CN111725538A - 一种中冷加湿装置及其应用的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中冷加湿装置及其应用的燃料电池系统，包括进气管道、热交换装置、增湿模块和套筒外壳，热交换装置套装在进气管道外，增湿模块套装在热交换装置外，套筒外壳套装在增湿模块外，套筒外壳的一端设有第一空气流出口，干燥热空气从进气管道的一端进入并径向流出，并经过热交换装置的降温处理和增湿模块的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口，该结构将中冷和加湿的功能合为一体，结构简单、紧奏，占用燃料电池系统整体布局空间少，增加热交换装置和增湿模块的相互接触面积，增大气流流通能力，提高燃料电池系统的整体效率，减少零部件，降低成本。

Description

一种中冷加湿装置及其应用的燃料电池系统
技术领域：
本发明涉及一种中冷加湿装置及其应用的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池系统中包括三大管路系统分别为空气进气系统、冷却系统、供氢系统。燃料电池系统正常工作时，通常采用空压机将空气增压压缩后，送入空气进气系统。经过空压机压缩后的空气温度可达120℃左右，过高的温度可能导致系统故障，甚至损坏燃料电池的电堆。送入电堆的空气必须保持在60-70℃的湿润空气，电堆才能正常稳定的运行，所以必须对送入电堆的空气进行冷却和加湿。以往需要利用中冷器将送入的高温空气进行冷却，冷却至60-70℃，之后再通过加湿器加湿后送入电堆中使用，且通过电堆出口的湿润气体再回送至加湿器对中冷器冷却的干燥空气进行加湿，加湿后的干燥空气送入电堆使用。
目前的燃料电池的空气进气系统都布置独立的中冷器和加湿器，例如专利CN210467989 U中，独立布置的中冷器和加湿器，需要很多管路去相互连接，并且布置复杂、占用空间，造成管道流阻增大，增加系统风险。
另外现有为了解决占用空间大问题，将中冷模块安装在加湿模块的一侧，空气从空气从中冷模块一侧进入中冷模块中冷却，再从加湿模块一侧进入加湿模块中加湿，中冷模块与加湿模块接触面积小，通过气流小，效率低，长度较长。
发明内容：
本发明的目的是提供一种中冷加湿装置及其应用的燃料电池系统，该结构将中冷和加湿的功能合为一体，结构简单、紧奏，占用燃料电池系统整体布局空间少，增加气流通道的接触面，提高燃料电池系统的整体效率，减少零部件，降低成本。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
本发明的第一个目的是提供一种中冷加湿装置，其特征在于：包括进气管道、热交换装置、增湿模块和套筒外壳，热交换装置套装在进气管道外，增湿模块套装在热交换装置外，套筒外壳套装在增湿模块外，套筒外壳的一端设有第一空气流出口，干燥热空气从进气管道的一端进入并径向流出，并经过热交换装置的降温处理和增湿模块的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口流出。
上述所述的进气管道的尾部管壁处设置若干个排气孔，使干燥热空气从进气管道的一端进入并径向流出。
上述所述的进气管道是圆筒状或者前端是圆筒状，尾部是圆锥状。
上述所述的热交换装置包括冷却液管道、若干片散热波纹片和带有水道的若干块层板，若干片散热波纹片和若干块层板之间间隔分布，相连两块层板之间夹持散热波纹片，散热波纹片与层板之间形成若干通道，层板中间设有第一中心孔，若干片散热波纹片位于第一中心孔外围，进气管道嵌套在第一中心孔内，若干个排气孔与若干通道连通，冷却液管道安装在若干块层板上，冷却液管道侧壁设置有若干个连接孔与水道连通以便冷却液能通过连接孔进入水道。
上述所述的若干块层板的第一中心孔的边缘两侧外设有第一安装孔和第二安装孔，冷却液管道分成若干段子管，子管焊接在第一安装孔和第二安装孔上。
上述所述的冷却液管道呈U形，进气管道的端部设有第一空气进气口，冷却液管道的冷却液入口和冷却液出口与进气管道的第一空气进气口位于同一侧，进气管道的第一空气进气口与套筒外壳的一端的第一空气流出口分别位于套筒外壳两侧。
上述所述的层板是一圆形板，间隔分布的若干层板之间形成一圆筒状结构，若干层板、冷却液管道和若干散热波纹片一体焊接成型。
上述所述的进气管道与热交换装置的端部之间设有固定板固定安装。
上述所述的增湿模块中间设有第二中心孔，热交换装置嵌套在第二中心孔内，第二中心孔的壁面上设有若干第二进气孔，增湿模块靠近第一空气流出口的一端设有若干第二出气孔，若干第二出气孔与第一空气流出口是连通的，若干第二进气孔与若干第二出气孔是连通的，若干第二进气孔与若干通道是连通的。
