CN118039957A - 一种燃料电池系统用高集成度换热器组件及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统用高集成度换热器组件及使用方法，通过将中冷器、氢气加热器和分水器的功能集合成一个组件，利用冷却水分别与高温高压空气、新氢进行换热，以高温高压空气的热量作为新氢的加热源，即可实现高温高压空气的降温，还可实现新氢的加热，节省了加热能耗的同时也达到了燃料电池系统组件精简化的目的。此外，本发明的换热组件还进一步集合了分水器功能，通过设置两个分水室，在两个分水室上设置不同数量的分水挡板，可以实现两个分水室汽水分离效果的不同，然后通过两个分水室的组合使用，可以实现入堆氢气湿度和温度的调节，使换热器的功能进一步增加，集成化程度更高，且入堆氢气湿度和温度的调节方法也更简单有效。

Description

一种燃料电池系统用高集成度换热器组件及使用方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统用高集成度换热器组件及使用方法。

背景技术

燃料电池系统包括气体供应系统、电堆、散热系统等，其中燃料电池电堆运行的最佳温度一般控制在60-80℃，因此进入电堆的反应气体温度不能过高或者过低。在空气供应系统中，空气经过空压机以后，温度会升高，甚至达到150℃以上，因此一般将经过压缩的空气通过中冷器进行降温；在氢气供应系统中，液氢经过降压后的温度较低，需要经过加热器才能达到入堆温度要求；电堆排出的尾气中含有未反应的氢气及产生的水蒸汽，且温度较高，为了对该部分氢气进行二次利用，通常也会采用汽水分离器等装置对回流的氢气进行湿度和温度的控制，以使回流氢气和新氢混合后可以满足入堆氢气的湿度和温度要求。现有技术中，为了保证气体供应系统的正常运行，中冷器、汽水分离器、氢气加热器都是独立布置，造成整个燃料系统设计占有空间太多，集成度较低，在满足燃料电池系统体积功率密度的技术要求上带来不利影响。

针对上述问题，现有技术中采用集成化解决方式主要围绕氢气和空气之间的热交换进行，如申请号CN2022105639957的专利公开了集成换热装置及质子交换膜燃料电池系统，将空气通道和氢气通道交替排布，实现热交换从而实现节省氢气加热组件的目的。虽然实现了系统的初步集成化，但现有技术的集成化程度还有待进一步提升。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种燃料电池系统用高集成度换热器组件及使用方法，通过将中冷器、氢气加热器和汽水分离器功能集合在一个换热器组件中，同步实现空气冷却、氢气加热和回流氢气控温控湿的多重功能，提升燃料电池系统的集成化程度，节省燃料系统的占用空间，实现燃料电池系统体积功率密度的大幅提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，包括空气路腔体、氢气路腔体、换热水管和分水室腔体，换热水管依次贯穿空气路腔体、分水室腔体和氢气路腔体，空压机压缩后的空气从空气路腔体的空气进口流入，从空气路腔体的空气出口流出后流向电堆，经过降压后的新氢从氢气路腔体的氢气进口流入，从氢气腔体的氢气出口流出后流向电堆，电堆产生的尾气从分水室腔体的进气口流入，从分水室腔体的出气口流出后，与氢气出口流出的新氢混合后，流向电堆；在分水室腔体内的换热水管外表面设有分水挡板。

进一步的，在空气路腔体和氢气路腔体内的换热水管外表面设有传热翅片。

进一步的，分水挡板上开有小孔，帮助打散大液滴，从而提升汽水分离效果。

进一步的，换热水管为蛇形并设有多根。

进一步的，换热水管上的挡板将分水室腔体划分为第一分水室腔体和第二分水室腔体。

进一步的，换热水管依次穿过空气路腔体、第一分水室腔体、第二分水室腔体和氢气路腔体。

进一步的，第一分水室腔体内的水管上按一定角度均布有五块分水挡板，第二分水室腔体内的水管上按一定角度均布有三块分水挡板。

进一步的，第一分水室腔体的出气口设有两条管路，一条流向第二分水室腔体的回流氢气进气口，一条流向电堆，所述两条管路上均设有调节阀。

本发明的燃料电池系统用高集成度换热器组件的工作原理为：换热水管中的冷却水先流经空气路腔体区域，与空气路腔体中经过空压机压缩的高温空气进行换热，使高温空气的温度降低，起到中冷器的作用，同时换热水管中的冷却水温度升高；随后换热水管经过分水室腔体，通过换热水管上的分水挡板对分水室腔体内的回流氢气进行气液分离，调控回流氢气的温度和湿度，避免回流氢气与新氢混合时产生液态水，造成电堆积水，起到汽水分离器的作用；换热水管最后经过氢气路腔体，换热水管中经过升温的冷却水与氢气路腔体中经过降压的新氢进行热交换，提升新氢的温度，从而实现氢气加热器的功能。

