CN108963298A - 电堆的热控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电堆的热控制系统，所述热控制系统包括，送料装置、氧化装置、重整装置、电堆、第一蒸发器、第二蒸发器、第一阀门开关、第二阀门开关、第三阀门开关，所述氧化装置与所述重整装置相连，且所述重整装置和所述氧化装置分别与所述电堆相连，所述第一蒸发器通过所述第一阀门开关与所述第二蒸发器相连，且所述第二蒸发器与所述电堆相连，所述送料装置通过所述第三阀门开关与所述氧化装置相连，所述送料装置通过所述第二阀门开关与所述第一蒸发器相连，且所述第一蒸发器与所述重整装置相连，通过这样的设计，能够使得对热量控制的更合理，极大地提高了生产效率。

Description

电堆的热控制系统

技术领域

本发明涉及热控制技术领域，具体涉及一种电堆的热控制系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对环境的要求也越来越高，尤其在燃料方面更是得到了持续的关注，无污染的电动设备越来越成为了社会的主流。

谈到电动设备，必然少不了电池，目前世界各国都在加大力度的研发新能源燃料电池，其中以氢燃料为主的燃料电池更是得到市场的青睐。氢燃料电池分为高温氢燃料电池和低温氢燃料电池，其中高温燃料电池电堆需要加热到一定温度才能让质子交换膜达到工作温度，这个工作温度在160～260摄氏度之间，燃料电池对温度的要求比较高，但是目前的生产技术对于热的来源和利用都不能很好的控制，不能充分利用产生的热量，导致生产效率都比较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电堆的热控制系统，更合理的分配生产过程中的热量，提高生产效率。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种电堆的热控制系统，所述热控制系统包括：送料装置、氧化装置、重整装置、电堆、第一蒸发器、第二蒸发器、第一阀门开关、第二阀门开关、第三阀门开关；

所述氧化装置与所述重整装置相连，且所述重整装置和所述氧化装置分别与所述电堆相连；

所述第一蒸发器通过所述第一阀门开关与所述第二蒸发器相连，且所述第二蒸发器与所述电堆相连；

所述送料装置通过所述第三阀门开关与所述氧化装置相连，所述送料装置通过所述第二阀门开关与所述第一蒸发器相连，且所述第一蒸发器与所述重整装置相连。

进一步地，上述所述热控制系统，还包括散热装置；

所述散热装置分别与所述第二蒸发器和所述电堆相连。

进一步地，上述所述散热装置为车载散热器。

进一步地，上述所述氧化装置、所述重整装置、所述第一蒸发器整体设置。

进一步地，上述所述氧化装置、所述重整装置、所述第二蒸发器整体设置。

进一步地，上述所述氧化装置、所述重整装置、所述第一蒸发器、所述第二蒸发器整体设置。

进一步地，上述所述热控制系统，还包括加热装置；

所述加热装置分别与所述第二蒸发器和所述电堆相连。

进一步地，上述所述加热装置填充加热介质，且所述加热装置通过PTC热敏电阻对加热介质加热。

进一步地，上述所述加热装置还设置有循环泵；

所述循环泵分别与所述电堆和所述加热装置相连，且控制所述加热介质流动。

进一步地，上述所述热控制系统，还包括鼓风机；

所述鼓风机分别与所述氧化装置和所述电堆相连。

本发明采用以上技术方案，通过设置有送料装置、氧化装置、重整装置、电堆、第一蒸发器、第二蒸发器、第一阀门开关、第二阀门开关、第三阀门开关，能够使得对整个热控制系统的预热和平衡状态的热管理做到合理分配，通过调整不同阀门开关的状态，能够利用最少的燃料达到最佳的效果，通过这些装置的分工合作，利用先进的控制体系，能够将热量的循环管理做到最合理，能有效地减少热量的流失，更充分的利用热量，提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种热控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的另一种热控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种热控制系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例的热控制系统包括：送料装置101、氧化装置103、重整装置104、电堆109、第一蒸发器105、第二蒸发器108、第一阀门开关107、第二阀门开关106、第三阀门开关102，氧化装置103与重整装置104相连，且重整装置104和氧化装置103分别与电堆109相连，第一蒸发器105通过第一阀门开关107与第二蒸发器108相连，且第二蒸发器108与电堆109相连，送料装置101通过第三阀门开关102与氧化装置103相连，送料装置101通过第二阀门开关106与第一蒸发器105相连，且第一蒸发器105与重整装置104相连。

