动力产生水分交换来实现对反应气体的加湿。这种技术的优点是设备安装简单，加湿效率高，缺点是加湿量不能任意调节，成本高，特别是在快速启动和大功率运行时，由于废气中的热量和水分供应不足，容易造成加湿无效。

授权公告号为CN201146217Y的一种氢燃料电池全自动加湿和水管理系统，采用在超声波雾化箱中安装集成化超声波雾化器来对电堆进行加湿，并通过电堆、冷凝器、冷却风机、水位传感器、温湿度传感器、控制组件、水箱、循环水泵等组成的回路来实现电池的全自动加湿，优点是能耗小、体积小且使用寿命长，但是存在以下缺点：1、没有考虑雾化器的起雾高度，一般为5至9厘米，所以加湿效率有限；2、该技术是采用空气鼓入泵将水雾与空气一起吸入电堆，这就要求泵具有防水功能，增加泵的技术成本投入；3、加湿回路比较复杂；4.没有有效的热管理，为了得到冷凝水，尾气的热量全被浪费掉，没有热回收，且电堆入口端冷空气没有得到有效加热，影响燃料电池发电效率；5、没有考虑在零度下雾化器结冰的问题。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种结构简单紧凑、高导热性能、制造成本底、能量损耗小且用于燃料电池加湿的热交换器。

本发明的第二目的是提供一种使用上述热交换器的加湿系统。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种用于燃料电池加湿的热交换器，包括壳体、冷空气入口、热空气出口、阴极入口以及阴极出口，冷空气入口和热空气出口设置在壳体的一侧，阴极入口和阴极出口设置在壳体的另一侧，热交换器还包括隔离层和设置在壳体内腔的多个散热片，散热片的截面呈波浪状，相邻两个散热片的波峰面相互抵靠，散热片与壳体的上端面垂直设置，隔离层嵌在多个散热片上并把壳体内腔分成上腔室和下腔室，热空气出口和阴极出口分别与上腔室的位置对应，冷空气入口和阴极入口分别与下腔室的位置对应，冷空气入口和热空气出口与壳体的一侧之间设置有一腔体，腔体的底部安装有进排水口。

更进一步的方案是，热交换器还包括第一吸水棉，第一吸水棉位于腔体内，第一吸水棉具有凹槽、肩部、弧形部、平面部以及多个开槽，平面部位于冷空气入口和热空气出口之间的腔体的侧壁上，肩部抵接在散热片的端面，弧形部朝向上腔室设置，凹槽朝向下腔室设置，多个开槽并排地设置在冷空气入口处。

更进一步的方案是，热交换器还包括液态水过滤网，液态水过滤网位于凹槽内并抵接在散热片的端面。

更进一步的方案是，热交换器还包括水槽，水槽位于第一吸水棉的下方并呈漏斗型设置，水槽的底部设置有雾化片，水槽与进排水口连通。

更进一步的方案是，热交换器还包括液位传感器，液位传感器位于水槽的上方。

更进一步的方案是，热交换器还包括控制器，控制器用于根据燃料电池的功率来调整雾化量。

更进一步的方案是，隔离层为第二吸水棉，第二吸水棉填充在多个散热片形成的缝隙间。

更进一步的方案是，散热片由铝合金制成。

由上述方案可见，壳体内腔的多个散热片与壳体的上端面垂直设置，散热片的截面呈波浪状，相邻两个散热片的波峰面相互抵靠，从而多个散热片之间可形成蜂窝状流道。波浪状散热片具有高导热性能且能量损耗小，因此，用于燃料电池加湿的热交换器的结构简单紧凑，并且制造成本底。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种加湿系统，包括风机、雾化器、冷凝槽以及热交换器，冷凝槽中具有冷凝水，热交换器包括壳体、冷空气入口、热空气出口、阴极入口以及阴极出口，冷空气入口和热空气出口设置在壳体的一侧，阴极入口和阴极出口设置在壳体的另一侧，热交换器还包括隔离层和设置在壳体内腔的多个散热片，散热片的截面呈波浪状，相邻两个散热片的波峰面相互抵靠，散热片与壳体的上端面垂直设置，隔离层嵌在多个散热片上并把壳体内腔分成上腔室和下腔室，热空气出口和阴极出口分别与上腔室的位置对应，冷空气入口和阴极入口分别与下腔室的位置对应，冷空气入口和热空气出口与壳体的一侧之间设置有一腔体，腔体的底部安装有进排水口。

