CN112768718A - 一种燃料电池及其供氢系统加热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池及其供氢系统加热结构，该燃料电池供氢系统加热结构包括电堆金属端板，电堆金属端板设置有换热流道，换热流道在电堆金属端板的表面上形成有入口及出口；通过在电堆金属端板设置换热流道，使供氢气体流过该换热流道与电堆金属端板进行换热以利用电堆废热对供氢气体的加热，不需要增加加热电阻丝这种加热设备，在降低成本及功耗的同时，保证了供氢的安全性，且电堆金属端板由金属制成，一般为铝合金，具有良好的导热性，相对于与冷却液管路换热的方式，换热效率更高，且避免了冷却液管路流阻增加，综上所述，本专利的换热结构简单、易实施，换热效果好、换热速度快，可靠性高，特别适用于使用引射器的燃料电池阳极循环系统。

Description

一种燃料电池及其供氢系统加热结构
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及其供氢系统加热结构。
背景技术
在燃料电池系统中，引射器的工作流体为从高压氢瓶减压之后的氢气，引射流体为电堆阳极出口的高温高湿混合气体。由于从氢瓶供给的工作流体温度较低，与高温高湿的引射流体混合后容易冷凝产生液态水，从而容易造成电堆水淹，导致电堆一致性差、寿命降低，尤其在低温环境下，影响更为突出。
目前的燃料电池供氢加热方式有两种：一种为减压器或者中压供氢管上增加加热电阻丝，通过电能给供氢气体加热，此加热方式一方面会增加辅助系统功耗，另一方面可能存在氢安全风险，同时会增加零部件的成本；另一种为通过电堆出口的高温冷却液管路给供氢气体加热，由于需要考虑系统绝缘，冷却液管路一般采用绝缘的橡胶管或者塑料管，而橡胶管或者塑料管的导热系数比较低，导致此加热方式效率较低，同时还会增加冷却液路流阻，导致冷却水泵功耗增加。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种燃料电池供氢系统加热结构，以改善供氢加热方式，消除上述两种供氢加热方式的缺点。
本发明的第二目的在于提供一种基于上述燃料电池供氢系统加热结构的燃料电池。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池供氢系统加热结构，包括电堆金属端板，所述电堆金属端板设置有换热流道，所述换热流道在所述电堆金属端板的表面上形成有入口以及出口。
优选地，所述电堆金属端板包括端板本体以及盖板，所述端板本体设置有开放槽，所述盖板与所述端板本体密封配合连接封盖所述开放槽形成所述换热流道，所述入口以及所述出口开设于所述端板本体或所述盖板。
优选地，所述端板本体与所述盖板焊接连接且所述端板本体与所述盖板之间夹持有密封圈。
优选地，所述端板本体的周向边缘设置有第一凹凸配合结构，所述盖板的周向边缘设置有第二凹凸配合结构，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构配合对所述盖板与端板本体的连接位置进行限位，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构两者中的一个为环形隔离槽，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构两者中的另一个为环形隔离筋。
优选地，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋内侧的周向表面与所述环形隔离槽的内侧壁顶端面之间夹持有所述密封圈，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋外侧的周向表面与所述环形隔离槽的外侧壁顶端面之间形成有焊接空间。
优选地，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋外侧的周向表面以及所述环形隔离槽的外侧壁顶端面分别设置有倒角斜面，两个所述倒角斜面构成V形的所述焊接空间。
优选地，所述换热流道内设置有换热翅片结构。
优选地，所述换热翅片结构包括多个波浪形翅片，各所述波浪形翅片平行并排设置，且所述波浪形翅片的长度方向沿所述换热流道内的气体流动方向设置。
优选地，所述换热翅片结构包括多个直翅片，各个所述直翅片的长度方向与所述换热流道内的气体流动方向垂直，各个所述直翅片沿所述换热流道内的气体流动方向上下交错且相互间隔设置。
优选地，各所述直翅片与所述换热流道的内壁之间圆角过渡。
一种燃料电池，包括如上任意一项所述的燃料电池供氢系统加热结构。
由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种燃料电池供氢系统加热结构，该燃料电池供氢系统加热结构包括电堆金属端板，电堆金属端板设置有换热流道，换热流道在电堆金属端板的表面上形成有入口以及出口；电堆金属端板是燃料电池的一部分，在燃料电池运行过程中，受电堆内部废热的影响，电堆金属端板温度为60℃～95℃，而供氢气体加热温度目标为≥25℃，完全可以满足供氢气体加热需求，因此通过在电堆金属端板上设置换热流道，使供氢气体流过该换热流道与电堆金属端板进行换热以利用电堆废热对供氢气体的加热，不需要增加加热电阻丝这种加热设备，在降低成本及功耗的同时，保证了供氢的安全性，且电堆金属端板由金属制成，一般为铝合金，具有良好的导热性，相对于与冷却液管路换热的方式，换热效率更高，且避免了冷却液管路流阻增加，综上所述，本专利的换热结构简单、易实施，换热效果好、换热速度快，可靠性高，特别适用于使用引射器的燃料电池阳极循环系统。