另一方面，基于上述燃料电池系统用高集成度换热器组件，本发明还进一步提供了一种燃料电池系统用高集成度换热器组件的使用方法，其包括如下步骤：

S1、回流氢气从高集成度换热器组件的第一分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后，进入电堆的氢气管路上设有湿度传感器；第一分水室腔体的出气口处设有第一分水室出口温度传感器；

S2、通过进入电堆的氢气管路上的湿度传感器判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度大于预设的第一阈值，第一分水室流向第二分水室的管路调节阀打开，从第一分水室直接流向电堆的管路调节阀关闭，第一分水室腔体流出的回流氢气进入第二分水室腔体，回流氢气从第二分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆，否则执行下一步；

S3、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度小于预设的第二阈值时，第一分水室流向第二分水室的管路调节阀关闭，第一分水室直接流向电堆的管路调节阀打开，第一分水室腔体流出的回流氢气，直接与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆；

S4、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度处于预设的第一和第二阈值之间时，且第一分水室腔体的回流氢气出气口出口温度小于预设的温度阈值，第一分水室流向第二分水室的管路调节阀打开，第一分水室直接流向电堆的管路调节阀关闭，回流氢气从第二分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)将中冷器、汽水分离器、氢气加热器的功能实现集合，节省了燃料电池系统的体积占用空间，精简了燃料电池系统的组件数量，实现了系统的集约化和精简化，也能更好的保证系统运行的稳定性。(2)通过水管的传热布置，将高温高压空气的能量传递给低氢，利用高温高压空气作为热源对氢气进行加热，不再需要提供额外的加热能耗去提升氢气温度，节约了系统能耗。(3)通过设置两个分水室，在两个分水室中设置不同的分水板，可以实现分水效果的变化，然后根据氢气入堆温度和湿度的要求，使回流氢气经过不同的分水室，通过分水室的组合使用可以达到调控入堆氢气湿度和温度的目的，调控方法简单便捷。(4)水管穿过分水室，可以借助水管的热量对分水室中氢气湿度和温度进行调控，进而帮助调控氢气入堆的整体温度和湿度。(5)在水管上设置翅片，可以帮助提升传热效果；在分水板上设置孔洞，可以帮助打散回流氢气中的大液滴，进而提升分水效果。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件的主视图；

图2为本发明实施例提供的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件的侧视图；

图3为图1中高集成度换热器组件的A-A向剖视图；

图4为图1中高集成度换热器组件的B-B向剖视图；

图5为图2中高集成度换热器组件的C-C向剖视图；

图6为本发明实施例提供的高集成度换热器组件用于燃料电池系统的系统结构示意图；

图7为本发明实施例中的燃料电池系统用高集成度换热器组件的湿度和温度控制逻辑图。

附图标记说明：1-第一分水室，2-燃料电池电堆，3-引射器，4-空气压缩机，5-湿度传感器，6-空水换热腔，7-水泵，8-第二分水室，9-温度传感器，10-氢水换热腔，11-一号调节阀，12-减压阀，13-第二分水室回流氢气出口通道，14-高集成换热器进水通道，15-氢气出堆通道，16-高集成换热器出水通道，17-二号调节阀，18-第一分水室回流氢气出口通道，19-新氢出口通道，101-氢气进气口，102-氢气出气口，103-空气进气口，104-空气出气口，105-第二分水室腔体，106-第二分水室分水挡板，107-第二分水室对称分水挡板，108-进水腔室，109-换热水管，110-氢气侧换热翅片，111-出水腔室，112-第一分水室一号对称分水挡板，113-第一分水室分水挡板，114-第一分水室腔体，115-第一分水室二号对称分水挡板，116-空气侧换热翅片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明