上述所述的套筒外壳内设有空腔，空腔与第一空气流出口是连通的，空腔的腔口上设有盖板，将安装在套筒外壳内的进气管道、冷却液管道、热交换装置和增湿模块盖住紧固，第一空气进气口、冷却液入口和冷却液出口位于盖板外。
上述所述的套筒外壳的表面设有漏斗形汇集段，漏斗形汇集段位于增湿模块的第二出气孔和套筒外壳的第一空气流出口之间。
上述所述的套筒外壳的表面上设有第二空气进气口和第二空气流出口，湿空气从第二空气进气口进入经过增湿模块从第二空气流出口排出。
上述所述的进气管道的第一空气进气口处设有第一温度传感器，进气管道上设置第三安装孔，第三安装孔与第一空气进气口是连通的，第一温度传感器安装在第三安装孔上并伸入到里面检测第一空气进气口的空气温度。
上述所述的套筒外壳的第一空气流出口处设有第二温度传感器，套筒外壳上设置第四安装孔，第四安装孔与第一空气流出口是连通的，第二温度传感器安装在第四安装孔上并伸入到里面检测第一空气流出口的空气温度。
一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆模块、燃料电池系统控制器、冷却液循环系统、空气进气系统、供氢系统和中冷加湿装置，空气进气系统包括空气滤清器、空气流量计和空压机，其特征在于：所述中冷加湿装置为上述所述的中冷加湿装置，空气经过空气滤清器和空气流量计后进入空压机，空压机控制器控制空压机将进入的空气压缩后从中冷加湿装置的第一空气进气口进入经过热交换装置使空气和冷却液之间进行热交换后，再进入增湿模块对流经的空气进行加湿后从第一空气流出口排出后，再输入到燃料电池电堆模块，中冷加湿装置的冷却液入口和冷却液出口与冷却液循环系统连接。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)本发明包括进气管道、热交换装置、增湿模块和套筒外壳，热交换装置套装在进气管道外，增湿模块套装在热交换装置外，套筒外壳套装在增湿模块外，套筒外壳的一端设有第一空气流出口，干燥热空气从进气管道的一端进入并径向流出，并经过热交换装置的降温处理和增湿模块的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口，该结构将中冷和加湿的功能合为一体，结构简单、紧奏，占用燃料电池系统整体布局空间少，增加热交换装置和增湿模块的相互接触面积，增大气流流通能力，提高燃料电池系统的整体效率，减少零部件，降低成本；
2)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1是本发明实施例一提供的立体图；
图2是本发明实施例一提供的另一角度的立体图；
图3是本发明实施例一提供的分解图；
图4是本发明实施例一提供的正视图；
图5是图4中A-A的剖视图；
图6是图5中B的局部放大图；
图7是本发明实施例一提供的热交换装置结构示意图；
图8是本发明实施例一提供的热交换装置的剖视图；
图9是本发明实施例一提供的进气管道的结构示意图；
图10是本发明实施例一提供的进气管道的另一结构示意图；
图11是本发明实施例一提供的套筒外壳的正视图；
图12是图11中C-C的剖视图；
图13是本发明实施例一提供的热交换装置的分解图；
图14是本发明实施例一提供的热交换装置的局部结构示意图；
图15是本发明实施例一提供的原理示意图；
图16是本发明实施例二提供的原理图；
图17是本发明实施例二提供的另一控制原理方框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图15所示，本实施例提供的是一种中冷加湿装置，其特征在于：包括进气管道11、热交换装置13、增湿模块14和套筒外壳15，热交换装置13套装在进气管道11外，增湿模块14套装在热交换装置13外，套筒外壳15套装在增湿模块14外，套筒外壳15的一端设有第一空气流出口151，干燥热空气从进气管道11的一端进入并径向流出，并经过热交换装置13的降温处理和增湿模块14的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口151流出，该结构将中冷和加湿的功能合为一体，结构简单、紧奏，占用燃料电池系统整体布局空间少，增加热交换装置和增湿模块的相互接触面积，增大气流流通能力，提高燃料电池系统的整体效率，减少零部件，降低成本。整个布局是径向一层一层相嵌套式布局，结构紧凑，体积更小，但热交换装置和增湿模块效率更高，成本得以降低。
进气管道11的尾部管壁处设置若干个排气孔113，使干燥热空气从进气管道11的一端进入并径向流出，便于干热空气均匀的排出，增大空气排出面积，并与热交换装置大面积接触，便于热量传递。
如图9和图10所示，进气管道11是圆筒状或者前端是圆筒状，尾部是圆锥状，空气流经时，流道压力更均匀稳定。
