CN112290052A - 一种燃料电池的冷却加湿集成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池的冷却加湿集成系统，包括燃料电池电堆、气液分离器、水箱、散热器、水泵、中冷加湿器和空压机，中冷加湿器包括水通道和空气通道，水通道与空气通道之间通过隔板加湿结构相通；燃料电池电堆的空气出口通过气液分离器与所述水箱的进口连接，水箱的出口与水通道的进口之间设有散热器和水泵；空压机的排气口与空气通道的进口相连，空气通道的出口与燃料电池电堆的空气进口相连。本发明将燃料电池系统的加湿系统和冷却系统集成化设计，利用燃料电池系统自身产生的水对空压机排出的空气进行冷却加湿，不仅减少了系统部件和运行的故障点，而且也极大的降低了系统的复杂性和制造成本，节省了空间，并能实现良好的加湿效果。

Description

一种燃料电池的冷却加湿集成系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池的冷却加湿集成系统。
背景技术
燃料电池技术作为提供新一代高效零污染的清洁能源的环境友好型技术，正被越来越多的运用于动力、电源以及储能等行业。而在燃料电池中，广泛使用和开发应用的电池结构则是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池发电系统是基于燃料电池为核心的一套提供电力的发电装置，典型的燃料电池发电系统主要包括主控制器(控制系统)、燃料电池(电堆)、冷却系统(含电堆冷却和空压机出口空气冷却)、空气供给系统及其加湿系统和燃料供给与回收循环系统。氢燃料电池系统则是以氢气这一清洁能源为燃料，具有低温启动、能量密度高、启动快速、系统性能好等优点，已经得到了广泛地关注和实际应用。
燃料电池是将燃料和电解质的化学能直接转换成电能的发电装置，如图1所示，其工作原理是：进入燃料电池阳极侧的氢气在催化剂的作用下，氢原子分解成H+与e–，其中H+进入阳极侧在水合作用下，穿过质子交换膜到达阴极侧，由于电子无法穿过质子交换膜，只能通过外部(则形成外部可供做功的电路)到达阴极侧；在阴极侧，质子、电子以及氧原子在催化剂的作用下，发生反应形成水分子并释放大量的热的过程。
质子交换膜燃料电池的电极反应方程式如下：
正极：O2+4e-+4H+＝2H2O
负极：2H2＝4H++4e-
化学总反应：2H2+O2＝2H2O
对于燃料电池的运行而言，质子交换膜的水传导率是影响其性能的重要参数。根据国内外实验数据表明，燃料电池工作在60℃，气体湿度为80％-100％之间，反应效率最高，如果反应气体过于干燥，会造成质子交换膜中水分子过少，导致燃料电池工作效率下降，并可能造成交换膜损坏；而反应气体加湿过度，则会由于“水淹”等原因造成电池系统的性能恶化，因此对燃料电池工作时整体性能影响最大的则是其加湿系统。
由于用于燃料电池系统的氧气供应，目前多数采用的是由高转速和大流量的空压机提供空气的方式实现的，而空压机由于工作时其出口空气温度很高(通常高达到120～130℃左右)，这就需要将进入燃料电池电堆的空气冷却降至满足电堆正常工作的温度，通常是40～50℃左右，而增设必要的空气冷却系统，多数采用的是以中冷器为主的配以水泵、散热器、散热风扇以及散热水箱等一套冷却系统。
燃料电池的加湿系统有多种形式，分类上主要分为外加湿和内加湿两类，所谓内加湿，即是在电堆内加入加湿段，依靠膜的阻气特性与水在膜内的浓差扩散来实现的；而外加湿方法主要包括鼓泡法加湿、液态水喷射加湿、湿膜加湿、中空纤维加湿和蒸汽注射加湿等。
现有的燃料电池系统的空压机冷却系统以及加湿系统，都在一定程度上增加了其系统的复杂性和系统运行的故障点：对空压机的出口空气冷却需要采用一整套完整的冷却系统；同时，对于采用燃料电池外加湿的系统，则同样需要增设一套带补充水箱和加湿泵以及配合膜加湿或液态水喷射加湿或蒸汽注射加湿方式的一整套加湿系统，这不仅增加了系统的复杂性，也占用了大量的空间以及增加了系统的固有成本，对于目前在追求和提高燃料电池的体积功率比的技术背景下以及降低系统制造成本以增加市场竞争力方面，其缺点显得尤为突出。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池的冷却加湿集成系统，包括燃料电池电堆、气液分离器、散热器、水泵、中冷加湿器和空压机，所述中冷加湿器包括水通道和空气通道，所述水通道与所述空气通道之间通过隔板加湿结构相通；
所述燃料电池电堆的空气出口通过所述气液分离器与所述水箱的进口连接，所述水箱的出口与所述水通道的进口之间设有所述散热器和水泵；
所述空压机的排气口与所述空气通道的进口相连，所述空气通道的出口与所述燃料电池电堆的空气进口相连。
较佳地，所述隔板加湿结构包括隔板，所述隔板上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的第一开孔。
较佳地，所述水通道和空气通道均由翅片形成，形成所述水通道的翅片和形成所述空气通道的翅片均与所述隔板平行。