本发明还公开了一种燃料电池，该燃料电池包括上述的燃料电池供氢系统加热结构，由于该燃料电池供氢系统加热结构具有上述有益效果，则采用该燃料电池供氢系统加热结构的燃料电池理应具有相同的有益效果，在此不再赘述。
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为本发明一种实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构的结构示意图；
图2为图1中A处的局部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构的盖板的结构示意图；
图4为本发明一种实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构的端板本体的结构示意图；
图5为本发明另一种实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构的端板本体的结构示意图。
其中：
1为端板本体；2为入口；3为换热流道；4为波浪形翅片；4’为直翅片；5为出口；6为盖板；7为环形隔离槽；8为环形隔离槽的内侧壁；9为环形隔离槽的外侧壁；10为环形隔离筋。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种燃料电池供氢系统加热结构，以达到改善供氢加热方式，消除现有两种供氢加热方式的缺点的目的。
本发明的另一核心是提供一种基于上述燃料电池供氢系统加热结构的燃料电池。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明一种实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构的结构示意图。
本发明实施例中公开了一种燃料电池供氢系统加热结构，该燃料电池供氢系统加热结构包括电堆金属端板，电堆金属端板设置有换热流道3，换热流道3在电堆金属端板的表面上形成有入口2以及出口5；上述电堆金属端板是燃料电池的一部分，在燃料电池运行过程中，受电堆内部废热的影响，电堆金属端板温度为60℃～95℃，而供氢气体加热温度目标为≥25℃，完全可以满足供氢气体加热需求；在应用时，入口2与出口5分别采用双径向密封法兰底座与供氢管双径向密封法兰相接。
综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的燃料电池供氢系统加热结构通过在电堆金属端板上设置换热流道3，使供氢气体流过该换热流道3与电堆金属端板进行换热以利用电堆废热对供氢气体的加热，不需要增加加热电阻丝这种加热设备，在降低成本及功耗的同时，保证了供氢的安全性，且电堆金属端板由金属制成，一般为铝合金，具有良好的导热性，相对于与冷却液管路换热的方式，换热效率更高，且避免了冷却液管路流阻增加，综上所述，本专利的换热结构简单、易实施，换热效果好、换热速度快，可靠性高，特别适用于使用引射器的燃料电池阳极循环系统。
作为优选地，为便于加工，在本发明实施例中，电堆金属端板采用分体式结构，电堆金属端板包括端板本体1以及盖板6，端板本体1设置有开放槽，盖板6与端板本体1密封配合连接封盖开放槽形成换热流道3，入口2以及出口5开设于端板本体1或盖板6。
需要说明的是，入口2以及出口5可以全部设置于端板本体1，或者入口2以及出口5可以全部设置于盖板6，或者入口2与出口5之一设置于端板本体1，另一个设置于盖板6。
进一步地，如图1和图4所示，在本发明一种实施例中，入口2与出口5以及开放槽分别设置于端板本体1的不同的表面上，入口2与出口5分别为直孔与开放槽的两端连接，在其他实施例中，入口2与出口5以及开放槽也可以开设于端板本体1的同一个表面上，将入口2与出口5设置为L形孔或者弧形孔即可。
端板本体1与盖板6之间可以通过多种方式实现密封连接，比如端板本体1与盖板6两者之间可以通过螺纹紧固件连接、焊接等，在本发明实施例中，为增强密封效果，端板本体1与盖板6焊接连接且端板本体1与盖板6之间夹持有密封圈，这样通过焊接结构以及密封圈可形成双重密封结构，提高密封效果，避免泄漏，提高燃料电池供氢系统加热结构的安全性。
进一步地，为便于盖板6与端板本体1的配合安装，如图2和图3所示，端板本体1的周向边缘设置有第一凹凸配合结构，盖板6的周向边缘设置有第二凹凸配合结构，第一凹凸配合结构与第二凹凸配合结构配合对盖板6与端板本体1的连接位置进行限位，第一凹凸配合结构与第二凹凸配合结构两者中的一个为环形隔离槽7，第一凹凸配合结构与第二凹凸配合结构两者中的另一个为环形隔离筋10，环形隔离槽7的宽度比环形隔离筋10的宽度大1mm～2mm；在装配时，环形隔离槽7与环形隔离筋10配合对盖板6进行定位，便于将盖板6与端板本体1的装配作业，同时由于在本发明实施例中，盖板6与端板本体1之间采用焊接连接，环形隔离槽7与环形隔离筋10还能够避免焊接时局部温度过高或者熔渣沿交接缝隙流到密封圈所在位置导致密封圈融化破坏。
作为优选地，端板本体1以及盖板6设置有环形隔离筋10的一个在环形隔离筋10内侧的周向表面与环形隔离槽7的内侧壁8顶端面之间夹持有密封圈，端板本体1以及盖板6设置有环形隔离筋10的一个在环形隔离筋10外侧的周向表面与环形隔离槽7的外侧壁9顶端面之间形成有焊接空间。
