CN211530083U - 一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池热平衡“气‑气‑液”三相热交换系统，属于燃料电池技术领域，解决了燃料电池能源浪费、冷启动影响电池寿命问题。包含燃料电池堆，空气管道，氢气管道，去离子水管道，氢气管道、空气管道和去离子水管道上设有热交换装置。为了适应燃料电池运行环境，空气经过压缩处理后才能进入燃料电池堆，压缩后的温度高于燃料电池堆的工作温度，需在进入电池堆前降温；高压液态的氢气需多级减压后才能进入燃料电池堆，解压后的氢气温度低于燃料电池堆的工作温度，进入燃料电池堆前需升温；加热去离子水使燃料电池冷启动不会受损。设置热交换装置，用水和高温空气的热量带动低温氢气，调节整体温度，减少热能的浪费。

Description

一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统。

背景技术

燃料电池原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同，将化学能转化为电能。电池工作时燃料和氧化剂由外部供给，主要原料是氢气和空气。电池所需氧气源自空气，空气需经过滤压缩处理后才可进入燃料电池电堆，目前空气压缩机出口的压缩空气温度高于燃料电池堆的工作温度范围，需要解决燃料电池堆的压缩空气进堆温度。现有技术中高压气态储氢是目前应用最广泛的储氢方式，为避免高压状态下氢气对膜电极的冲击损耗，氢气经多级减压后，才能够进入燃料电池电堆。此时，进入燃料电池堆的氢气温度低于进入燃料电池堆的空气温度，造成燃料电池堆梯度温差及膜电极两侧梯度温差，膜电极长时间处于梯度温差工作条件下易发生加速老化和破损现场。

燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中，在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。

目前燃料电池系统输出功率越来越高，燃料电池电堆所消耗原料也越来越多，在管路系统及电堆流体通道口径不变的条件下需将空气进行压缩处理。空气被压缩后，又因其温度高于燃料电池最佳工作温度环境，需对压缩空气进行降温处理。为避免上述缺陷，需将进入燃料电池堆的氢气和压缩空气的温度进入均衡处理。还需将进入燃料电池堆的流体进行处理，使燃料电池堆达到合适且稳定的工作温度环境。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统。

为了实现创新本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，包含燃料电池堆，空气管道，氢气管道，去离子水管道，其特征在于：所述的氢气管道、空气管道和去离子水管道上设有热交换装置。

现有技术中，空气需经过压缩处理后才能进入燃料电池堆，压缩后的空气温度高于燃料电池堆的工作温度范围，需在进入燃料电池堆前降温；高压液态的氢气需多级减压后才能进入燃料电池堆，解压后的氢气温度低于燃料电池堆的工作温度范围，需在进入燃料电池堆前升温；压缩、解压、调节气体的温度都需要装置做功会产生热能；去离子水用于调节燃料电池堆的温度。本燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统在空气管道、氢气管道和去离子水管道上设热交换装置，用水和高温空气的热量带动低温氢气，减少热能的浪费，系统的整体热循环。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的热交换装置中设有温度补偿加热器。燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中，在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。为解决该问题，燃料电池冷启动时，需将进入燃料电池电堆的气体进行处理，使燃料电池电堆达到稳定工作温度环境。通过热交换装置将高温压缩空气的热能转移至氢气及水，热量不足时，燃料电池装置冷启动时可以启动热交换装置中的温度补偿加热器。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的热交换装置中设有与氢气管道、氧气管道和去离子水紧密接触的翅片。翅片在平衡高温压缩空气、低温氢气和去离子水的温度中起重要作用氢气管道和空气管道贯穿翅片并与去离子水接触紧密，三根气体管道水平安装。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的氢气管道在热交换装置后段管道上设有氢气管温度传感器，前段设有控制流体通断的电磁阀。通过氢气管温度传感器反馈的温度来调节热交换装置中的热交换效果以调节热交换后的氢气温度。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的空气管道在热交换装置后段管道上设有空气管温度传感器，前段设有控制流体通断的电磁阀。通过空气管温度传感器反馈的温度来调节热交换装置中的热交换效果以调节热交换后的空气温度。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的去离子水管道在热交换装置中热交换装置温度传感器，前段设有控制流体通断的电磁阀，上述电磁阀前端设有燃料电池堆散热系统，所述的燃料电池堆散热系统上设有燃料电池堆散热系统温度传感器。去离子水在通过热交换后经过燃料电池堆后再流入燃料电池堆的散热系统，散发掉多余的热量之后再经过电磁阀控制流入热交换装置，通过热交换装置温度传感器和燃料电池堆散热系统温度传感器反馈的水流温度来调节整体系统的散热效果。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的热交换装置包含密封容器罐体和密封端盖以及与端盖配合密封用的密封垫。密封垫与密封端盖与密封容器罐体组成一个密封整体，减少内部的热能流失，密封容器罐体上设有安装和固定的氢气管道和空气管道的开口，所述的罐体上设有直接流入去离子水的水进出口，所述的罐体上还设有安装温度补偿加热器的温度补偿器端口。去离子水直接流入并充满罐体，能与翅片、氢气管道和空气管道充分接触，温度补偿器端口设在空气管道和氢气管道开口的下方，因为在需要加热的时候热往上散发，减少浪费。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的为温度补偿加热器为均匀密集分布在翅片下方的u型电加热棒。在整体系统热能不够的时候采用外部供热来减少低温对装置、系统的损坏。