热交换装置13包括冷却液管道12、若干片散热波纹片131和带有水道133的若干块层板132，若干片散热波纹片131和若干块层板132之间间隔分布，相连两块层板132之间夹持散热波纹片131，散热波纹片131与层板132之间形成若干通道134，层板132中间设有第一中心孔135，若干片散热波纹片131位于第一中心孔135外围，进气管道11嵌套在第一中心孔135内，若干个排气孔113与若干通道134连通，冷却液管道12安装在若干块层板132上，冷却液管道12侧壁设置有若干个连接孔123与水道133连通以便冷却液能通过连接孔123进入水道133，结构布置合理、紧奏，安装结构简单，便于吸收高温空气的热量，传递给冷却液管道12。
如图14所示，若干块层板132的第一中心孔135的边缘两侧外设有第一安装孔136和第二安装孔137，冷却液管道12分成若干段子管，子管焊接在第一安装孔136和第二安装孔137上，冷却液流经层板，便于热量的传导。
冷却液管道12呈U形，进气管道11的端部设有第一空气进气口111，冷却液管道12的冷却液入口121和冷却液出口122与进气管道11的第一空气进气口111位于同一侧，进气管道11的第一空气进气口111与套筒外壳15的一端的第一空气流出口151分别位于套筒外壳15两侧，中冷加湿装置整体结构布置合理，紧奏。
层板132是一圆形板，间隔分布的若干层板132之间形成一圆筒状结构，若干层板、冷却液管道12和若干散热波纹片131一体焊接成型，热交换装置结构布置合理、紧奏，整体性好，便于热量的传导。
进气管道11与热交换装置13的端部之间设有固定板18固定安装，安装结构简单、牢固。
增湿模块14中间设有第二中心孔141，热交换装置13嵌套在第二中心孔141内，第二中心孔141的壁面上设有若干第二进气孔142，增湿模块14靠近第一空气流出口151的一端设有若干第二出气孔143，若干第二出气孔143与第一空气流出口151是连通的，若干第二进气孔142与若干第二出气孔143是连通的，若干第二进气孔142与若干通道134是连通的，结构安装简单，增加热交换装置和增湿模块的相互接触面积，增大气流流通能力，提高燃料电池系统的整体效率。
套筒外壳15内设有空腔155，空腔155与第一空气流出口151是连通的，空腔155的腔口上设有盖板19，将安装在套筒外壳15内的进气管道11、冷却液管道12、热交换装置13和增湿模块14盖住紧固，第一空气进气口111、冷却液入口121和冷却液出口122位于盖板19外，结构布置合理。
套筒外壳15的表面设有漏斗形汇集段156，漏斗形汇集段156位于增湿模块14的第二出气孔143和套筒外壳15的第一空气流出口151之间，便于在增湿模块排出的空气汇集到第一空气流出口151排出，结构布置合理。
套筒外壳15的表面上设有第二空气进气口152和第二空气流出口153，湿空气从第二空气进气口152进入经过增湿模块14从第二空气流出口153排出，结构布置合理，提高了接口的灵活变换性。
进气管道11的第一空气进气口111处设有第一温度传感器16，进气管道11上设置第三安装孔112，第三安装孔112与第一空气进气口111是连通的，第一温度传感器16安装在第三安装孔112上并伸入到里面检测第一空气进气口111的空气温度，结构简单，布置合理，便于第一温度传感器16检测第一空气进气口111的空气温度，在高温状态下，可给空气路中的高温空气进行快速精准的降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。
套筒外壳15的第一空气流出口151处设有第二温度传感器17，套筒外壳15上设置第四安装孔154，第四安装孔154与第一空气流出口151是连通的，第二温度传感器17安装在第四安装孔154上并伸入到里面检测第一空气流出口151的空气温度，结构简单，布置合理，便于第二温度传感器17检测第一空气流出口151的空气温度，当输出的空气温度高时，可给空气路中的高温空气进行快速精准的降温，运行额外功耗小，提升性能，节约能源。
本发明的一种中冷加湿装置的工作原理：在燃料电池系统正常工作时，经过空压机压缩的干燥高温空气从进气管道11的一端进入并径向流出，并经过热交换装置13的降温处理和增湿模块14的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口151流出。高温空气将热冷传递给热交换装置13，热交换装置13再将热量传导给冷却液带走。冷却系统中的冷却液进入热交换装置13，经过热量交换后流出，并回流到冷却系统中，如此形成一个冷却循环，将高温空气冷却至燃料电池所需的理想温度。燃料电池模组中的电堆排出未反应的空气及水分组成的湿空气，湿空气从第二空气进气口152进入到加湿模块中，湿空气中的水汽在加湿模块中与从中冷模块进入的干燥空气进行水汽交换，加湿后的干空气从第二空气流出口153排出，并送入燃料电池模组中参加反应。参加水汽交换的湿空气再从第二空气流出口153排出，如此形成一个加湿循环，将干燥空气加湿到燃料电池所需的理想湿度，送入电堆中参加与氧气的反应。
