CN114628724B - 一种燃料电池堆的换热端板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆的换热端板结构，属于燃料电池堆技术领域，能够解决现有燃料电池堆阳极气体温度过高容易烧坏膜电极，阴极气体温度过低影响电堆性能的问题。所述换热端板结构包括封闭腔体；封闭腔体具有相对设置的第一端壁和第二端壁；第一端壁上设置有阳极进气口和阴极进气口；第二端壁上设置有阳极出气口和阴极出气口；封闭腔体内设置换热隔板，换热隔板将封闭腔体分为阳极腔体和阴极腔体；阳极腔体内具有阳极流道，阳极流道连通阳极进气口和阳极出气口；阳极流道内设置有阳极换热器；阴极腔体具有阴极流道，阴极流道连通阴极进气口和阴极出气口；阴极流道内设置有阴极换热器。本发明用于燃料电池堆的换热端板。

Description

一种燃料电池堆的换热端板结构
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆的换热端板结构，属于燃料电池堆技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有环境友好、寿命长、效率高以及比功率与比能量高的优点，成为众多厂商及研究机构的研究重点。其中，高温质子交换膜燃料电池能够提高膜电极的反应活性，加快反应速度，进一步提高比功率；运行温度高可以避免水淹现象，简化水管理系统；醇类燃料重整气可以给燃料电池提供热量，燃料电池的余热又可以给重整系统供热，提高整体效率；高温可以减轻催化剂中毒，提高燃料电池的性能与寿命。电堆端板是高温电堆的关键部件，电堆端板的作用主要包括电堆与外部供气、热管理管路连接；集成电堆的测温、测压力装置；高温重整气热量回收，提高效率；重整气体中的粉尘过滤。
现有的燃料电池阳极气体与阴极气体直接通过端板进入电堆，当阳极气体是高温重整气时，高温气体会烧损膜电极；阴极进料方式大多采用室温条件下直接由空气泵泵入空气至膜电极阴极反应侧，由于室温相比于电堆工作温度相差很大，导致电池入口温度偏低，电堆温差大，影响电堆性能。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池堆的换热端板结构，能够解决现有燃料电池堆阳极气体温度过高容易烧坏膜电极，阴极气体温度过低导致电池入口温度偏低，电堆温差大，影响电堆性能的问题。
本发明提供了一种燃料电池堆的换热端板结构，包括封闭腔体；所述封闭腔体具有相对设置的第一端壁和第二端壁；所述第一端壁上设置有阳极进气口和阴极进气口；所述第二端壁上设置有阳极出气口和阴极出气口；所述封闭腔体内设置换热隔板，所述换热隔板将所述封闭腔体分为阳极腔体和阴极腔体；所述阳极腔体内具有阳极流道，所述阳极流道连通所述阳极进气口和阳极出气口；所述阳极流道内设置有阳极换热器；所述阴极腔体具有阴极流道，所述阴极流道连通所述阴极进气口和所述阴极出气口；所述阴极流道内设置有阴极换热器。
可选的，所述第一端壁为上盖板，所述第二端壁为下盖板；所述封闭腔体还包括环形侧壁；所述上盖板、所述下盖板与所述环形侧壁围成所述封闭腔体；所述环形侧壁与所述上盖板、所述下盖板一体成型。
可选的，所述环形侧壁与所述上盖板、所述下盖板采用真空钎焊工艺一体成型。
可选的，所述阳极换热器和所述阴极换热器均为翅片式换热器；所述翅片式换热器相邻翅片之间的间距为0.1mm～0.5mm。
可选的，所述阳极出气口处设置有测温件；所述测温件用于测量所述阳极出气口处的阳极气体温度；还包括控制单元，所述控制单元用于在所述阳极气体温度大于或等于预设温度时，控制阴极气泵增大输出气量，以增大所述阴极流道内的阴极气体气量。
可选的，所述第一端壁上设置有导热材料进口；所述第二端壁上设置有导热材料出口；所述封闭腔体内还具有导热材料流道，所述导热材料流道连通所述导热材料进口和所述导热材料出口。
可选的，所述导热材料进口、所述阳极进气口和阴极进气口中的至少一个上螺纹连接有卡盘结构。
可选的，所述第一端壁上设置有第一安装孔和第二安装孔；所述第一安装孔内安装有压力传感器；所述第二安装孔内安装有热电偶；所述压力传感器用于检测所述导热材料流道中流淌的导热材料的压力；所述热电偶用于检测所述导热材料流道中流淌的导热材料的温度。
可选的，所述导热材料流道中流淌的导热材料为导热油。
可选的，所述换热隔板的材质为铝合金。