在上述的燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统中，所述的交换系统包含接受处理各个温度传感器信号以温度补偿加热器来调节氢气管道、空气管道、去离子管道和燃料电池堆温度的中央处理器。中央处理器集中处理协调全局温度，温度传感器将温度信号传至中央处理器，中央处理器处理信号后控制温度加热补偿器和燃料电池散热系统以协调温度。

与现有技术相比，本燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统热循环了整体结构内的大多属热量，减少了没必要的热能提供，又能保证在低温环境下的工作，节能环保。

附图说明

图1是本实用新型的流程示意图；

图2是本实用新型的热交换装置结构示意图。

图中，1、空气管道；2、氢气管道；3、去离子水管道；4、热交换装置；41、密封容器罐体；411、开口；412、进水口；413、出水口；414、温度补偿加热器端口；42、密封端盖；43、密封垫；5、温度补偿加热器；6、翅片；7、氢气温度传感器；8、电磁阀；9、空气温度传感器；10、热交换装置温度传感器；11、燃料电池堆散热系统；12、燃料电池堆散热系统温度传感器；13、中央处理器。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，本燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，包含燃料电池堆，空气管道1，氢气管道2，去离子水管道3，氢气管道2、空气管道1和去离子水管道3上设有热交换装置4。

空气需经过压缩处理后才能进入燃料电池堆，压缩后的空气温度高于燃料电池堆的工作温度范围，需在进入燃料电池堆前降温；高压液态的氢气需多级减压后才能进入燃料电池堆，解压后的氢气温度低于燃料电池堆的工作温度范围，需在进入燃料电池堆前升温；压缩、解压、调节气体的温度都需要装置做功会产生热能；去离子水用于调节燃料电池堆的温度。本燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统在空气管道1、氢气管道2和去离子水管道3上设热交换装置4，用水和高温空气的热量带动低温氢气，减少热能的浪费，系统的整体热循环。

上述的热交换装置4中设有温度补偿加热器5。燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中，在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。为解决该问题，燃料电池冷启动时，需将进入燃料电池电堆的气体进行处理，使燃料电池电堆达到稳定工作温度环境。通过热交换装置4将高温压缩空气的热能转移至氢气及水，热量不足时，燃料电池系统冷启动时可以启动热交换装置4中的温度补偿加热器5。

上述的热交换装置4中设有与氢气管道2、氧气管道3和去离子水紧密接触的翅片6。翅片6在平衡高温压缩空气、低温氢气和去离子水的温度中起重要作用，氢气管道2和空气管道1贯穿翅片6，管道水平安装。

上述的氢气管道2在热交换装置4后段管道上设有氢气管温度传感器7，前段设有控制流体通断的电磁阀8。通过氢气管温度传感器7反馈的温度来调节热交换装置4中的热交换效果以调节热交换后的氢气温度。所述的空气管道3在热交换装置4后段管道上设有空气管温度传感器9，前段设有控制流体通断的电磁阀8。通过空气管温度传感器9反馈的温度来调节热交换装置4中的热交换效果以调节热交换后的空气温度。控制调节氢气与空气的比例达到高温压缩空气加热低温氢气的最佳效果。

