CN204088478U - 一种燃料电池阴极用湿热交换模块 - Google Patents

一种燃料电池阴极用湿热交换模块 Download PDF

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杜超
沈鸿娟
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Abstract

一种燃料电池阴极用湿热交换模块，包括上下端板和叠装于上下端板之间的空气流场板、增湿膜板、冷却水流场板、换热板和胶线，叠装顺序包括增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序及增湿不换热顺序，按需要均匀分布间隔着叠装。有益效果是：将中冷器与增湿器有机结合，减小零部件数量，减小燃料电池发动机系统重量、体积；换湿换热各为独立过程，可按要求指标设计叠装，精确控制换湿换热；空气阻力降低。

Description

一种燃料电池阴极用湿热交换模块
技术领域
本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池阴极湿热交换装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池的阴极侧随着操作压力的提升，在气体输送压缩时，气体温度会大幅升高，甚至达到100℃以上，因此在低温质子交换膜燃料电池中需对空气进行预冷，通常配有中冷器；同时根据增湿需求，还配有一个增湿器。现有技术中，有将中冷器和增湿器结合为热湿交换器的介绍。热湿交换器，通过增湿膜、多孔双极板、堇青石等介质，将换热和换湿功能有机结合，完成热湿交换。其不足是：增湿和换热同时进行，增湿能力与换热能力为固有比例，不可调节，不能满足增湿和换热不为固有比例需求的系统。
本实用新型给出一种热湿交换模块的结构，即可以实现低增湿、又可以实现中冷降温，并可以根据低增湿及中冷降温需求进行匹配设计调节。与其他专利不同之处在于，增湿湿度和中冷降温温度都可恰到好处的达到，换热换湿不存在比例关系。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种将阴极中冷器和换湿器相结合的换湿换热装置，可以实现低增湿、又可以实现中冷降温，并可以根据低增湿及中冷降温需求进行匹配设计调节。
本实用新型的技术方案是：一种燃料电池阴极用湿热交换模块，包括上下端板和叠装于上下端板之间的空气流场板、增湿膜板、冷却水流场板、换热板和胶线，其特征在于：所述上端板和下端板内面开有与空气流场板相同的流场流道，上端板和下端板的四个角的8个位置上可选择性的开有4个透孔，所述可选择性的开有的4个透孔包括：在上端板的四个角的位置上开4个透孔，下端板的四个角上不开透孔，或者在下端板的四个角的位置上开4个透孔，上端板的四个角上不开透孔，或者在上端板四个角上的2个角上开有2个透孔，在下端板的与上端板不开透孔的2个角对应的2个角上开2个透孔，或者在上端板的一个角上开有透孔，在下端板的与上端板不开透孔的3个角对应的3个角上开3个透孔，或者在上端板的3个角上开有透孔，在下端板的与上端板不开透孔的1个角对应的1个角上开1个透孔，即四个角位置上每个角上有1个通孔，不论通孔开在上端板上还是在下端板上，其中一对对角的透孔与内面的流场流道之间开有与流场流道连通的分配流道，设有分配流道的一对透孔分别是空气进口和空气出口，另一对透孔是水进口和水出口，上端板和下端板流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；所述空气流场板和冷却水流场板是与端板形状和大小相同的板，空气流场板和冷却水流场板的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔，空气流场板和冷却水流场板的中间部分设有流体流动的流场流道，流场流道与一对角上的透孔之间设有分配流道，分配流道与流场流道连通，空气流场板和冷却水流场板流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；所述增湿膜板是与端板形状和大小相同的板，增湿膜板的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔，增湿膜板与空气流场板和冷却水流场板中间流场流道相对应的部分是增湿膜；所述胶线包括空气胶线和水胶线，其中空气胶线与端板内面胶线槽对应或与空气流场板上的胶线槽对应，水胶线与冷却水流场板上的胶线槽对应；所述换热板是导热材料的平板，换热板与端板形状和大小相同，换热板的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔；所述空气流场板、增湿膜板、冷却水流场板、换热板和胶线叠装顺序包括增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序，所述增湿换热共有顺序按照空气胶线、增湿膜板、水胶线、冷却水流场板、水胶线、换热板、空气胶线、空气流场板的顺序依次叠装，所述换热不增湿顺序按照空气胶线、换热板、水胶线、冷却水流场板、水胶线、换热板、空气胶线、空气流场板的顺序依次叠装，所述增湿不换热顺序按照空气胶线、增湿膜板、水胶线、冷却水流场板、水胶线、增湿膜板、空气胶线、空气流场板的顺序依次叠装，将增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序按需要间隔着在上端板和下端板之间叠装若干次，下端板作为一张空气流场板进行叠装，通过固定装置压紧固定，上端板、下端板、空气流场板、增湿膜板、冷却水流场板和换热板之间通过空气胶线和水胶线密封。
本实用新型所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述增湿膜是亲水不透气薄膜。
本实用新型所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述增湿膜为Nafion膜，PDMS/PP膜或SPEEK/PP膜。