实施例二：
如图16和图17所示，一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆模块、燃料电池系统控制器、冷却液循环系统、空气进气系统、供氢系统和中冷加湿装置，空气进气系统包括空气滤清器、空气流量计和空压机，其特征在于：所述中冷加湿装置为权利要求1至11中任意一项所述的中冷加湿装置，空气经过空气滤清器和空气流量计后进入空压机，空压机控制器控制空压机将进入的空气压缩后从中冷加湿装置的第一空气进气口111进入经过热交换装置13使空气和冷却液之间进行热交换后，再进入增湿模块14对流经的空气进行加湿后从第一空气流出口151排出后，再输入到燃料电池电堆模块，中冷加湿装置的冷却液入口121和冷却液出口122与冷却液循环系统连接，能够迅速为空气进气系统中的空气进行冷却和加湿，提高整个系统的效率和安全性，节约能源。
进气管道11的第一空气进气口111处设有第一温度传感器16，进气管道11上设置第一安装孔112，第一安装孔112与第一空气进气口111是连通的，第一温度传感器16安装在第一安装孔112上并伸入到里面检测第一空气进气口111的空气温度；套筒外壳15的第一空气流出口151处设有第二温度传感器17，套筒外壳15上设置第二安装孔154，第二安装孔154与第一空气流出口151是连通的，第二温度传感器17安装在第二安装孔154上并伸入到里面检测第一空气流出口151的空气温度，第一温度传感器16和第二温度传感器17将温度信号送到燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器根据温度信号控制冷却液循环系统工作。分别实时监控中冷加湿装置第一空气进气口111和第一空气流出口151的温度，并将数据实时传送给燃料电池系统控制器，若温度超过所设定的限值，燃料电池系统将发出警报，提醒操作人员及时维护。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种中冷加湿装置，其特征在于：包括进气管道(11)、热交换装置(13)、增湿模块(14)和套筒外壳(15)，热交换装置(13)套装在进气管道(11)外，增湿模块(14)套装在热交换装置(13)外，套筒外壳(15)套装在增湿模块(14)外，套筒外壳(15)的一端设有第一空气流出口(151)，干燥热空气从进气管道(11)的一端进入并径向流出，并经过热交换装置(13)的降温处理和增湿模块(14)的增湿处理后，形成低温的湿空气从第一空气流出口(151)流出。
2.根据权利要求1所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：进气管道(11)的尾部管壁处设置若干个排气孔(113)，使干燥热空气从进气管道(11)的一端进入并径向流出。
3.根据权利要求2所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：进气管道(11)是圆筒状或者前端是圆筒状，尾部是圆锥状。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：热交换装置(13)包括冷却液管道(12)、若干片散热波纹片(131)和带有水道(133)的若干块层板(132)，若干片散热波纹片(131)和若干块层板(132)之间间隔分布，相连两块层板(132)之间夹持散热波纹片(131)，散热波纹片(131)与层板(132)之间形成若干通道(134)，层板(132)中间设有第一中心孔(135)，若干片散热波纹片(131)位于第一中心孔(135)外围，进气管道(11)嵌套在第一中心孔(135)内，若干个排气孔(113)与若干通道(134)连通，冷却液管道(12)安装在若干块层板(132)上，冷却液管道(12)侧壁设置有若干个连接孔(123)与水道(133)连通以便冷却液能通过连接孔(123)进入水道(133)。
5.根据权利要求4所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：若干块层板(132)的第一中心孔(135)的边缘两侧外设有第一安装孔(136)和第二安装孔(137)，冷却液管道(12)分成若干段子管，子管焊接在第一安装孔(136)和第二安装孔(137)上。