为了实现对密封圈内的定位，环形隔离槽7的内侧壁8顶端面可设置环形定位槽，密封圈设置于该环形定位槽内。
进一步优化上述技术方案，如图1和图4所示，开放槽的开口周围形成有环形凸台，第一凹凸配合结构设置于该环形凸台的上表面，环形凸台加高了开放槽的深度，更有助于下述翅片结构的设置。
由于上述环形凸台的原因，导致电堆金属端板的平面凸出10mm，与电堆金属端板对配的集成端板模块的相应区域凹入12mm，以便于装配。
作为优选地，上述端板本体1以及盖板6设置有环形隔离筋10的一个在环形隔离筋10外侧的周向表面以及环形隔离槽7的外侧壁9顶端面分别设置有倒角斜面，两个倒角斜面构成V形的焊接空间，便于焊接。
作为优选地，上述倒角斜面呈30°～45°。
进一步地，为提高换热效果，如图1、图4和图5所示，换热流道3内设置有换热翅片结构。
在本发明一种实施例中，如图4所示，换热翅片结构包括多个波浪形翅片4，各波浪形翅片4平行并排设置，且波浪形翅片4的长度方向沿换热流道3内的气体流动方向设置，该实施例中的换热翅片结构的换热面积大，与气体流线方向平行，能够有效降低供氢气体的流阻。
在本发明另一种实施例中，如图5所示，换热翅片结构包括多个直翅片4’，各个直翅片4’的长度方向与换热流道3内的气体流动方向垂直，各个直翅片4’沿换热流道3内的气体流动方向上下交错且相互间隔设置没这种换热翅片结构能够在换热流道3内形成迷宫结构，换热面积大，流体换热充分。
进一步优化上述技术方案，各直翅片4’与换热流道3的内壁之间圆角过渡，能够有效降低流体阻力。
基于上述实施例中的燃料电池供氢系统加热结构，本发明还提供了一种燃料电池，该燃料电池包括上述实施例中的燃料电池供氢系统加热结构，由于该燃料电池供氢系统加热结构具备上述技术效果，则采用了上述燃料电池供氢系统加热结构的燃料电池的技术效果请参考上述实施例。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，包括电堆金属端板，所述电堆金属端板设置有换热流道，所述换热流道在所述电堆金属端板的表面上形成有入口以及出口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述电堆金属端板包括端板本体以及盖板，所述端板本体设置有开放槽，所述盖板与所述端板本体密封配合连接封盖所述开放槽形成所述换热流道，所述入口以及所述出口开设于所述端板本体或所述盖板。
3.根据权利要求2所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述端板本体与所述盖板焊接连接且所述端板本体与所述盖板之间夹持有密封圈。
4.根据权利要求3所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述端板本体的周向边缘设置有第一凹凸配合结构，所述盖板的周向边缘设置有第二凹凸配合结构，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构配合对所述盖板与端板本体的连接位置进行限位，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构两者中的一个为环形隔离槽，所述第一凹凸配合结构与所述第二凹凸配合结构两者中的另一个为环形隔离筋。
5.根据权利要求4所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋内侧的周向表面与所述环形隔离槽的内侧壁顶端面之间夹持有所述密封圈，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋外侧的周向表面与所述环形隔离槽的外侧壁顶端面之间形成有焊接空间。
6.根据权利要求5所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述端板本体以及所述盖板设置有所述环形隔离筋的一个在所述环形隔离筋外侧的周向表面以及所述环形隔离槽的外侧壁顶端面分别设置有倒角斜面，两个所述倒角斜面构成V形的所述焊接空间。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述换热流道内设置有换热翅片结构。
8.根据权利要求7所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述换热翅片结构包括多个波浪形翅片，各所述波浪形翅片平行并排设置，且所述波浪形翅片的长度方向沿所述换热流道内的气体流动方向设置。
9.根据权利要求7所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，所述换热翅片结构包括多个直翅片，各个所述直翅片的长度方向与所述换热流道内的气体流动方向垂直，各个所述直翅片沿所述换热流道内的气体流动方向上下交错且相互间隔设置。
10.根据权利要求9所述的燃料电池供氢系统加热结构，其特征在于，各所述直翅片与所述换热流道的内壁之间圆角过渡。
11.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-10任意一项所述的燃料电池供氢系统加热结构。
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