通过设置有送料装置101、氧化装置103、重整装置104、电堆109、第一蒸发器105、第二蒸发器108、第一阀门开关107、第二阀门开关106、第三阀门开关102，能够使得对整个热控制系统的预热和平衡状态的热管理做到合理分配，通过调整不同阀门开关的状态，能够利用最少的燃料达到最佳的效果，通过这些装置的分工合作，利用先进的控制体系，能够将热量的循环管理做到最合理，能有效地减少热量的流失，更充分的利用热量，提高生产效率。

在一个具体实施过程中，以甲醇水为目标原料进行说明，在整个系统启动后，首先，对整个系统进行预热处理，主要目的是将重整装置104和电堆109预热到需要的反应温度，在整个系统启动之前，所有的阀门开关均处于关闭状态，预热时，第三阀门开关102打开，送料装置101开启通过第三阀门开关102将燃料送入氧化装置103进行燃烧，燃烧产生的高温通过管道对重整装置104进行加热，同时在对重整装置104进行加热的过程中，重整装置104中的尾气余热通过第一阀门开关107经过第二蒸发器108与加热介质进行热交换，提高加热介质的温度，然后加热介质进入电堆109对电堆109进行预热，但是为了保证整个预热的过程更快，在这个过程中通常会打开第二阀门开关106，使目标原料直接通过第一蒸发器105中的高温气体气化，然后进入重整装置104，重整以后进入氧化装置103燃烧产生的高温气体再通过管道通过第一蒸发器105，第一阀门开关107和第二蒸发器108，与加热介质进行热交换，进而对电堆109进行预热，这样使得整个预热的时间大大缩短，加快整个生产的进程，在整个预热的过程中，有一段时间是需要第二阀门开关106和第三阀门开关102同时打开，来保证加热进度。在整个预热过程完成以后所谓的完成即重整装置104和电堆109达到了各自需要的温度时，第三阀门开关102关闭，此时燃料通过第二阀门开关106经第一蒸发器105进入重整装置104反应，在催化剂的作用下转化为重整气体，然后进入电堆109反应，反应不完全的尾气，又可以通过管道进入氧化装置103做尾气燃烧处理。此时的整个系统处于平衡状态，极大限度地节省了燃料，而且整个过程对热量的控制循环利用做到了科学合理，在一定程度上提高了生产效率。

例如，第一阀门开关107、第二阀门开关106、第三阀门开关102可以选用三通电磁阀，三通电磁阀的工作原理简单，既经济且实用，可以一进二出也可以二进一出，具体情况可根据用户自己的需要选择。既能够提高控制效率还能够节约一定的成本，尤其在这种液体或气体的管道运输过程中，三通电磁阀更是能发挥良好的效果。第一蒸发器105、第二蒸发器108选用板式蒸发器，与一般的蒸发器相比，板式蒸发器传热效率高：板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，传热效率很高，一般来说，板式蒸发器的传热系数值在3000到6000w/㎡.℃范围内，这就表明，板式蒸发器只需要管壳式蒸发器面积的1/2到1/4即可达到同样蒸发效果。占地面积小，易于维护：板式蒸发器的结构极为紧凑，在蒸发量相同的条件下，所占空间仅为管式降膜蒸发器的1/3到1/4，其高度仅为管式降膜蒸发器的1/10左右，且检修只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内完全接触到换热板的表面，且拆装方便。设备换热面积可调整：每件板片的尺寸，小的可到0.03㎡，大的可达4㎡以上，每台设备的换热面积，小的可达0.5㎡，大的可达1900㎡以上，由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的传热效果和容量，只要利用蒸发器中间架，换热板部件就有多种独特的机能，这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数K值或者增加新功能的可能。热损失小：因结构紧凑和体积小，蒸发器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。压力损失少：在相同传热系数的条件下，板式蒸发器通过合理的选择流速，压力损失可控制在管式蒸发器的1/3的范围内。使用安全可靠：在板片之间的密封设备上设计了2道密封，同时还设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排除蒸发器外部，既防止了蒸汽和物料相混，又起到了安全报警的作用。真空压降小：物料汽化气体从加热面送到外置的冷凝器，存在一定的压差，在一般的蒸发器中，这种压力降通常是比较高的，有时甚至高得难于接受，而板式蒸发器有较大的气体穿越空间，蒸发器内压力能看成与冷凝器中的压力几乎相等，因此，压力降很小,真空度可达5mmHg。因为板式蒸发器具备的这些优势，在本控制装置中选用其将加热介质气化、加热，能够更好地控制热量问题，既能缩短加热时间还能保证加热效率。