本实用新型所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述换热板为铜板或铝板。
本实用新型所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述空气流场板和冷却水流场板流场流道为镂空流道。
本实用新型所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块的增湿和换热的匹配方法，其特征在于：所述增湿和换热的匹配方法为：按增湿需求确定增湿面积及增湿膜板数N1，按换热需求确定换热面积及换热板数N2；
1)当N1＝N2时，在上端板和下端板之间叠装增湿换热共有顺序N1次；
2)当N1＞N2时，在上端板和下端板之间叠装增湿换热共有顺序N2次，增湿不换热顺序(N1-N2)/2次；
3)当N1＜N2时，在上端板和下端板之间叠装增湿换热共有顺序N1次，换热不增湿顺序(N2-N1)/2次。
本实用新型的工作过程是：空气由端板的空气进口进入后，经过空气流场板的分配，流入空气流场的镂空流道部分，与增湿膜板、换热板接触，水由端板的水进口进入后，经过冷却水流场板的分配，流入冷却水流场板的本发明镂空流道部分，与增湿模板、换热板接触。水和空气分别在换热板的两侧，经换热板进行热交换；水和空气分别在增湿模板的两侧，经增湿模板进行增湿。根据设计需要，在模块中设置不同数量的增湿换热共有顺序和换热不增湿顺序和增湿不换热顺序，即可满足设计需要。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型将中冷器与增湿器有机结合，减小零部件数量，有效减小燃料电池发动机系统重量、体积，相比中冷器与增湿器总质量、体积，约减小10％；
2、本实用新型换湿换热为基本独立过程，两者都可按照指标同时达到，可精确控制换湿换热。
3、本实用新型换湿换热组合，同时进行，不需要空气经中冷器再经过增湿器，阻力相比之前有所降低，约降低15％。
附图说明
图1是阴极用湿热交换模块结构示意图
图2是图1的俯视角度示意图
图3是端板外面示意图
图4是端板内面示意图
图5是胶线示意图
图6是增湿膜板示意图
图7是空气流场板和冷却水流场板示意图
图8是换热板示意图
图中，1、上端板；2、空气胶线；3、增湿膜板；4、水胶线；5、冷却水流场板；6、换热板；7、空气流场板；8、下板；9空气入口，10冷却水入口，11空气出口；12冷却水出口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
燃料电池阴极用湿热交换模块包括上下端板和叠装于上下端板之间的空气流场板7、增湿膜板3、冷却水流场板5、换热板6和胶线，上端板1和下端板8内面开有与空气流场板相同的流场流道，上端板1的四个角的位置上开有4个透孔，其中一对对角的透孔与内面的流场流道之间开有与流场流道连通的分配流道，设有分配流道的一对透孔分别是空气进口9和空气出口11，另一对透孔是水进口10和水出口12，上端板1和下端板8流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；空气流场板7和冷却水流场板5是与端板形状和大小相同的板，空气流场板7和冷却水流场板5的四个角位置开有与上端板四个角位置的透孔相对应透孔，空气流场板7和冷却水流场板5的中间部分设有流体流动的流场流道，流场流道是镂空流道，流场流道与一对角上的透孔之间设有分配流道，分配流道与流场流道连通，空气流场板7和冷却水流场板5流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；增湿膜板3是与端板形状和大小相同的板，增湿膜板3的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔，增湿膜板3与空气流场板7和冷却水流场板5中间流场流道相对应的部分是增湿膜，增湿膜为Nafion膜；胶线包括空气胶线2和水胶线4，其中空气胶线2与端板内面胶线槽对应或与空气流场板7上的胶线槽对应，水胶线4与冷却水流场板5上的胶线槽对应；换热板6是铜平板，换热板6与端板形状和大小相同，换热板的四个角位置开有与上端板四个角位置的透孔相对应透孔；空气流场板7、增湿膜板3、冷却水流场板5、换热板6和胶线叠装顺序包括增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序，所述增湿换热共有顺序按照空气胶线2、增湿膜板3、水胶线4、冷却水流场板5、水胶线4、换热板6、空气胶线2、空气流场板7的顺序依次叠装，换热不增湿顺序按照空气胶线2、换热板6、水胶线4、冷却水流场板5、水胶线4、换热板6、空气胶线2、空气流场板7的顺序依次叠装，增湿不换热顺序按照空气胶线2、增湿膜板3、水胶线4、冷却水流场板5、水胶线4、增湿膜板3、空气胶线2、空气流场板7的顺序依次叠装，将增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序按需要间隔着在上端板1和下端板8之间叠装若干次，下端板8作为一张空气流场板进行叠装，通过固定装置压紧固定，上端板1、下端板8、空气流场板7、增湿膜板3、冷却水流场板5和换热板6之间通过空气胶线2和水胶线4密封。
增湿和换热的匹配方法为：按增湿需求确定增湿面积及增湿膜板数N1，按换热需求确定换热面积及换热板数N2；
1)当N1＝N2时，在上端板1和下端板8之间叠装增湿换热共有顺序N1次；
2)当N1＞N2时，在上端板1和下端板8之间叠装增湿换热共有顺序N2次，增湿不换热顺序(N1-N2)/2次；
3)当N1＜N2时，在上端板1和下端板8之间叠装增湿换热共有顺序N1次，换热不增湿顺序(N2-N1)/2次。
实施例1.
以40kW净输出燃料电池系统为例，空气需从140℃预冷至80℃，空气需增湿40％，根据需求计算，增湿膜板10片，预冷需要换热板40片，因此取增湿换热共有顺序10次，换热不增湿顺序(40-10)/2＝15次进行叠装，上端板上开有四个通孔，下端板未开孔。组装完成后，经测试达到空气预冷及增湿要求，相比中冷器与增湿器总质量、体积约减小10％，阻力相比之前约降低15％。