较佳地，所述翅片与所述隔板线接触或面接触，当所述翅片与所述隔板面接触时，与所述隔板相重叠的所述翅片上设有与所述第一开孔相通的第二开孔。
较佳地，所述翅片结构为平直形，当所述翅片断面为矩形时，与所述隔板重叠的所述的翅片部位上设有所述第二开孔。
较佳地，所述隔板为中空的腔体结构，所述隔板的中空部设有由透水膜包裹的多微孔支撑体，所述隔板上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的所述第一开孔。
较佳地，所述多微孔支撑体为泡沫金属结构。
较佳地，所述水通道的出口与所述水箱的进口相连。
较佳地，所述水通道的出口与所述水箱的进口之间还设有排水阀。
较佳地，所述气液分离器与所述水箱之间还设有真空泵。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明提供一种燃料电池的冷却加湿集成系统，将燃料电池系统的加湿系统和冷却系统集成化设计，减少了中冷器/或加湿器部件以及加湿水泵的使用。本系统为内冷却加湿系统，利用燃料电池系统自身产生的水(将燃料电池系统尾排的空气中的大量水进行重复利用)对空压机排出的空气进行冷却加湿，不仅减少了系统部件和运行的故障点，而且也极大的降低了系统的复杂性和制造成本，节省了空间，并能实现良好的加湿效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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。附图中：
图1为燃料电池的工作原理图；
图2为本发明优选实施例提供的带有冷却加湿集成系统的燃料电池的结构框图；
图3为本发明优选实施例提供的中冷加湿器的结构示意图；
图4为本发明优选实施例提供的空气通道翅片或水通道翅片的结构示意图；
图5为本发明优选实施例提供的膜加湿方案中的隔板加湿结构的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合图2至图5对本发明提供的一种燃料电池的冷却加湿集成系统进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图2至图5，一种燃料电池的冷却加湿集成系统10，此系统10为内冷却加湿系统，利用燃料电池系统自身产生的水对空压机排出的空气进行冷却加湿，其包括燃料电池电堆1、气液分离器2、水箱3、散热器5、水泵6、中冷加湿器7和空压机4，所述中冷加湿器7包括水通道和空气通道，所述水通道与所述空气通道之间通过隔板加湿结构相通。
所述气液分离器2设置在所述燃料电池电堆1的空气出口处，目的是将含有大量水的燃料电池电堆1的空气尾排通过气液分离器2进行气液分离，将分离出来的水通过管路与水箱3的进水口连接。所述燃料电池电堆1的空气出口通过所述气液分离器2与所述水箱3的进口连接，所述水箱3的出口与所述水通道的进口之间设有所述散热器5和水泵6；
所述空压机4的排气口与所述空气通道的进口相连，所述空气通道的出口与所述燃料电池电堆1的空气进口相连。
在所述中冷加湿器7内，经所述燃料电池电堆1排出的空气中的水通过所述中冷加湿器7，对经空压机4排出的空气进行冷却加湿。
作为一种实施例，中冷加湿器7的水通道的出口与所述水箱3的进水口相连，在冷却加湿集成系统10中形成水循环。
进一步的，所述水通道的出口与所述水箱3的进口之间还设有排水阀8。
当然，中冷加湿器7的水通道的出口通过排水阀8连接至系统外面，如在维修时，需要将冷却加湿系统里的水通过排水阀8排至系统外部。
所述水箱3的出口与所述水通道的进口之间设有所述散热器5和水泵6，本发明对散热器5和水泵6的排列顺序不做具体限制，图1为按照水箱3、散热器5、水泵6依次排列的顺序为例。
在冷却加湿集成系统10工作中，将燃料电池系统尾排的空气(含大量水)经过汽水分离后重复利用尾排水为冷却加湿系统的水箱3补充水量。此系统是通过水泵6进行循环启动的，散热器5先将从水箱3流出的水进行降温冷却，然后再通过水泵6输入至中冷加湿器7中，对中冷加湿器7中的空气进行冷却加湿。
进一步的，所述气液分离器2与所述水箱3之间还设有真空泵9。
在本发明中，加湿方案有两种，一种采用膜加湿方案，一种采用液态水喷射加湿方案，以下针对这两种加湿方法进行详细描述。
液态水喷射加湿方案
在本方案中，所述隔板加湿结构包括隔板73，所述隔板73上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的第一开孔。
所述水通道和空气通道均由翅片形成，形成所述水通道的水通道翅片71和形成所述空气通道的空气通道翅片72均与所述隔板73平行。
本实施例对翅片的断面构造不做具体限制，翅片与隔板73可以是线接触，也可以是面接触，当翅片与隔板73线接触时，翅片上无需再开孔；若翅片与隔板73面接触时，则需要将与所述隔板73相重叠的水通道翅片71和空气通道翅片72上开设第二开孔721，在重叠处，所述第一开孔与第二开孔721相通。