更进一步的方案是，热交换器位于风机的后端，雾化器位于风机和热交换器之间，冷凝槽分别与热交换器的进排水口和雾化器连接，冷凝槽安装有排水阀。

由上述方案可见，由于热交换器使用在风机的后端，可以不用考虑风机的防水问题，降低了风机的成本。冷凝槽安装有排水阀，一旦温度在零度以下，加湿系统关机后开启排水阀，可防止雾化器结冰。加湿系统的结构简单紧凑，降低了制造成本和能量损耗。

附图说明

图1为本发明加湿系统实施例的结构示意图。

图2为本发明热交换器实施例的第一视角结构图。

图3为本发明热交换器实施例的第二视角结构图。

图4为本发明热交换器实施例的主视图。

图5为本发明热交换器实施例的仰视图。

图6为本发明热交换器实施例的俯视图。

图7为图6在A-A处的剖视图。

图8为本发明热交换器实施例的局部图。

图9为本发明热交换器实施例中第一吸水棉的结构图。

具体实施方式

参见图1，加湿系统包括风机、雾化器、冷凝槽以及热交换器，冷凝槽中具有冷凝水，热交换器位于风机的后端，雾化器位于风机和热交换器之间，冷凝槽分别与热交换器的进排水口和雾化器连接，冷凝槽安装有排水阀，一旦温度在零度以下，加湿系统关机后开启排水阀，可防止雾化器结冰。本实施例加湿系统适用于风冷和水冷燃料电池的电堆，利用一套简单的热交换器将电堆尾气里的余热传导给进气(冷空气)，同时回收尾气里的冷凝水，通过水的超声雾化器对进气进行加湿以满足燃料电池的膜电极的湿度需求，并且可以通过对雾化器功率的调节达到最佳湿度要求。

参见图2至图9，热交换器1包括壳体2、冷空气入口5、热空气出口6、阴极入口3、阴极出口4、第一吸水棉10、液态水过滤网13、水槽11、液位传感器(未标示)、控制器15、隔离层14和设置在壳体2内腔的多个散热片9，冷空气入口5和热空气出口6设置在壳体2的一侧，阴极入口3和阴极出口4设置在壳体2的另一侧。散热片9的截面呈波浪状，相邻两个散热片9的波峰面相互抵靠，散热片9与壳体2的上端面21垂直设置，本实施例散热片9由铝合金制成。隔离层14嵌在多个散热片9上并把壳体2内腔分成上腔室22和下腔室23，热空气出口6和阴极出口4分别与上腔室22的位置对应，冷空气入口5和阴极入口3分别与下腔室23的位置对应。本实施例隔离层14为第二吸水棉，第二吸水棉填充在多个散热片9形成的蜂窝状流道间。

冷空气入口5和热空气出口6与壳体2的一侧之间设置有一腔体，腔体的底部安装有进排水口7，第一吸水棉10位于腔体内。第一吸水棉10具有凹槽104、肩部103、弧形部102、平面部101以及多个开槽105，平面部101位于冷空气入口5和热空气出口6之间的腔体的侧壁上，肩部103抵接在散热片9的端面，弧形部102朝向上腔室22设置，凹槽104朝向下腔室23设置，多个开槽105并排地设置在冷空气入口5处，开槽105与冷空气入口5之间形成冷空气加湿腔，弧形部102、热空气出口6以及散热片9的端面之间形成脱水废气腔12。本实施例开槽105的数量为四个，相邻两个开槽105之间的距离相等。液态水过滤网13位于凹槽104内并抵接在散热片9的端面，水槽11位于第一吸水棉10的下方并呈漏斗型设置，水槽的底部设置有雾化片，水槽11与进排水口7连通。液位传感器位于冷空气入口5内，控制器15位于壳体2的下方且邻接阴极入口3，控制器15用于根据燃料电池的功率来调整雾化量。其中，第一吸水棉10和第二吸水棉由透水隔气材料制成。