本发明能产生的有益效果包括：
本发明提供的燃料电池堆的换热端板结构，利用高效换热器和换热隔板的传热，将阳极的高温重整气与阴极空气进行换热，降低了阳极重整气的温度，减小对膜电极的损害；高温重整气与阴极空气温差大，换热效率高，并且不消耗外部能源的情况下对阴极空气进行了有效的预热，提高了电堆性能；换热结构与端板的一体化集成，节省了燃料电池系统的空间，降低了系统集成的复杂性，利于产品实用化开发。
附图说明
图1为本发明实施例提供的燃料电池堆的换热端板结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的燃料电池堆的换热端板结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的第一端壁结构示意图；
图4为本发明实施例提供的封闭腔体结构示意图一；
图5为本发明实施例提供的封闭腔体结构示意图二；
图6为本发明实施例提供的第二端壁结构示意图。
部件和附图标记列表：
11、封闭腔体；12、第一端壁；13、第二端壁；14、阳极进气口；15、阴极进气口；16、阳极出气口；17、阴极出气口；18、阳极流道；19、阴极流道；20、阳极换热器；21、阴极换热器；22、导热材料进口；23、导热材料出口；24、导热材料流道；25、第一安装孔；26、第二安装孔。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种燃料电池堆的换热端板结构，如图1至图6所示，包括封闭腔体11；封闭腔体11具有相对设置的第一端壁12和第二端壁13；第一端壁12上设置有阳极进气口14和阴极进气口15；第二端壁13上设置有阳极出气口16和阴极出气口17；封闭腔体11内设置换热隔板，换热隔板将封闭腔体11分为阳极腔体和阴极腔体；阳极腔体内具有阳极流道18，阳极流道18连通阳极进气口14和阳极出气口16；阳极流道18内设置有阳极换热器20；阴极腔体具有阴极流道19，阴极流道19连通阴极进气口15和阴极出气口17；阴极流道19内设置有阴极换热器21。
参考图1至图4所示，第一端壁12上还设置有导热材料进口22；第二端壁13上设置有导热材料出口23；封闭腔体11内还具有导热材料流道24，导热材料流道24连通导热材料进口22和导热材料出口23。
其中，导热材料进口22、阳极进气口14和阴极进气口15中的至少一个上螺纹连接有卡盘结构。卡盘结构与第一端壁12采用螺纹连接方式，这样便于标准化安装。
在实际应用中，换热隔板的材质可以为铝合金，这样便于热量传导、且易于与封闭腔体11的内壁焊接。阳极换热器20和阴极换热器21与封闭腔体11的内壁可以采用钎焊的方式连接。换热端板采用铝合金材质，有良好的焊接性，并且密度小，能够提高电堆比功率。
参考图1至图6所示，使用高温燃料电池堆高效换热端板时，重整气从阳极进气口14进入阳极换热器20，空气从阴极进气口15进入阴极换热器21进行热量交换，使阳极重整气降温且预热阴极空气。
本发明利用高效换热器和换热隔板的传热，将阳极的高温重整气与阴极空气进行换热，降低了阳极重整气的温度，减小对膜电极的损害；高温重整气与阴极空气温差大，换热效率高，并且不消耗外部能源的情况下对阴极空气进行了有效的预热，提高了电堆性能。
在本发明实施例中，第一端壁12为上盖板，第二端壁13为下盖板；封闭腔体11还包括环形侧壁；上盖板、下盖板与环形侧壁围成封闭腔体11；环形侧壁与上盖板、下盖板一体成型。进一步的，环形侧壁与上盖板、下盖板采用真空钎焊工艺一体成型。
现有的电堆端板换热腔采用密封垫密封，密封平面加工精度高，加工困难，密封垫密封安装难度大，制造成本高。腔体密封垫密封冷热交替长时间运行易泄露，密封可靠性低。
本发明采用真空钎焊一体化成型技术。环形侧壁与上下盖板进行钎焊无需密封垫，减少加工成本，多个端板可一起进行真空钎焊，生产效率高，适合大批量生产，大大缩减成本。钎焊一体成型，焊缝强度高，不易泄露，密封可靠性高。
参考图4和图5所示，阳极换热器20和阴极换热器21均为翅片式换热器。其中，翅片式换热器的换热翅片可以为锯齿形结构，材质可以为铝合金。
