CN220710354U - 一种燃料电池的换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池的换热系统，属于燃料电池技术领域。包括电池堆、集成换热器和用于储存低温氢气的储氢罐，所述集成换热器在对从电池堆里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，所述储氢罐的氢气出口与所述集成换热器的氢气进口连通，所述集成换热器内的换热容器对从储氢罐输出的低温氢气加热，所述集成换热器的氢气出口与所述电池堆的氢气进口连接，所述电池堆出水口与所述集成换热器进水口连接，所述集成换热器将从所述电池堆里输出的高温水散热降温后再循环回到电池堆内。本实用新型的集成换热器在对从电池堆里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，减少了管路接口和管线布置，降低泄漏风险。

Description

一种燃料电池的换热系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池的换热系统，属于燃料电池技术领域。

背景技术

氢燃料电池是一种利用氢气和氧气的化学反应产生电能的发电装置。氢燃料电池工作原理是将氢气输送到电池的阳极板，通过催化剂的作用，氢原子变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子，其中氢离子通过电解质到达阴极板，而电子不能通过电解质，而只能通过外部电路形成电流，电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。

由于燃料电池在电化学反应过程中产生较多的热量，需经过水散热系统(包括主散热系统和副散热系统)持续循环将从电池堆里出来的高温水转化为低温水以维持相对稳定的工作温度，而氢气进入电池堆前通常需要经过加热后再经氢气喷射器进入电池堆，散热系统需要风机旋转释放热量，而氢气加热则需要吸收热量。而随着氢燃料电池系统飞速发展，对提升燃料电池系统性能、降低生产成本以及缩小布置空间的要求越来越高，现阶段的水散热器和氢气加热器为两套独立的换热系统，二者独立运作不能有效利用热能，造成能源浪费，缺陷较多，具体如：

①水散热器和氢气加热器均需要单独的管路连接，管路设计复杂，增加了零件排布的空间需求，存在较多的管路接口，泄漏风险较大且浪费系统空间，严重影响电池堆的功率密度；

②增加控制系统的难度，不利于系统的解决热管理问题；

③制造、组装、检验维修等成本较高，高成本严重制约燃料电池的推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新的技术方案以改善或解决如上所述的现有技术中存在的技术问题。

本实用新型提供的技术方案如下：一种燃料电池的换热系统，包括电池堆、集成换热器和储氢罐，所述储氢罐用于储存低温氢气，所述集成换热器在对从电池堆里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，能够同时用作氢气加热器，所述储氢罐的氢气出口与所述集成换热器的氢气进口连通，所述集成换热器内的换热容器对从储氢罐输出的低温氢气加热，所述集成换热器的氢气出口与所述电池堆的氢气进口连接，所述电池堆的高温水出口与所述集成换热器的进水口连接，所述集成换热器将从所述电池堆里输出的高温水散热降温后再循环回到电池堆内。

本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型的集成换热器在对从电池堆里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，可以同时用作氢气加热器，水散热气通过给低温氢气进行加热的同时，还能实现自身的散热，有效实现了能量的二次使用，且减少了管路接口和管线布置，降低泄漏风险；由于集成化程度高，降低了系统控制成本，并且节约了制造、组装等生产加工成本，提升了系统的稳定性，有效降低维修风险。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步的，所述集成换热器包括水散热器本体，所述水散热器本体包括芯体和分别固定在所述芯体两侧的进水室和出水室，还包括换热容器，所述换热容器设置在所述进水室腔体和/或出水室腔体内，所述进水室内设有进水口，所述出水室内设有出水口，所述进水室和/或出水室上设有氢气进口和氢气出口，氢气进口和氢气出口与所述换热容器连通。

采用上述进一步方案的有益效果是，集成换热器是在水散热器本体进水室腔体或出水室腔体内安装换热容器，当向所述换热容器内通入氢气后，所述换热容器利用进水室腔体或出水室腔体内的高温水将氢气加热至系统需求温度范围，完全替代现有独立的氢气加热系统，同时水散热气通过给低温氢气进行加热的同时，实现自身的散热，有效实现了能量的二次使用。

