CN110970638A - 一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池热平衡“气‑气‑气”三相热交换系统，包括包括氢气输送管道，压缩空气输送管道，去离子水输送管道，燃料电池堆，其特征在于：还包括设置于氢气输送管道和压缩空气输送管道上可实现两者热交换的热交换装置。本发明通过氢气温度传感器与压缩空气温度传感器来检测氢气和压缩空气的温度，再通过中央处理器接受信号并处理信号控制热交换装置的热交换风机降低了压缩后的空气的温度，又利用热交换装置中的多个氢气毛细管、多个空气毛细管与热交换翅片的大面积接触传热使得压缩空气的热量快速补偿给氢气的温度，两者温差快速降低，保证电池正常寿命，不快速老化，还通过补偿加热器加热去离子水使其可以快速冷启动。

Description

一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种用于燃料电池热平衡的热交换系统。
背景技术
目前燃料电池系统燃料使用压缩氢气，国内目前压缩氢气压力能够达到35MPa，为避免高压状态下氢气对膜电极的冲击损耗，氢气经多级减压后，才能够进入燃料电池电堆。
根据波义耳定律和查理-盖吕萨克定律，一定量气体，体积和压力的乘积与热力学温度成正比，故氢气经减压后温度下降。现有技术压缩后的压缩空气温度过高，进入燃料电池电堆的氢气温度低于进入燃料电池电堆的压缩空气温度，造成燃料电池电堆梯度温差及膜电极两侧梯度温差，膜电极长时间处于梯度温差工作条件下易发生加速老化和破损现场，严重影响了燃料电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统包括：包括氢气输送管道，压缩空气输送管道，去离子水输送管道，燃料电池堆，还包括设置于氢气输送管道和压缩空气输送管道上可实现两者热交换的热交换装置。
氢气输送管道、压缩空气输送管道、去离子水输送管道分别通有燃料电池堆反应所需的氢气、压缩空气、去离子水，在氢气输送管道和压缩空气输送管道上的热交换装置使得原本压缩空气过高的热量传递给温度过低的氢气，通过热交换来实现缩小两者温差。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，所述热交换装置包括壳体、所述壳体内部的热交换翅片、所述壳体下方的热交换风机、与所述热交换翅片紧贴的氢气毛细管组件和压缩空气毛细管组件，所述的氢气毛细管组件两侧分别设有氢气进口和氢气出口，所述的氢气进口和氢气出口分别接入氢气输送管道两侧；所述的压缩空气毛细管组件两侧分别设有空气进口和空气出口，所述的空气进口和空气出口分别接入压缩空气输送管道两侧。
壳体作为热交换装置其他部件的外壳，热交换风机通过风来加速传递热量，氢气毛细管组件和压缩空气毛细管组件与热交换翅片紧贴加速传递热量，氢气输送管道的氢气从氢气进口进入再从氢气出口出去，压缩空气输送管道的压缩空气从空气进口进入再从空气出口出去。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，所述氢气毛细管组件包括设置于所述壳体外侧与氢气进口相连的氢气进气管、设置于所述壳体外侧与氢气出口相连的氢气出气管、分别与所述氢气进气管和氢气出气管相连的氢气连接管、横穿所述壳体与壳体两侧氢气连接管相连的氢气毛细管，所述壳体设有与氢气毛细管口径匹配的氢气通孔；所述压缩空气毛细管组件包括设置于所述壳体外侧与空气进口相连的空气进气管、设置于所述壳体外侧与空气出口相连的空气出气管、分别与所述空气进气管和空气出气管相连的空气连接管、横穿所述壳体与壳体两侧空气连接管相连的空气毛细管，所述壳体设有与空气毛细管口径匹配的空气通孔。
氢气从氢气进口进入到氢气进气管，再从氢气进气管流动到氢气连接管，再从氢气连接管流动到分散成多根的氢气毛线管，多根氢气毛细管增加了氢气输送管道在壳体内的面积，有利于热交换，压缩空气从空气进口进入到空气进气管，再从空气进气管流动到空气连接管，再从空气连接管流动到分散成多根的空气毛线管，多根空气毛细管增加了空气输送管道在壳体内的面积，有利于热交换，对应的氢气通孔和空气通孔是为了氢气毛细管与空气毛细管贯穿壳体分别与氢气连接管和空气连接管相连。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，所述氢气毛细管组件设置于所述压缩空气毛细管组件的上方，所述的热交换风机所带动的冷却空气流向为自下而上。
热交换风机的带动的冷却空气自下而上可以使得压缩后的压缩空气温度降低并将压缩空气过高的热量传递给温度较低的氢气从而实现热交换来降低两者温差。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，本控制系统还包括接收信号、处理信号和发出指令的中央处理器，分别设置于氢气输送管道位于热交换装置后端的氢气温度传感器和压缩空气输送管道位于热交换装置后端的压缩空气温度传感器，去离子水输送管道上的去离子水温度传感器，所述的中央处理器接收的信号来于氢气温度传感器、压缩空气温度传感器和去离子水温度传感器，所述的去离子水输送管道上设有可以给去离子水加热的温度补偿加热器，所述的温度补偿加热器通过中央处理器控制其开关。