上述的去离子水管道3在热交换装置4中设有热交换装置温度传感器10，前段设有控制流体通断的电磁阀8，上述电磁阀8前端设有燃料电池堆散热系统11，所述的燃料电池堆散热系统11上设有燃料电池堆散热系统温度传感器12。去离子水在通过热交换后经过燃料电池堆后再流入燃料电池堆的散热系统11，散发掉多余的热量之后再经过电磁阀8流入热交换装置4。通过热交换装置温度传感器10和燃料电池堆散热系统温度传感器12反馈的水流温度来调节整体系统的散热效果。

如图2所示：所述的热交换装置4包含密封容器罐体41和密封端盖42以及与端盖配合密封用的密封垫43。所述的密封容器罐体41上设有安装和固定的氢气管道2和空气管道1的开口411，所述的罐体上设有直接流入去离子水的进水口412出水口413，所述的罐体上还设有安装温度补偿加热器5的温度补偿加热器端口414。密封垫43与密封端盖42与密封容器罐体41组成一个密封整体，减少内部的热能流失，去离子水直接流入并充满罐体，能与翅片6、氢气管道2和空气管道1充分接触，温度补偿加热器端口414设在空气管道1和氢气管道2开口411的下方，温度补偿加热器5为均匀密集分布在翅片下方的u型电加热棒，在整体系统热能不够的时候采用外部供热来减少低温对装置、系统的损坏。

所述的交换系统包含接受处理各个温度传感器信号以温度补偿加热器来调节氢气管道2、空气管道1、去离子管道3和燃料电池堆温度的中央处理器13。中央处理器集中处理协调全局温度，各温度传感器将温度信号传至中央处理器，中央处理器处理信号后控制温度加热补偿器和燃料电池散热系统以协调温度。

如实施例所示，空气经压缩后带有热能通过翅片将热能散发给氢气热交换管和去离子水，高压氢气经过解压后温度降低通过翅片吸收空气热交换管和去离子水中的热能各自达到燃料电池使用的条件；去离子水同时还经过燃料电池堆和电池堆的散热系统，吸收热能后又回到热交换装置循环了多数的热能；当电池整体处于低于0℃的工作环境下，空气经压缩带来的热能不足以支持整体结构的温度，需要启动温度补偿加热器以使得燃料电池正常工作。还有中央处理器控制并协调全局温度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，包含燃料电池堆，空气管道(1)，氢气管道(2)，去离子水管道(3)，其特征在于：所述的氢气管道、空气管道和去离子水管道上设有热交换装置(4)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的热交换装置(4)中设有温度补偿加热器(5)。

3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的热交换装置中设有与氢气管道、氧气管道和去离子水紧密接触的翅片(6)。

4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的氢气管道(2)在热交换装置(4)后段管道上设有氢气管温度传感器(7)，前段设有控制流体通断的电磁阀(8)。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的空气管道(1)在热交换装置(4)后段管道上设有空气管温度传感器(9)，前段设有控制流体通断的电磁阀(8)。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的去离子水管道(3)在热交换装置中设有热交换装置温度传感器(10)，前段设有控制流体通断的电磁阀(8)，上述电磁阀前端设有燃料电池堆散热系统(11)，所述的燃料电池堆散热系统上设有燃料电池堆散热系统温度传感器(12)。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的热交换装置包含密封容器罐体(41)和密封端盖(42)以及与端盖配合密封用的密封垫(43)，所述的密封容器罐体(41)上设有安装和固定的氢气管道和空气管道的开口(411)，所述的罐体上设有直接流入去离子水的进水口(412)和流出去离子水的出水口(413)，所述的罐体上还设有安装温度补偿加热器的温度补偿加热器端口(414)。

8.根据权利要求2所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的温度补偿加热器(5)为均匀分布的电加热棒。

9.根据权利要求6所述的一种燃料电池热平衡“气-气-液”三相热交换系统，其特征在于：所述的三相热交换系统包含接受处理各个温度传感器信号以温度补偿加热器(5)来调节氢气管道、空气管道、去离子水管道和燃料电池电堆温度的中央处理器(13)。

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