6.根据权利要求5所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：冷却液管道(12)呈U形，进气管道(11)的端部设有第一空气进气口(111)，冷却液管道(12)的冷却液入口(121)和冷却液出口(122)与进气管道(11)的第一空气进气口(111)位于同一侧，进气管道(11)的第一空气进气口(111)与套筒外壳(15)的一端的第一空气流出口(151)分别位于套筒外壳(15)两侧。
7.根据权利要求6所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：层板(132)是一圆形板，间隔分布的若干层板(132)之间形成一圆筒状结构，若干层板、冷却液管道(12)和若干散热波纹片(131)一体焊接成型。
8.根据权利要求7所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：进气管道(11)与热交换装置(13)的端部之间设有固定板(18)固定安装。
9.根据权利要求4所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：增湿模块(14)中间设有第二中心孔(141)，热交换装置(13)嵌套在第二中心孔(141)内，第二中心孔(141)的壁面上设有若干第二进气孔(142)，增湿模块(14)靠近第一空气流出口(151)的一端设有若干第二出气孔(143)，若干第二出气孔(143)与第一空气流出口(151)是连通的，若干第二进气孔(142)与若干第二出气孔(143)是连通的，若干第二进气孔(142)与若干通道(134)是连通的。
10.根据权利要求6所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：套筒外壳(15)内设有空腔(155)，空腔(155)与第一空气流出口(151)是连通的，空腔(155)的腔口上设有盖板(19)，将安装在套筒外壳(15)内的进气管道(11)、冷却液管道(12)、热交换装置(13)和增湿模块(14)盖住紧固，第一空气进气口(111)、冷却液入口(121)和冷却液出口(122)位于盖板(19)外。
11.根据权利要求10所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：套筒外壳(15)的表面设有漏斗形汇集段(156)，漏斗形汇集段(156)位于增湿模块(14)的第二出气孔(143)和套筒外壳(15)的第一空气流出口(151)之间。
12.根据权利要求4所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：套筒外壳(15) 的表面上设有第二空气进气口(152)和第二空气流出口(153)，湿空气从第二空气进气口(152)进入经过增湿模块(14)从第二空气流出口(153)排出。
13.根据权利要求4所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：进气管道(11)的第一空气进气口(111)处设有第一温度传感器(16)，进气管道(11)上设置第三安装孔(112)，第三安装孔(112)与第一空气进气口(111)是连通的，第一温度传感器(16)安装在第三安装孔(112)上并伸入到里面检测第一空气进气口(111)的空气温度。
14.根据权利要求4所述的一种中冷加湿装置，其特征在于：套筒外壳(15)的第一空气流出口(151)处设有第二温度传感器(17)，套筒外壳(15)上设置第四安装孔(154)，第四安装孔(154)与第一空气流出口(151)是连通的，第二温度传感器(17)安装在第四安装孔(154)上并伸入到里面检测第一空气流出口(151)的空气温度。
15.一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆模块、燃料电池系统控制器、冷却液循环系统、空气进气系统、供氢系统和中冷加湿装置，空气进气系统包括空气滤清器、空气流量计和空压机，其特征在于：所述中冷加湿装置为权利要求1至11中任意一项所述的中冷加湿装置，空气经过空气滤清器和空气流量计后进入空压机，空压机控制器控制空压机将进入的空气压缩后从中冷加湿装置的第一空气进气口(111)进入经过热交换装置(13)使空气和冷却液之间进行热交换后，再进入增湿模块(14)对流经的空气进行加湿后从第一空气流出口(151)排出后，再输入到燃料电池电堆模块，中冷加湿装置的冷却液入口(121)和冷却液出口(122)与冷却液循环系统连接。
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