氢气温度传感器与压缩空气温度传感器分别用于检测燃料电池反应前氢气与压缩空气的温差，去离子水温度传感器用于检测去离子水的温度并发送信号给中央处理器，中央处理器处理信号判断温度是否偏低，偏低则控制温度补偿加热器给去离子水加热。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，本控制系统还包括接收信号、处理信号和发出指令的中央处理器，分别设置于氢气输送管道位于热交换装置后端的氢气温度传感器和压缩空气输送管道位于热交换装置后端的压缩空气温度传感器，去离子水输送管道上的去离子水温度传感器，所述的中央处理器接收的信号来于氢气温度传感器、压缩空气温度传感器和去离子水温度传感器，所述的去离子水输送管道上设有可以给去离子水加热的温度补偿加热器，所述的温度补偿加热器通过中央处理器控制其开关，所述的热交换风机通过中央处理器控制其开关和风量大小。
氢气温度传感器与压缩空气温度传感器分别用于检测燃料电池反应前氢气与压缩空气的温差并发送信号给中央处理器，中央处理器处理信号判断温差是否正常，不正常则控制热交换装置的热交换风机增大功率，去离子水温度传感器用于检测去离子水的温度并发送信号给中央处理器，中央处理器处理信号判断温度是否偏低，偏低则控制温度补偿加热器给去离子水加热。
在上述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统中，所述的氢气输送管道、压缩空气输送管道、去离子水输送管道上分别设有通过中央处理器分别控制氢气、空气和去离子水流通的电磁阀。电磁阀通过中央处理器来开启和关闭三个通道，无需手动操作。
与现有技术相比，本发明通过氢气温度传感器与压缩空气温度传感器来检测氢气和压缩空气的温度，再通过中央处理器接受信号并处理信号控制热交换装置的热交换风机降低了压缩后的空气的温度，又利用热交换装置中的多个氢气毛细管、多个空气毛细管与热交换翅片的大面积接触传热使得压缩空气的热量快速补偿给氢气的温度，两者温差快速降低，保证电池正常寿命，不快速老化，还通过去离子水温度传感器检测去离子水的温度判断是否用温度补偿热器加热使其可以快速冷启动。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的热交换装置立体结构示意图；
图3是本发明的热交换装置拆分后的结构示意图；
图中，1、氢气输送管道；2、压缩空气输送管道；3、去离子水输送管道；4、燃料电池堆；5、热交换装置；51、壳体；52、热交换翅片；53、氢气毛细管组件；531、氢气进口；532、氢气出口；533、氢气进气管；534、氢气出气管；535、氢气连接管；536、氢气毛细管；54、压缩空气毛细管组件；541、空气进口；542、空气出口；543、空气进气管；544、空气出气管；545、空气连接管；546、空气毛细管；55、热交换风机；6、冷却空气流；7、中央处理器；8、氢气温度传感器；9、压缩空气温度传感器；10、去离子水温度传感器；11、温度补偿加热器；12、电磁阀。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统包括氢气输送管道1，压缩空气输送管道2，去离子水输送管道3，燃料电池堆4，还包括设置于氢气输送管道1和压缩空气输送管道2上可实现两者热交换的热交换装置5。
氢气输送管道1、压缩空气输送管道2、去离子水输送管道3分别通有燃料电池堆4反应所需的氢气、压缩空气、去离子水，在氢气输送管道1和压缩空气输送管道2上的热交换装置5使得原本压缩空气过高的热量传递给温度过低的氢气，通过热交换来实现缩小两者温差。
如图2-3所述，热交换装置5包括壳体51、所述壳体51内部的热交换翅片52、壳体51下方的热交换风机55、与热交换翅片52紧贴的氢气毛细管组件53和压缩空气毛细管组件54，氢气毛细管组件53两侧分别设有氢气进口531和氢气出口532，所述的氢气进口531和氢气出口532分别接入氢气输送管道1两侧；所述的压缩空气毛细管组件54两侧分别设有空气进口541和空气出口542，所述的空气进口541和空气出口542分别接入压缩空气输送管道2两侧。
壳体51作为热交换装置5其他部件的外壳，热交换风机55通过风来加速传递热量，氢气毛细管组件53和压缩空气毛细管组件54与热交换翅片52紧贴加速传递热量，氢气输送管道1的氢气从氢气进口531进入再从氢气出口532出去，压缩空气输送管道2的压缩空气从空气进口541进入再从空气出口542出去。