在本实施例中，水通道翅片71和空气通道翅片72均为平直形，其断面形状不固定，当所述翅片断面为矩形时，与所述隔板重叠的所述翅片的部位上设有所述第二开孔721。
本发明对中冷加湿器7中的隔板73、水通道和空气通道的个数不做限制，在本实施例中，以两个隔板73、两个水通道翅片71和一个空气通道翅片72为例，空气通道翅片72位于两个水通道翅片71之间，且空气通道翅片72的上下两侧分别与两个水通道翅片71之间设有隔板73，空气通道翅片72与隔板73重叠的部位上均设有若干第二开孔721，空气通道翅片72上方的水通道翅片71与隔板73重叠的部位上设有若干第二开孔721，空气通道翅片72下方的水通道翅片71与隔板73重叠的部位上设有若干第二开孔721。上方的水通道翅片71的上端和下方的水通道翅片71的下端均设有封板74。
优选的，隔板73与翅片不重叠的部分通过隔板73上的第一开孔与翅片通道相通，隔板73和翅片重叠部分的第一开孔和第二开孔721也重叠，且第一开孔和第二开孔721均为直径小于0.2mm的微孔，作用是形成水通道和空气通道的连通，保证水通道在一定的压力下，对空气通道形成水雾的喷射，实现加湿目的。
进一步的，水通道和空气通道的方向垂直。
膜加湿方案
膜加湿方案与液态水喷射加湿方案的区别在于，隔板的结构不同。在本方案中，所述隔板73'为中空的腔体结构，所述隔板73'的中空部设有由透水膜76包裹的多微孔支撑体75作为空气加湿的湿膜结构，所述隔板73'上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的所述第一开孔。
进一步的，所述多微孔支撑体75为泡沫金属结构，优选为泡沫金属镍支撑体。
在本方案提供的中冷加湿器7中，水通道中的水通过隔板73'内的湿膜结构对空气通道内的空气进行加湿。
本发明提供的中冷加湿器7，通过膜加湿或水喷注加湿方案，能够表现出良好的加湿效果，由于空压机4的出口排气温度较高(通常高达120～130℃左右)，在采用膜加湿的方案中，通过透水膜76进行加湿的水在较高温度的空气中，一定程度上形成雾化效果，提高了对燃料电池电堆1的加湿能力；尤其在水喷注加湿方案中，喷射的加湿水本身经过0.1～0.2mm的喷孔已经雾化，再经过高温空气的加热，对水雾形成一定的汽化，将显著提高加湿的效果。

Claims (10)

1.一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、气液分离器、水箱、散热器、水泵、中冷加湿器和空压机，所述中冷加湿器包括水通道和空气通道，所述水通道与所述空气通道之间通过隔板加湿结构相通；
所述燃料电池电堆的空气出口通过所述气液分离器与所述水箱的进口连接，所述水箱的出口与所述水通道的进口之间设有所述散热器和水泵；
所述空压机的排气口与所述空气通道的进口相连，所述空气通道的出口与所述燃料电池电堆的空气进口相连。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述隔板加湿结构包括隔板，所述隔板上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的第一开孔。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述水通道和空气通道均由翅片形成，形成所述水通道的翅片和形成所述空气通道的翅片均与所述隔板平行。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述翅片与所述隔板线接触或面接触，当所述翅片与所述隔板面接触时，与所述隔板相重叠的所述翅片上设有与所述第一开孔相通的第二开孔。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述翅片结构为平直形，当所述翅片的断面为矩形时，与所述隔板重叠的所述翅片的部位上设有所述第二开孔。
6.如权利要求2至5任一项所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述隔板为中空的腔体结构，所述隔板的中空部设有由透水膜包裹的多微孔支撑体，所述隔板上设有若干分别与所述水通道和空气通道相通的所述第一开孔。
7.如权利要求6所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述多微孔支撑体为泡沫金属结构。
8.如权利要求1所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述水通道的出口与所述水箱的进口相连。
9.如权利要求8所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述水通道的出口与所述水箱的进口之间还设有排水阀。
10.如权利要求1所述的一种燃料电池的冷却加湿集成系统，其特征在于，所述气液分离器与所述水箱之间还设有真空泵。
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