本实施例用于燃料电池加湿的热交换器1的结构简单紧凑，散热片9具有高导热性能且能量损耗小，并且制造成本底。

加湿系统利用热交换器1的铝合金散热片9的高导热性能、热交换原理、毛细现象、重力作用及水的超声雾化原理而设计。由于波浪状散热片9有很强的热传导能力，隔离层14把壳体2内腔分成上腔室22和下腔室23，上腔室22为热空气进气流道，下腔室23为冷空气进气流道。上腔室22的热空气与下腔室23的冷空气进行热交换后会很快降温并析出液态水，液态水一边沿着多个散热片9之间形成的蜂窝状流道向出口方向流动，一边在重力的作用下整体呈抛物线向下流动。在热空气出口6的位置，大量水集中在脱水废气腔12的中下段，当第一吸水棉10饱和后多出的水便流进水槽11，当水面高于雾化片1至2厘米时，雾化器开始工作，通过控制器15根据燃料电池的电堆功率来调整雾化器的雾化量。空气在风机的作用下通过冷空气入口5进入，由于处于雾化最佳高度，空气在充分加湿后透过液态水过滤网13进入多个散热片9之间形成的蜂窝状流道中。此时，由热交换器1对加湿冷空气其进行加热。考虑到雾化器在大功率时有液态水产生，所以在蜂窝状流道前段增加第一吸水棉10，从而避免大量液体水被风机直接吹进流道造成电堆水淹。

本实施例加湿系统的结构紧凑、简单，降低了制造成本和能量损耗。由于热交换器1使用在风机的后端，可以不用考虑风机的防水问题，降低了风机的成本。通过控制器15可调节雾化功率，满足不同功率下的加湿要求，既可以避免加湿不足，也可以避免加湿过度造成水淹，达到功率与湿度要求最佳比例，大大提升燃料电池的工作性能。热交换器1的冷空气入口5内设有液位传感器，防止热交换器1干烧，提高安全性。冷凝槽安装有排水阀，一旦温度在零度以下，加湿系统关机后开启排水阀，可防止雾化器结冰。

以上实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池加湿的热交换器，包括壳体、冷空气入口、热空气出口、阴极入口以及阴极出口，所述冷空气入口和所述热空气出口设置在所述壳体的一侧，所述阴极入口和所述阴极出口设置在所述壳体的另一侧，其特征在于：

所述热交换器还包括隔离层和设置在所述壳体内腔的多个散热片，所述散热片的截面呈波浪状，相邻两个所述散热片的波峰面相互抵靠，所述散热片与所述壳体的上端面垂直设置；

所述隔离层嵌在多个所述散热片上并把所述壳体内腔分成上腔室和下腔室，所述热空气出口和所述阴极出口分别与所述上腔室的位置对应，所述冷空气入口和所述阴极入口分别与所述下腔室的位置对应；

所述冷空气入口和所述热空气出口与所述壳体的一侧之间设置有一腔体，所述腔体的底部安装有进排水口。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述热交换器还包括第一吸水棉，所述第一吸水棉位于所述腔体内；

所述第一吸水棉具有凹槽、肩部、弧形部、平面部以及多个开槽，所述平面部位于所述冷空气入口和所述热空气出口之间的所述腔体的侧壁上，所述肩部抵接在所述散热片的端面；

所述弧形部朝向所述上腔室设置，所述凹槽朝向所述下腔室设置，多个所述开槽并排地设置在所述冷空气入口处。

3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述热交换器还包括液态水过滤网，所述液态水过滤网位于所述凹槽内并抵接在所述散热片的端面。

4.根据权利要求3所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述热交换器还包括水槽，所述水槽位于所述第一吸水棉的下方并呈漏斗型设置，所述水槽的底部设置有雾化片，所述水槽与所述进排水口连通。

5.根据权利要求4所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述热交换器还包括液位传感器，所述液位传感器位于所述水槽的上方。

6.根据权利要求5所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述热交换器还包括控制器，所述控制器用于根据所述燃料电池的功率来调整雾化量。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述隔离层为第二吸水棉，所述第二吸水棉填充在多个所述散热片形成的缝隙间。

8.根据权利要求7所述的一种用于燃料电池加湿的热交换器，其特征在于：

所述散热片由铝合金制成。

9.加湿系统，包括风机、雾化器、冷凝槽以及热交换器，所述冷凝槽中具有冷凝水，其特征在于：

所述热交换器为上述权利要求1至8任一项中的热交换器。

10.根据权利要求9所述的加湿系统，其特征在于：

所述热交换器位于所述风机的后端，所述雾化器位于所述风机和所述热交换器之间，所述冷凝槽分别与所述热交换器的进排水口和所述雾化器连接，所述冷凝槽安装有排水阀。