氢气毛细管组件53包括设置于所述壳体51外侧与氢气进口531相连的氢气进气管533、设置于所述壳体51外侧与氢气出口532相连的氢气出气管534、分别与所述氢气进气管533和氢气出气管534相连的氢气连接管535、横穿所述壳体51与壳体51两侧氢气连接管535相连的氢气毛细管536，所述壳体51设有与氢气毛细管536口径匹配的氢气通孔；所述压缩空气毛细管组件54包括设置于所述壳体51外侧与空气进口541相连的空气进气管543、设置于所述壳体51外侧与空气出口542相连的空气出气管544、分别与所述空气进气管543和空气出气管544相连的空气连接管545、横穿所述壳体51与壳体51两侧空气连接管545相连的空气毛细管546，所述壳体51设有与空气毛细管546口径匹配的空气通孔。
氢气从氢气进口531进入到氢气进气管533，再从氢气进气管533流动到氢气连接管535，再从氢气连接管535流动到分散成多根的氢气毛线管，多根氢气毛细管536增加了氢气输送管道1在壳体51内的面积，有利于热交换，压缩空气从空气进口541进入到空气进气管543，再从空气进气管543流动到空气连接管545，再从空气连接管545流动到分散成多根的空气毛线管，多根空气毛细管546增加了空气输送管道在壳体51内的面积，有利于热交换，对应的氢气通孔和空气通孔是为了氢气毛细管536与空气毛细管546贯穿壳体51分别与氢气连接管535和空气连接管545相连。
氢气毛细管组件53设置于所述压缩空气毛细管组件54的上方，热交换风机55所带动的冷却空气流6向为自下而上。热交换风机55的带动的冷却空气自下而上可以使得压缩后的压缩空气温度降低并将压缩空气过高的热量传递给温度较低的氢气从而实现热交换来降低两者温差。
本控制系统还包括接收信号、处理信号和发出指令的中央处理器7，分别设置于氢气输送管道1位于热交换装置5后端的氢气温度传感器8和压缩空气输送管道2位于热交换装置5后端的压缩空气温度传感器9，去离子水输送管道3上的去离子水温度传感器10，所述的中央处理器7接收的信号来于氢气温度传感器8、压缩空气温度传感器9和去离子水温度传感器10，所述的去离子水输送管道3上设有可以给去离子水加热的温度补偿加热器11。
氢气温度传感器8与压缩空气温度传感器9分别用于检测燃料电池反应前氢气与压缩空气的温差并发送信号给中央处理器7，中央处理器7处理信号判断温差是否正常，不正常则控制热交换机55增大功率，去离子水温度传感器10用于检测去离子水的温度并发送信号给中央处理器7，中央处理器7处理信号判断温度是否偏低，偏低则控制温度补偿加热器11给去离子水加热。
氢气输送管道1、压缩空气输送管道2、去离子水输送管道3上都设有通过中央处理器7分别控制氢气、空气和去离子水流通的电磁阀12。电磁阀12通过中央处理器7来开启和关闭三个通道，无需手动操作。
本发明工作过程：中央处理器7同时控制氢气输送管道1与压缩空气输送管道2的电磁阀12打开使得其中的氢气与压缩空气流向热交换装置5并且同时控制去离子水输送管道3的电磁阀12打开使得其中的去离子水流向温度补偿加热器11，氢气从氢气进口531流入氢气进气管533，再流入氢气连接管535，进入氢气连接管535的氢气分散成多个分支流入氢气毛细管536，同时压缩空气从空气进口541流入空气进气管543，再流入空气连接管545，进入空气连接管545的压缩空气分散成多个分支流入空气毛细管546，氢气毛细管536与空气毛细管546被壳体内的热交换翅片52所覆盖，由于接触的面积大，传递热量很快，而且壳体51下方的热交换风机55带动的冷却空气流6自下而上，上方的氢气毛细管536同时得到下方高温的空气毛细管546热补偿，两者温差快速减小，接着氢气从氢气毛细管536进入氢气连接管535，再从氢气连接管535流动到氢气出气管534，从氢气出气管534到氢气出口532流向燃料电池堆4，同时压缩空气从空气毛细管546进入空气连接管545，再从空气连接管545流动到空气出气管544，从空气出气管544的压缩空气流向燃料电池堆4的过程中，氢气温度传感器8与压缩空气温度传感器9分别检测氢气温度和压缩空气温度并发送信号给中央处理器7判断温差是否减小到反应所需的正常范围，若正常则中央处理器7控制热交换风机55保持功率不变，若不正常则中央处理器7控制热交换风机55增大功率，同时去离子水温度传感器10检测去离子水的温度发送信号给中央处理器7处理信号判断温度是否偏低，若偏低则控制温度补偿加热器11给去离子水加热至去离子水温度传感器10发送的信号正常，若正常则控制温度补偿加热器11关闭，氢气、压缩空气与去离子水进入燃料电池堆4反应后的产物在相应管道排出。