Claims (5)

1.一种燃料电池阴极用湿热交换模块，包括上下端板和叠装于上下端板之间的空气流场板(7)、增湿膜板(3)、冷却水流场板(5)、换热板(6)和胶线，其特征在于：所述上端板(1)和下端板(8)内面开有与空气流场板相同的流场流道，上端板(1)和下端板(8)的四个角的8个位置上可选择性的开有4个透孔，所述可选择性的开有的4个透孔包括：在上端板(1)的四个角的位置上开4个透孔，下端板(8)的四个角上不开透孔，或者在下端板(8)的四个角的位置上开4个透孔，上端板(1)的四个角上不开透孔，或者在上端板(1)四个角上的2个角上开有2个透孔，在下端板(8)的与上端板(1)不开透孔的2个角对应的2个角上开2个透孔，或者在上端板(1)的一个角上开有透孔，在下端板(8)的与上端板(1)不开透孔的3个角对应的3个角上开3个透孔，或者在上端板(1)的3个角上开有透孔，在下端板(8)的与上端板(1)不开透孔的1个角对应的1个角上开1个透孔，即四个角位置上每个角上有1个通孔，不论通孔开在上端板(1)上还是在下端板(8)上，其中一对对角的透孔与内面的流场流道之间开有与流场流道连通的分配流道，设有分配流道的一对透孔分别是空气进口(9)和空气出口(11)，另一对透孔是水进口(10)和水出口(12)，上端板(1)和下端板(8)流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；所述空气流场板(7)和冷却水流场板(5)是与端板形状和大小相同的板，空气流场板(7)和冷却水流场板(5)的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔，空气流场板(7)和冷却水流场板(5)的中间部分设有流体流动的流场流道，流场流道与一对角上的透孔之间设有分配流道，分配流道与流场流道连通，空气流场板(7)和冷却水流场板(5)流场流道边缘设有胶线槽，一对不设分配流道的对角的透孔的周边上设有胶线槽；所述增湿膜板(3)是与端板形状和大小相同的板，增湿膜板(3)的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔，增湿膜板(3)与空气流场板(7)和冷却水流场板(5)中间流场流道相对应的部分是增湿膜；所述胶线包括空气胶线(2)和水胶线(4)，其中空气胶线(2)与端板内面胶线槽对应或与空气流场板(7)上的胶线槽对应，水胶线(4)与冷却水流场板(5)上的胶线槽对应；所述换热板(6)是导热材料的平板，换热板(6)与端板形状和大小相同，换热板的四个角位置开有与上端板和下端板四个角位置的透孔相对应透孔；所述空气流场板(7)、增湿膜板(3)、冷却水流场板(5)、换热板(6)和胶线叠装顺序包括增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序，所述增湿换热共有顺序按照空气胶线(2)、增湿膜板(3)、水胶线(4)、冷却水流场板(5)、水胶线(4)、换热板(6)、空气胶线(2)、空气流场板(7)的顺序依次叠装，所述换热不增湿顺序按照空气胶线(2)、换热板(6)、水胶线(4)、冷却水流场板(5)、水胶线(4)、换热板(6)、空气胶线(2)、空气流场板(7)的顺序依次叠装，所述增湿不换热顺序按照空气胶线(2)、增湿膜板(3)、水胶线(4)、冷却水流场板(5)、水胶线(4)、增湿膜板(3)、空气胶线(2)、空气流场板(7)的顺序依次叠装，将增湿换热共有顺序、换热不增湿顺序和增湿不换热顺序按需要间隔着在上端板(1)和下端板(8)之间叠装若干次，下端板(8)作为一张空气流场板(7)进行叠装，通过固定装置压紧固定，上端板(1)、下端板(8)、空气流场板(7)、增湿膜板(3)、冷却水流场板(5)和换热板(6)之间通过空气胶线(2)和水胶线(4)密封。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述增湿膜是亲水不透气薄膜。
3.根据权利要求2所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述增湿膜为Nafion膜，PDMS/PP膜或SPEEK/PP膜。
4.根据权利要求1所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述换热板(6)为铜板或铝板。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池阴极用湿热交换模块，其特征在于：所述空气流场板(7)和冷却水流场板(5)流场流道为镂空流道。
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