CN112820905A - 一种燃料电池的板式自加湿及冷却的方法、结构和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池的板式自加湿及冷却的方法、结构和装置，包括前压板、前端导热板、阻气性透水膜、后端导热板以及后压板。其中一组前端导热板、透水膜和后端导热板构成一个“加湿、冷却单元”。将多组加湿、冷却单元依次叠加形成具有自加湿和冷却双重功效的结构，通过多组螺栓连接紧固，形成板式自加湿及冷却装置。本发明所述板式冷却和自加湿的装置，利用燃料电池系统自身冷却水和尾排湿空气对进入电堆的高温干空气进行冷却和加湿，不仅实现了燃料电池自加湿和冷却的双重功效，而且通过集成化设计，极大的降低了系统的复杂性，减少了系统部件，节省了空间，提高了燃料电池系统的功率密度，具有非常好的实用价值和借鉴意义。

Description

一种燃料电池的板式自加湿及冷却的方法、结构和装置

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板式自加湿、冷却的方法、结构和装置。

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)。

质子交换膜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，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。由此可以看出，燃料电池工作时对整体性能具有较大的影响当属其加湿系统。

而在目前的燃料电池系统的氧气反应气供应中，采用的是由高转速和大流量的空压机提供的空气，其中，空气部分用于燃料电池化学反应发电，剩余的含有较多反应水的空气，随尾排予以排出，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，对进入电堆的干热空气进行冷却和加湿，以保证燃料电池的正常运行。

对燃料电池的加湿系统，目前的技术方面多数仍然采用加湿器对干热空气进行加湿，其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加湿；而外加湿主要采用包括鼓泡法加湿、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方法的加湿器进行加湿。

现有的燃料电池系统对空压机提供的热空气的冷却系统和加湿系统，皆为一套相对各自独立的系统，其中空压机出口空气的冷却多数采用中冷器进行冷却，需要采用一整套完整的冷却系统，包括冷却水泵、中冷器、散热风扇以及管道和水箱等；而对干热空气的加湿有采用外部的加湿器的方式，也有采用燃料电池的尾排空气进行自加湿方式的，相对来说，无论哪一种加湿方式，都是独立于空气的冷却系统的，在一定程度上都增加了燃料电池系统的复杂性，也占用了大量的空间，增加了系统的故障率和系统的成本；从成本和系统的简易性和实用性方面，都有对燃料电池系统进行改善和优化的需求，目前对燃料电池的技术发展方面的要求，向着提高燃料电池的体积功率比和大功率设计的技术方向发展，势必需要简化和优化系统，降低成本，提高功效，以增加产品的竞争力。

发明内容

为了解决上述问题并紧随市场和技术发展的需求，本发明提供了一种燃料电池的加湿、冷却集成为一体的装置，直接与燃料电池相连接，实现对进入燃料电池的空气进行冷却和加湿。其包括前压板、前端导热板、阻气性透水膜、后端导热板和后压板，以及将其组合连接为一体的一组紧固螺栓或钢带。

所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其一组前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板构成一个加湿、冷却单元。所述加湿、冷却单元中，前端导热板和后端导热板的板两侧分布有用于热交换的水流场和气体加湿的气体流场；基于优化的生产工艺实施，采用后一组加湿、冷却单元的前端导热板与前一组加湿、冷却单元的后端导热板组合成为内部具有冷却水腔体的“双导热板”；阻气性透水膜处于前后两组的“双导热板”之间，三者通过密封垫(圈)进行密封，将多组加湿、冷却单元依次叠加形成具有自加湿和冷却双重功效的结构，由前、后压板通过多组螺栓(或钢带)进行连接紧固形成自加湿、冷却装置。

所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成为一体的装置，其第一加湿、冷却单元的前端导热板与阻气性透水膜相贴合，构成一组通过干热空气流场的腔体；其第一加湿、冷却单元的阻气性透水膜与后端导热板的相贴合，构成一组通过电堆尾排空气流场的腔体；其第一加湿、冷却单元的后端导热板与第二加湿、冷却单元的前端导热板相贴合，中间形成一组通过冷却水流场的腔体，构成“双导热板”；

进一步的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其前压板左面设置有三个第一开孔，分别作为燃料电池工作所需的燃料气、冷却水和干热空气的入口；其前压板右侧设置有三个第二开孔，分别作为燃料电池工作所需的燃料气尾排、冷却水和空气尾排的出口。

进一步的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其构成一组加湿、冷却单元的前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板分别在其左端设置有四个第一开孔，多组加湿、冷却单元连接组合后，分别作为提供给电堆的燃料气、冷却水和干热空气的通道，以及通过电堆尾排空气(尚未与干热空气交互)的第一通道；