实施例

图1为本申请实施例提供的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件的主侧视图，图2为本发明实施例提供的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件的侧视图，图5为图2中高集成度换热器组件的C-C向剖视图。所述高集成度换热器组件包括空气路腔体、氢气路腔体、换热水管109和分水室腔体，换热水管依次贯穿空气路腔体、分水室腔体和氢气路腔体。如图3所示的图1中高集成度换热器组件的A-A向剖视图，空压机压缩后的空气从空气路腔体的空气进气口103流入，从空气路腔体的空气出气口104流出后流向电堆。如图4所示的图1中高集成度换热器组件的B-B向剖视图，经过降压后的新氢从氢气路腔体的氢气进气口101流入，从氢气腔体的氢气出气口102流出后流向电堆。电堆产生的尾气从分水室腔体的进气口流入，从分水室腔体的出气口流出后，与氢气出气口102流出的新氢混合后，流向电堆；在分水室腔体内的换热水管109外表面设有分水挡板。

如图5所示，换热水管109上的挡板将分水室腔体划分成第一分水室腔体114和第二分水室腔体105，换热水管依次穿过空气路腔体、第一分水室腔体114、第二分水室腔体105和氢气路腔体。冷却水从进水腔室108的进水口进入，通过换热水管109流经空气路腔体时，与空气路腔体内的压缩空气进行换热，从而达到冷却压缩空气的目的，同时换热水管中的冷却水温度上升，用于后续回流氢气的温度、湿度调节，以及新氢的加热升温。

随后换热水管经过第一分水室腔体114和第二分水室腔体105，在第一分水室腔体114内的换热水管上设有第一分水室分水挡板113、第一分水室一号对称分水挡板112和第一分水室二号对称分水挡板115共五块分水挡板，第二分水室腔体105内的换热水管上设有第二分水室分水挡板106和第二分水室对称分水挡板107共三块分水挡板。第一分水室和第二分水室的分水挡板数量不同，汽水分离的效果也会不同，通过第一分水室和第二分水室的组合使用，可以达到调整回流氢气湿度的目的，从而满足不同工况下的入堆氢气湿度要求。同时分水室内的换热水管还可借助分水挡板和管壁自身和回流氢气进行换热，改善分离后氢气的不饱和度，减少分水后的液态水含量，起到回流氢气温度和湿度调整的作用。

换热水管最后流经氢气路腔体，与氢气路腔体中的减压新氢进行热交换，将在空气路腔体中吸收的热量传递给新氢，使新氢的温度上升，从而起到新氢加热的功能。与新氢换热后，换热水管中的冷却水从出水腔室111的出水口流出，后续可通过循环水管从进水腔室108的进水口重新进入高集成度换热器组件。

进一步的，第一分水室和第二分水室的分水挡板上还可设置多个小孔，小孔可以帮助打散大液体，从而提升分水室的汽水分离效率。

进一步的，在空气路腔体和氢气路腔体内的换热水管外表面分别设有空气侧换热翅片116和氢气侧换热翅片110。通过换热翅片可帮助空气、氢气更好的与换热水管中的冷却水进行换热，提升换热效率。

进一步的，换热水管109可以为平行的多根蛇形水管，以帮助进一步降低集成换热器的占用空间，提升换热效率。

在此基础上，本实施例还进一步搭建了采用本实施例高集成度换热器组件的燃料电池系统，如图6为本发明实施例提供的高集成度换热器组件用于燃料电池系统的系统结构示意图。水泵7将部分冷却水通过高集成换热器进水通道14进入换热器的空水换热腔6，同时空气压缩机4将压缩后的高温空气加入换热器的空水换热腔6，冷却水和高温空气在空水换热腔6中实现热交换。随后冷却水流过换热器的第一分水室1和第二分水室8后，经过氢水换热腔10，最后通过高集成换热器出水通道16流向电堆，对电堆进行冷却。新氢通过减压阀12泄压后进入氢水换热腔10，与氢水换热腔10中的冷却水进行热交换，使新氢的温度上升，随后新氢通过新氢出口通道19流向引射器3。燃料电池电堆2排出的尾气通过氢气出堆通道15进入换热器的第一分水室1，经过第一分水室1的汽水分离后，从第一分水室回流氢气出口通道18流出，第一分水室回流氢气出口通道18被一号调节阀11和二号调节阀17分成两条支路，一号调节阀11控制第一分水室的回流氢气流向换热器第二分水室8的流量，二号调节阀17控制第一分水室的回流氢气直接流向引射器3的流量。回流氢气从第二分水室8流出后，通过第二分水室回流氢气出口通道13流向引射器3。新氢和回流氢气在引射器3的作用下混合后，供应给燃料电池电堆2。

在第一分水室回流氢气出口通道18上，设有温度传感器9，用于监测第一分水室出口处的回流氢气温度。在引射器3至燃料电池电堆2的氢气入堆管路上，设有湿度传感器5，用于监测氢气入堆湿度。通过温度传感器9和湿度传感器5的监测，可以控制一号调节阀11和二号调节阀17，以控制回流氢气流经第二分水室的流量，从而达到调控入堆氢气湿度和温度的目的。