进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例可以将氧化装置103、重整装置104、第一蒸发器105可以整体设置，也可以将氧化装置103、重整装置104、第二蒸发器108整体设置，还可以将氧化装置103、重整装置104、第一蒸发器105、第二蒸发器108整体设置。无论哪一种情况，都可以在一定程度上减小系统的体积，因为是热量管理，所以一起设置会使得热量的损耗减少，降低其成本，还能够快速的将其加热到所需温度，缩短加热时间，提高了生产效率。将氧化装置103、重整装置104和第一蒸发器105集成在一起，通过燃料燃烧氧化直接将其加热，能够将装置的体积缩小30％，成本降低30％，如果将其全集成在一起，这种加热方式的效率更高，启动时间更短，成本更低，能够将体积减小50％，成本降低45％，这种方式在最大程度上减小了体积，缩短了启动时间，提高了整个热控制系统的性能。

图2是本发明实施例提供的另一种热控制系统的结构示意图。

如图2所示，进一步地，本实施例加入了加热装置110，加热装置110分别与第二蒸发器108和电堆109相连，加热装置110填充加热介质，加热装置110通过PTC热敏电阻对加热介质加热，加热装置110还设置有循环泵，循环泵分别与电堆109和加热装置110相连，且循环泵控制加热介质流动。加热装置110主要目的是将加热介质加热，然后在循环泵的作用下，将加热的高温加热介质通入电堆109对电堆109进行加热。选用PTC材料对加热介质加热的原因是该材料具有热阻小，换热效率高，长期使用功率衰减低，不发红，恒温发热等一系列优点。循环泵采用金属壳体的离心泵，泵与电机分离设置，这个样可以最大化的减小高温介质对电机的影响，泵与电机的分离使得控制和组合更加地灵活，成本更低，便于大规模的批量生产。

在一个具体实施过程中，高温气体通过第一阀门开关107进入第二蒸发器108，在高温气体进入的同时，加热装置110将加热介质加热在泵的循环作用下将加热介质送至第二蒸发器108，此时高温气体与高温加热介质进行热交换，然后进入电堆109对电堆109加热，采用这种方式对电堆109加热比单独使用重整气体加热效果更明显，能在较短时间将其加热到所需温度，而且加热介质循环流动，能时刻保持电堆109的温度，循环流动还能节约成本。在一般的生产过程中，都会选择加入加热装置110，因为加热介质加热快，而且加热效率高，能够保证较高的生产效率。

进一步地，在上述实施例的基础上，还可以包括散热装置，散热装置分别与第二蒸发器108和电堆109相连，散热装置为车载散热器。散热机构的主要用途是用于生产停止或故障停机后，能快速散热。散热机构设置在第二蒸发机构108和电堆109之间，在正常预热过程中散热机构不开启，在整个预热完成后，通入燃料反应的过程中，由于电堆反应是一个放热反应，此时加热介质出口温度大于进口温度，这个时候加热装置110关闭，散热风扇开启对加热介质进行散热，进入电堆109未完全反应的重整气体通过管道进入氧化装置103进行尾气燃烧处理。本实施例中采用车载散热器的原因是因为，车载散热器是目前较为成熟的产品，散热效率高，体积小，成本低等。同时在生产的过程中如果电堆109的出口温度比进口温度高于5℃的时候，散热器开启为其散热。散热器的主要目的就是在停机后能及时对其散热，降低电堆109温度、加热介质温度和重整气体温度。

进一步地，上述实施例还包括鼓风机，鼓风机分别与氧化装置103和电堆109相连，鼓风机的主要作用是为其反应提供必要的助燃气体，一般为空气，成本低。在实际应用过程中，一般设置两台鼓风机，单独作用，这样也能保证效率，只需在装置开启时打开风机，停机时关机风机即可。