前压板左侧面的三个第一开孔与多组加湿、冷却单元中的三个通道(燃料气、冷却水和干热空气)相连接，其中燃料气通道为过孔通道，冷却水通道与各组“双导热板”内部的冷却水腔体联通；干热空气通道与各组加湿、冷却单元的干热空气流场的腔体联通；电堆尾排空气通道(第一通道)与各组加湿、冷却单元的尾排空气流场的腔体联通；四组通道之间通过密封圈(垫) 与其他腔体或通道相隔离；尾排空气通道(第一通道)在前压板处形成盲堵。

进一步的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其构成一组加湿、冷却单元的前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板分别在其右端设置有四个第二开孔，多组加湿、冷却单元连接组合后，分别作为通过电堆尾排燃料气、冷却水回水和湿冷空气(干热空气与电堆尾排空气交互后) 的通道，以及电堆尾排空气(与干热空气交互后)的第二通道；

前压板右侧面的三个第二开孔与多组加湿、冷却单元中的三个通道(燃料气尾排、冷却水回水和电堆尾排空气)相连接，其中燃料气尾排通道为过孔通道；冷却水回水通道与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体联通；尾排空气通道(第二通道)与各组加湿、冷却单元的尾排空气流场的腔体联通；湿冷空气的通道与各组加湿、冷却单元的干热空气流场的腔体联通，四组通道之间通过密封圈(垫)与其他腔体或通道相隔离；湿冷空气的通道在前压板处形成盲堵。

进一步的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其后压板与电堆的前端板相连接。该后压板左侧面设置有三个第一开孔，分别作为为电堆提供燃料气和冷却水的出口以及电堆尾排空气的入口，与电堆的前端板的燃料气入口、冷却水入口以及尾排空气出口相连接；

后压板的三个第一开孔与多组加湿、冷却单元中的左侧三个通道(燃料气、冷却水和尾排空气)相连接，最后一组加湿、冷却单元作为干热空气的通道，在后压板此处通道形成盲堵。

进一步的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，其后压板右侧面设置有三个第二开孔，分别作为为燃料电池提供工作所反应后的燃料气尾排和冷却水回水的入口以及提供给燃料电池的氧气(湿冷空气)的出口，与电堆的前端板的燃料气尾排出口、冷却水出口以及湿冷空气入口相连接；

后压板的三个第二开孔与多组加湿、冷却单元中的三个右侧通道(燃料气尾排、冷却水回水和湿冷空气)相连接，最后一组加湿、冷却单元作为尾排空气的第二通道，在后压板此处通道形成盲堵。

较佳的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成一体的装置，用于进行水渗透的阻气性透水膜，可以采用一种(不仅限于)由透水膜包裹的多微孔支撑体的湿膜结构。

较佳地，所述多微孔支撑体为泡沫金属结构或金属丝网结构。

较佳的，所述的一种燃料电池的加湿、冷却集成为一体的装置，其左右侧还设置有用于装配定位的定位板。

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加湿、冷却集成一体的装置，将燃料电池系统的加湿和冷却集成化设计，可以直接和燃料电池组合成一体，与其共用一套冷却系统，对进入电堆的干热空气进行冷却，并利用燃料电池尾排空气中的水对进入电堆的干热空气进行加湿，达到冷却和自加湿的双重功效，不仅减少了中冷器/或加湿器部件以及加湿水泵的使用，而且能够大大简化燃料电池系统的设计，降低了系统的复杂性和制造成本，节省了空间，大大提高了燃料电池系统的功率密度，具有非常好的实用价值和借鉴意义。

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为本发明优选实施例提供的带有加湿、冷却功效装置的结构示意图，其中，仅用了一组加湿、冷却单元作为示意；

图2为本发明优选实施例提供的带有加湿、冷却功效装置的自加湿、冷却原理图，其中，仅用了两组加湿、冷却单元作为示意和说明；

图3为本发明优选实施例提供的带有加湿、冷却功效装置的燃料气、氧气 (空气)以及冷却水的流向和结构原理示意图；其中，仅用了两组加湿、冷却单元作为示意和说明；

图4为本发明优选实施例提供的带有加湿、冷却功效的装置，与电堆组合后的燃料气、氧气(空气)以及冷却水的流向和结构原理示意图；

图5为本发明优选实施例提供的由透水膜包裹的多微孔支撑体的湿膜结构示意图。

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加湿、冷却集一体化装置进行详细的描述，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、加湿集一体化装置，此装置为一种内加湿、冷却系统，其特征在于利用与电堆同一套冷却系统对进入电堆的热空气进行冷却，同时利用电堆自身产生的水对进入电堆的干热空气进行加湿。该装置的结构包括前压板1、前端导热板2、阻气性透水膜3、后端导热板4、密封圈(垫)5、后压板6、螺栓组7和左右定位板8。