进一步的，基于本实施例的高集成度换热器组件及其搭建的燃料电池系统，本实施具体调控入堆氢气湿度和温度的方法，如图7所示。

S1、回流氢气从高集成度换热器组件的第一分水室回流氢气出口通道18的出气口流出后，与新氢出口通道19流出的新氢混合后，进入电堆的氢气管路上设有湿度传感器5；第一分水室回流氢气出口通道18的出气口处设有温度传感器9；

S2、通过进入电堆的氢气管路上的湿度传感器5判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度大于预设的第一阈值，回流氢气从第一分水室1流向第二分水室8的一号调节阀11打开，回流氢气从第一分水室1直接流向引射器3的二号调节阀17关闭，使从第一分水室1流出的回流氢气进入第二分水室8，回流氢气从第二分水室8的出气口流出后，经第二分水室回流氢气出口通道13与新氢出口通道19中的新氢在引射器3的作用下混合后进入电堆，否则执行下一步；

S3、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度小于预设的第二阈值时，回流氢气从第一分水室1流向第二分水室8的一号调节阀11关闭，回流氢气从第一分水室1直接流向引射器3的二号调节阀17打开，第一分水室1流出的回流氢气不经第二分水室8直接流向引射器3；

S4、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度处于预设的第一和第二阈值之间时，且第一分水出口的温度小于预设的温度阈值，从第一分水室1流向第二分水室8的一号调节阀11打开，回流氢气从第一分水室1直接流向引射器3的二号调节阀17关闭，回流氢气从第二分水室8的出气口流出后，经第二分水室回流氢气出口通道13与新氢出口通道19中的新氢混合后流入电堆。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，包括空气路腔体、氢气路腔体、换热水管和分水室腔体，其特征在于，换热水管依次贯穿空气路腔体、分水室腔体和氢气路腔体，空压机压缩后的空气从空气路腔体的空气进口流入，从空气路腔体的空气出口流出后流向电堆；经过减压后的新氢从氢气路腔体的氢气进口流入，从氢气腔体的氢气出口流出后流向电堆；电堆产生的尾气从分水室腔体的进气口流入，从分水室腔体的出气口流出，与所述氢气出口流出的新氢混合后，进入电堆；在分水室腔体内的换热水管外表面设有分水挡板。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，在空气路腔体和氢气路腔体内的换热水管外表面设有传热翅片。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，所述分水挡板上开有小孔。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，换热水管为平行的多根蛇形水管。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，换热水管上的挡板将分水室腔体划分成第一分水室腔体和第二分水室腔体。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，换热水管依次穿过空气路腔体、第一分水室腔体、第二分水室腔体和氢气路腔体。

7.根据权利要求5或6任一项所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，第一分水室腔体内的水管上按一定角度均布有五块分水挡板，第二分水室腔体内的水管上按一定角度均布有三块分水挡板。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种燃料电池系统用高集成度换热器组件，其特征在于，第一分水室腔体的出气口设有两条管路，一条流向第二分水室腔体的回流氢气进气口，一条流向电堆，所述两条管路上均设有调节阀。

9.一种基于权利要求5-8任一项所述的燃料电池系统用高集成度换热器组件的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、回流氢气从高集成度换热器组件的第一分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后，进入电堆的氢气管路上设有湿度传感器；第一分水室腔体的出气口处设有第一分水出口温度传感器；

S2、通过进入电堆的氢气管路上的湿度传感器判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度大于预设的第一阈值，从第一分水室流向第二分水室的管理调节阀打开，从第一分水室直接流向电堆的管路调节阀关闭，第一分水室腔体流出的回流氢气进入第二分水室腔体，回流氢气从第二分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆，否则执行下一步；

S3、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度小于预设的第二阈值时，从第一分水室流向第二分水室的管路调节阀关闭，从第一分水室直接流向电堆的管路调节阀打开，第一分水室腔体流出的回流氢气，直接与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆；

S4、判断氢气入堆湿度，当氢气入堆湿度处于预设的第一和第二阈值之间时，且第一分水室腔体的回流氢气出气口出口温度小于预设的温度阈值，从第一分水室流向第二分水室的管路调节阀打开，从第一分水室直接流向电堆的管路调节阀关闭，回流氢气从第二分水室腔体的出气口流出后，与所述氢气出口流出的新氢混合后进入电堆。