例如，系统启动后，在氧化装置103、重整装置104、第一蒸发器105整体设置的情况下，送料装置101通过第三阀门开关102进入氧化装置103燃烧产生高温对重整部分进行加热，然后同时通过第一阀门开关107进入第二蒸发器108与加热介质进行热交换，加热介质不只是通过热交换提高温度，在加热装置110中的热敏电阻也会对加热介质进行加热，为了能够更快的提高到所需温度，然后加热介质在循环泵的作用下进入电堆109对电堆109进行预热，为了提高预热的效率，缩短预热时间还可以打开第二阀门开关106直接将燃料气化后燃烧产生高温气体，通过第二蒸发器108与加热介质进行热交换，两者同时进行节省时间。在电堆109和重整装置104达到反应温度的同时，第三阀门开关102关闭，此时整个系统处于平衡，然后燃料通过第二阀门开关106进入氧化重整的集成装置，在催化剂的作用下转化为重整气，然后进入电堆109反应，未完全反应的尾气进入氧化重整集成装置的氧化部分在进行尾气燃烧处理，由于电堆反应是放热反应，所以需要开启散热器对加热介质进行散热处理，为了反应高效，通常会设置有鼓风机，为电堆109和氧化装置103的反应提供助燃气体，为了节省成本，鼓入空气即可实现。

例如，在上述实施例提到的将氧化装置103、重整装置104、第一蒸发器105、第二蒸发器108整体设置，这种集成化的设置可以最大限度地在不影响生产效率的前提下减小体积，缩短反应时间。系统开启后，送料装置101通过第三阀门开关102进入集成的氧化部分燃烧对重整装置104和电堆109进行预热，为了保证预热的速度打开第二阀门开关106两者同时对系统进行预热，此时的加热介质在循环泵的作用下进入整个集成化的装置里面进行热交换，然后进入电堆109对电堆109进行加热，预热完成以后第三阀门开关102关闭，此时的燃料进入集成装置在催化剂的作用下转化为重整气体，重整气体进入电堆109进行反应，反应过程放出热量，打开散热器对加热介质进行散热处理，未完全反映的重整气进入集成装置中的氧化室进行燃烧处理。

无论是将氧化装置103、重整装置104、第一蒸发器105、第二蒸发器108单独设置还是集成设置或者是部分集成到一起，都能够实现对整个热控制系统的热量和合理化控制，将热量分配的更加合理，各个装置的分工合作紧密贴合，保证了最高的生产效率，而集成化的设置则还能保证在同样的情况下，减小热控制系统的体积，从生产效率和生产成本两方面都做到了优化。

本发明通过将现有的板式蒸发器，车载散热器，三通电磁阀等运用到燃料电堆的热控制系统当中，能够使得整个对热的控制管理更加高效，通过对热的来源和利用进行整合，充分利用产生的热源，合理分配热源达到内部热平衡，缩短了启动时间，提高了生产效率，模块化组装，可维护性更强，使用寿命长，降低了成本，还可以大批量生产制造。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电堆的热控制系统，其特征在于，所述热控制系统包括：送料装置、氧化装置、重整装置、电堆、第一蒸发器、第二蒸发器、第一阀门开关、第二阀门开关、第三阀门开关；

所述氧化装置与所述重整装置相连，且所述重整装置和所述氧化装置分别与所述电堆相连；

所述第一蒸发器通过所述第一阀门开关与所述第二蒸发器相连，且所述第二蒸发器与所述电堆相连；

所述送料装置通过所述第三阀门开关与所述氧化装置相连，所述送料装置通过所述第二阀门开关与所述第一蒸发器相连，且所述第一蒸发器与所述重整装置相连。

2.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，还包括散热装置；

所述散热装置分别与所述第二蒸发器和所述电堆相连。

3.根据权利要求2所述的热控制系统，其特征在于，所述散热装置为车载散热器。

4.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，所述氧化装置、所述重整装置、所述第一蒸发器整体设置。

5.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，所述氧化装置、所述重整装置、所述第二蒸发器整体设置。

6.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，所述氧化装置、所述重整装置、所述第一蒸发器、所述第二蒸发器整体设置。

7.根据权利要求1所述的热控制系统，其特征在于，还包括加热装置；

所述加热装置分别与所述第二蒸发器和所述电堆相连。

8.根据权利要求7所述的热控制系统，其特征在于，所述加热装置填充加热介质，且所述加热装置通过PTC热敏电阻对加热介质加热。

9.根据权利要求8所述的热控制系统，其特征在于，所述加热装置还设置有循环泵；

所述循环泵分别与所述电堆和所述加热装置相连，且控制所述加热介质流动。

10.根据权利要求1-9任一项所述的热控制系统，其特征在于，还包括鼓风机；

所述鼓风机分别与所述氧化装置和所述电堆相连。