与现有技术相比，本发明通过氢气温度传感器8与压缩空气温度传感器9来检测氢气和压缩空气的温度，再通过中央处理器7接受信号并处理信号控制热交换装置5的热交换风机55降低了压缩后的空气的温度，又利用热交换装置5中的多个氢气毛细管536、多个空气毛细管546与热交换翅片52的大面积接触传热使得压缩空气的热量快速补偿给氢气的温度，两者温差快速降低，保证电池正常寿命，不快速老化，还通过去离子水温度传感器10检测去离子水的温度判断是否用温度补偿加热器11加热使其可以快速冷启动。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，包括氢气输送管道(1)，压缩空气输送管道(2)，去离子水输送管道(3)，燃料电池堆(4)，其特征在于：还包括设置于氢气输送管道(1)和压缩空气输送管道(2)上可实现两者热交换的热交换装置(5)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述热交换装置(5)包括壳体(51)、所述壳体(51)内部的热交换翅片(52)、与所述热交换翅片(52)紧贴的氢气毛细管组件(53)和压缩空气毛细管组件(54)、所述壳体(51)下方的热交换风机(55)，所述的氢气毛细管组件(53)两侧分别设有氢气进口(531)和氢气出口(532)，所述的氢气进口(531)和氢气出口(532)分别接入氢气输送管道(1)两侧；所述的压缩空气毛细管组件(54)两侧分别设有空气进口(541)和空气出口(542)，所述的空气进口(541)和空气出口(542)分别接入压缩空气输送管道(2)两侧。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述氢气毛细管组件(53)包括设置于所述壳体(51)外侧与氢气进口(531)相连的氢气进气管(533)、设置于所述壳体(51)外侧与氢气出口(532)相连的氢气出气管(534)、分别与所述氢气进气管(533)和氢气出气管(534)相连的氢气连接管(535)、横穿所述壳体(51)与壳体(51)两侧氢气连接管(535)相连的氢气毛细管(536)，所述壳体(51)设有与氢气毛细管(536)口径匹配的氢气通孔；所述压缩空气毛细管组件(54)包括设置于所述壳体(51)外侧与空气进口(541)相连的空气进气管(543)、设置于所述壳体(51)外侧与空气出口(542)相连的空气出气管(544)、分别与所述空气进气管(543)和空气出气管(544)相连的空气连接管(545)、横穿所述壳体(51)与壳体(51)两侧空气连接管(545)相连的空气毛细管(546)，所述壳体(51)设有与空气毛细管(546)口径匹配的空气通孔。
4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述氢气毛细管组件(53)设置于所述压缩空气毛细管组件(54)的上方。
5.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述的热交换风机(55)所带动的冷却空气流(6)向为自下而上。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：本控制系统还包括接收信号、处理信号和发出指令的中央处理器(7)，分别设置于氢气输送管道(1)位于热交换装置(5)后端的氢气温度传感器(8)和压缩空气输送管道(2)位于热交换装置(5)后端的压缩空气温度传感器(9)，去离子水输送管道(3)上的去离子水温度传感器(10)，所述的中央处理器(7)接收的信号来于氢气温度传感器(8)、压缩空气温度传感器(9)和去离子水温度传感器(10)。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：本控制系统还包括接收信号、处理信号和发出指令的中央处理器(7)，分别设置于氢气输送管道(1)位于热交换装置(5)后端的氢气温度传感器(8)和压缩空气输送管道(2)位于热交换装置(5)后端的压缩空气温度传感器(9)，去离子水输送管道(3)上的去离子水温度传感器(10)，所述的中央处理器(7)接收的信号来于氢气温度传感器(8)、压缩空气温度传感器(9)和去离子水温度传感器(10)，所述的热交换风机(55)通过中央处理器(7)控制其开关和风量大小。
8.根据权利要求6或7所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述的去离子水输送管道(3)上设有可以给去离子水加热的温度补偿加热器(11)，所述的去离子水温度传感器(10)设置于温度补偿加热器(11)后端，所述的温度补偿加热器(11)通过中央处理器(7)控制其开关。
9.根据权利要求6或7所述的一种燃料电池热平衡“气-气-气”三相热交换系统，其特征在于：所述的氢气输送管道(1)、压缩空气输送管道(2)、去离子水输送管道(3)上分别设有通过中央处理器(7)分别控制氢气、空气和去离子水流通的电磁阀(12)。
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