由于阳极重整气中含有大量的粉尘，若燃料电池阳极重整气体直接通入电堆，粉尘覆盖膜电极表面，较小催化剂反应区域，影响电堆性能。若单独安装粉尘过滤器，则电堆的体积增加，影响电堆的比功率。因而，较佳的，设置翅片式换热器相邻翅片之间的间距为0.1mm～0.5mm。利用阳极换热器20的翅片间距较小可以有效过滤重整气中的粉尘，较少粉尘覆盖膜电极，从而提高电堆的性能。
在实际应用中，高温质子交换膜燃料电池电堆工作温度区间一般为160-180℃，重整气温度一般在220-280℃之间。所以为了确保输入至燃料电池电堆中的阳极气体温度保持在180℃之下，可以在阳极出气口16处设置测温件；测温件用于测量阳极出气口16处的阳极气体温度；还可以设置控制单元，控制单元用于在阳极气体温度大于或等于预设温度时，控制阴极气泵增大输出气量，以增大阴极流道19内的阴极气体气量。其中，测温件可以为热电偶。预设温度可以设置为180℃。
具体的，电堆启动时先打开阴极气泵进行阴极进气，然后再进行阳极重整气进气，阳极出气口16靠近电堆口处设置的热电偶可以实时监测阳极出气口16处的阳极气体温度，当监测到阳极气体温度大于或等于180℃时，信号反馈给阴极气泵增加气量，以加大换热力度，使阳极重整气出口温度小于180℃进入电堆。
进一步的，第一端壁12上设置有第一安装孔25和第二安装孔26；第一安装孔25内安装有压力传感器；第二安装孔26内安装有热电偶；压力传感器用于检测导热材料流道24中流淌的导热材料的压力；热电偶用于检测导热材料流道24中流淌的导热材料的温度。其中，第一安装孔25和第二安装孔26均采用内螺纹结构，这样便于压力传感器和热电偶的安装固定。
在实际应用中，导热材料流道24中流淌的导热材料可以为导热油，也可以为乙二醇等，只要能实现导热功能即可，本发明实施例对此不做限定。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆的换热端板结构，其特征在于，包括封闭腔体；所述封闭腔体具有相对设置的第一端壁和第二端壁；
所述第一端壁上设置有阳极进气口和阴极进气口；所述第二端壁上设置有阳极出气口和阴极出气口；所述封闭腔体内设置换热隔板，所述换热隔板将所述封闭腔体分为阳极腔体和阴极腔体；
所述阳极腔体内具有阳极流道，所述阳极流道连通所述阳极进气口和阳极出气口；所述阳极流道内设置有阳极换热器；所述阴极腔体具有阴极流道，所述阴极流道连通所述阴极进气口和所述阴极出气口；所述阴极流道内设置有阴极换热器。
2.根据权利要求1所述的换热端板结构，其特征在于，所述第一端壁为上盖板，所述第二端壁为下盖板；所述封闭腔体还包括环形侧壁；所述上盖板、所述下盖板与所述环形侧壁围成所述封闭腔体；
所述环形侧壁与所述上盖板、所述下盖板一体成型。
3.根据权利要求2所述的换热端板结构，其特征在于，所述环形侧壁与所述上盖板、所述下盖板采用真空钎焊工艺一体成型。
4.根据权利要求1所述的换热端板结构，其特征在于，所述阳极换热器和所述阴极换热器均为翅片式换热器；所述翅片式换热器相邻翅片之间的间距为0.1mm～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的换热端板结构，其特征在于，所述阳极出气口处设置有测温件；所述测温件用于测量所述阳极出气口处的阳极气体温度；
还包括控制单元，所述控制单元用于在所述阳极气体温度大于或等于预设温度时，控制阴极气泵增大输出气量，以增大所述阴极流道内的阴极气体气量。
6.根据权利要求1所述的换热端板结构，其特征在于，所述第一端壁上设置有导热材料进口；所述第二端壁上设置有导热材料出口；
所述封闭腔体内还具有导热材料流道，所述导热材料流道连通所述导热材料进口和所述导热材料出口。
7.根据权利要求6所述的换热端板结构，其特征在于，所述导热材料进口、所述阳极进气口和阴极进气口中的至少一个上螺纹连接有卡盘结构。
8.根据权利要求6所述的换热端板结构，其特征在于，所述第一端壁上设置有第一安装孔和第二安装孔；所述第一安装孔内安装有压力传感器；所述第二安装孔内安装有热电偶；
所述压力传感器用于检测所述导热材料流道中流淌的导热材料的压力；所述热电偶用于检测所述导热材料流道中流淌的导热材料的温度。
9.根据权利要求6或8所述的换热端板结构，其特征在于，所述导热材料流道中流淌的导热材料为导热油。
10.根据权利要求1所述的换热端板结构，其特征在于，所述换热隔板的材质为铝合金。
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