所述一组前端导热板2、阻气性透水膜3和后端导热板4构成一组加湿、冷却单元；所述加湿、冷却单元中，前端导热板2和后端导热板4的板两侧分布有用于热交换的水流场和气体加湿的气体流场；基于工艺的实施，可以将前一组加湿、冷却单元的后端导热板4与后一组加湿、冷却单元的前端导热板2 组合成一体，内部设置有冷却水的腔体，构成“双导热板”。阻气性透水膜处于“双导热板”之间，三者通过密封垫(圈)5进行密封，将多组加湿、冷却单元依次叠加形成具有自加湿和冷却双重功效的结构，由前压板1、后压板 6通过多组螺栓7进行连接紧固形成自加湿、冷却装置。

进一步的，所述前压板1的左侧面设置有三个第一开孔，分别用于作为提供给电堆的燃料气的入口、用于冷却水(提供电堆冷却和热空气冷却)的入口和干热空气的入口；所述前压板的右侧面设置有三个第二开孔，分别用于电堆尾排燃料气的出口、用于冷却水的出口和空气尾排出口。

所述后压板6的左侧面设置有三个第一开孔，分别用于作为提供给电堆的燃料气的出口、用于提供电堆冷却水的出口和电堆尾排空气的入口；所述后压板的右侧面设置有三个第二开孔，分别用于电堆尾排燃料气的入口、用于电堆冷却回水的入口和湿冷空气进电堆的出口。

进一步的，所述前压板1与第一组加湿、冷却单元的前端导热板2相连，二者之间构成冷却水的腔体；所述第一组加湿、冷却单元的前端导热板2与其阻气性透水膜3相连，二者之间构成通过干热空气的腔体；所述第一组加湿、冷却单元的阻气性透水膜3与其后端导热板4相连，二者之间构成通过电堆尾排空气(含较多的水)的腔体，各腔体之间通过密封圈(垫)5密封；

所述第一组加湿、冷却单元的后端导热板4与第二组加湿、冷却单元的前端导热板1相连，二者之间构成通过冷却水的腔体，基于工艺的实践，二者组合成“双导热板”。

据此依次叠加多组加湿、冷却单元，直至最后一组加湿、冷却单元的后端导热板4与后压板6相连，二者之间构成通过冷却水的腔体，通过密封圈(垫) 5进行密封。

进一步的，所述构成一组加湿、冷却单元的前端导热板2、阻气性透水膜 3和后端导热板4分别在其左侧面设置有四个第一开孔，叠加组合为多组的加湿、冷却单元集合后，形成四个通道，其中三个通道分别与前压板1的三个第一开孔相连通，构成燃料气通道、冷却水通道以及干热空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和干热空气腔体联通，其中燃料气为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

所述多组加湿、冷却单元组合后形成的左侧面的四个通道，其中三个通道分别于后压板6的三个第一开孔相连通，构成燃料气通道、冷却水通道以及电堆尾排空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和电堆尾排空气腔体联通，其中燃料气为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

进一步的，所述自前压板1左侧面入口与各组加湿、冷却单元的干热空气腔体联通的干热空气通道，在后压板6处封堵，通过各组加湿、冷却单元的干热空气腔体联通到右侧的湿冷空气通道(后述)。

所述自后压板6左侧面入口与各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通的电堆尾排空气通道(第一通道)，在前压板1处封堵，通过各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通到右侧的电堆尾排空气通道(第二通道)(后述)。

进一步的，所述构成一组加湿、冷却单元的前端导热板2、阻气性透水膜 3和后端导热板4分别在其右侧面设置有四个第二开孔，叠加组合为多组的加湿、冷却单元集合后，形成四个通道，其中三个通道分别与后压板1的三个第二开孔相连通，构成燃料气尾排通道、冷却水回水通道以及湿冷空气通道，并分别与各组加湿、冷却单元的冷却水腔体和干热空气腔体(与湿空气交互后的成为湿冷空气)联通，其中燃料气尾排为过孔通道，各通道之间通过密封圈(垫)5进行密封；

所述通过各组加湿、冷却单元的电堆尾排空气腔体联通到右侧的电堆尾排空气通道(第二通道)在后压板6处封堵，在前压板1处与电堆尾排空气出口联通，用于排放尾排空气。

所述通过各组加湿、冷却单元的干热空气腔体(与湿空气交互后的成为湿冷空气)联通到右侧的湿冷空气通道在前压板1处封堵，在后压板6处与湿冷空气出口联通，用于给电堆提供湿冷空气。

请结合图3各介质流向和结构原理示意图。本原理示意图仅是一种实施例，不限于各通道的各种组合。

干热空气冷却、加湿工作原理：

冷却工作原理：干热空气自前压板的左侧面入口进入，通过由左侧各组加湿、冷却单元组合成的干空气通道，与各组由“双导热板”与阻气性透水膜贴合构成的干热空气腔体的左侧联通，干空气通道在后压板的左侧封堵。干热空气穿过此多组腔体到达右侧由各组加湿、冷却单元组合成的空气通道；期间，通过与多组双导热板内部腔体的冷却水进行热交换，在右侧的空气通道内形成低温的冷空气，实现冷却功效。

加湿工作原理：干热空气穿过由多组“双导热板”与阻气性透水膜贴合构成的干热空气腔体到达右侧由各组加湿、冷却单元组合成的空气通道时，与各组双导热板与阻气性透水膜构成的尾排空气通道的尾排空气(含大量水)，通过阻气性透水膜进行交互，通过水的渗透和浓差扩散，实现对干热空气进行加湿的功效；

在本发明中，对于阻气性透水膜可以用具有加湿功效的湿膜结构进行替代，以增加其实用性和经济性，以下针对这种加湿结构给予详细描述。

湿膜结构

本方案中，所述湿膜结构可以采用具有一定支撑作用的复合体，设有由透水膜31包裹的多微孔支撑体32作为空气加湿的湿膜结构，所述的多微孔支撑体32为泡沫金属结构或金属丝网结构，优选为泡沫金属镍支撑体。见图5。

Claims (10)

1.一种燃料电池的板式自加湿及冷却的方法、结构和装置，其特征在于包括前压板、前端导热板、阻气性透水膜、后端导热板以及后压板。

所述的一组前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板构成一个“加湿、冷却单元”。将多组加湿、冷却单元依次叠加形成具有自加湿和冷却双重功效的结构，由前、后压板通过多组螺栓进行连接紧固形成自加湿、冷却装置。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的方法，其特征在于采用燃料电池自身冷却系统的冷却水对进入电堆的高温空气进行冷却，与燃料电池采用并联、分段方式进行冷却；采用燃料电池阴极侧产生的水，随尾排空气与进入电堆的高温干空气进行交互；其之间设置有阻气性透水膜，实现对反应空气的加湿以及两种气体的隔离。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于前端导热板和后端导热板采用板式换热结构，导热板的两侧分布有用于热交换的水流场和气体加湿的气体流场。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于所述的一组前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板构成一组“加湿、冷却单元”，阻气性透水膜处于前端导热板和后端导热板之间；多组加湿、冷却单元处于前压板与后压板之间。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于所述的前压板和后压板左侧面均设置有三个第一开孔，在其右侧面均设置有三个第二开孔。

6.如权利要求4所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于构成一组加湿、冷却单元的前端导热板、阻气性透水膜和后端导热板分别在左侧面均设置有四个第一开孔，在其右侧面均设置有四个第二开孔。

7.如权利要求5～6所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于构成一组加湿、冷却单元左侧面的四个第一开孔在多组加湿、冷却单元叠加后组成四个通道；右侧面的四个第二开孔在多组加湿、冷却单元叠加后组成四个通道；左侧面四个通道分别于前压板的左侧面的三个第一开孔联通和后压板的左侧面的三个第一开孔联通，所有通道之间通过密封圈(垫)进行隔绝密封。

8.如权利要求6～7所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于所述的前一组加湿、冷却单元的后端导热板与后一组加湿、冷却单元的前端导热板组合成“双导热板”，内部包含有通过冷却水的流场构成的腔体，多组双导热板的冷却水腔体与冷却水联通；所述双导热板与阻气性透水膜之间组合形成具有通过干空气和湿空气气体的流场的腔体；多组所述的加湿、冷却单元中的通过干热空气和湿冷空气气体的腔体在其左、右侧面分别与干热空气通道、湿冷空气通道联通。

9.如权利要求8所述的“双导热板”，其特征在于内部有构成的流经冷却水腔体的水流场，其流场的流道设置和分布，不限于蛇形流场、多流道平行流场等；其组合的形式和结构包括但不限于焊接、粘结以及冲压成型等；所述“双导热板”的外部两侧分布有用于干、湿气体交互的加湿气体流场，其流场的流道设置和分布，不仅限于蛇形流场、多流道平行流场以及交指形流场等。

10.如权利要求1所述的一种燃料电池板式自加湿及冷却的结构，其特征在于多组加湿、冷却单元由前、后压板夹合紧固形成，其夹合紧固的方式采用但不仅限于由多组螺栓进行连接紧固形成，也可以采用钢带绑扎等形式进行紧固形成。

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