进一步的，还包括辅助散热器和去离子器，所述辅助散热器用于对电池堆内的高温水进行辅助冷却，所述去离子器用于除去燃料电池中的离子污染物，保证燃料电池的正常运行，所述电池堆的出水口分三路，第一路连接所述集成换热器的进水口，第二路连接所述辅助散热器的进水口，第三路连接所述去离子器的进水口。

采用上述进一步方案的有益效果是，在燃料电池的运行过程中，燃料和氧气中会存在一些离子污染物，如钠离子、钾离子、氯离子等，它们会降低燃料电池的效率和寿命，甚至会导致燃料电池的失效，所述去离子器用于除去燃料电池中的离子污染物，保证燃料电池的正常运行。

进一步的，还包括第一节温器、水泵、第二节温器、中冷器和空气压缩机，所述第一节温器、水泵、第二节温器和中冷器通过管路串联连接，所述集成换热器的出水口、所述辅助散热器的出水口和所述去离子器的出水口均与所述第一节温器的进水口连接，所述第二节温器的出水口分两路分别与所述电池堆的低温水进水口和所述中冷器的进水口连接，所述中冷器的出水口分两路分别与所述集成换热器的进水口和所述辅助散热器的进水口连接，所述空气压缩机的出气口与所述中冷器的进气口连接，所述中冷器的出气口与所述电池堆的氧气进口连接。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述第一节温器、水泵、第二节温器、中冷器和空气压缩机共同构成水冷却循环及空气冷却循环回路，所述节温器内设有感温组件，能够根据水的温度的高低自动调节水量，改变水的循环范围从而达到调节换热系统散热能力的作用。

进一步的，还包括氢气喷射器，所述氢气喷射器设置在所述集成换热器的氢气出口与所述电池堆的氢气进口之间，所述氢气喷射器用于将经过所述集成换热器加热后的氢气输送至所述电池堆内。

进一步的，所述进水室上设有进水口，所述出水室内设有出水口，当所述进水室内设有所述换热容器时，所述进水室上设有两个或两个以上的接口，所述接口均与所述进水室的腔体连通，所述换热容器通过所述接口伸出所述进水室外；当所述出水室上设有所述换热容器时，所述出水室上设有两个或两个以上的接口，所述接口均与所述出水室的腔体连通，所述换热容器通过所述接口伸出所述出水室外。

进一步的，所述换热容器包括单根或多根换热管，所述换热管呈蛇形环绕结构、螺旋形环绕结构或W形结构。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述换热管成蛇形环绕结构、螺旋形环绕结构或W形结构，不仅能够增加换热面积，能够充分利用水腔的空间，而且能够增长氢气在换热管内的流动时间，使氢气在换热管内具有充足的时间与进水室或出水室内的热水进行充分的热交换。

进一步的，所述换热容器包括多个换热片、进气管和出气管，多个所述换热片呈多层分布，且每个所述换热片的内腔均与进气管和出气管连通。

进一步的，所述换热容器包括换热管组、第一循环室和第二循环室，所述第一循环室和第二循环室设置在所述换热管组的两端，且所述换热管组与所述第一循环室和第二循环室连通，所述换热管组包括多排换热管，所述第一循环室和第二循环室上分别设有进气管和出气管。

进一步的，所述进水室和/或述出水室内还设有温度传感器，用于对所述进水室和/或述出水室内的水温进行实时监测。

进一步的，在所述储氢罐的氢气出口与所述集成换热器的氢气进口之间连通的管路上还设有过滤器和减压阀。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的燃料电池的换热系统的结构示意图；

图2为本实用新型的集成换热器的立体结构示意图；

图3为本实用新型的集成换热器上的接口的结构示意图；

图4为本实用新型的集成换热器进水室内部为单根绕管结构且绕管方向为横向的结构示意图；

图5为图4中的A处放大结构示意图；

图6为密封接头的立体结构示意图；

图7为本实用新型的集成换热器进水室内部为单根绕管结构且绕管方向为纵向的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为本实用新型的集成换热器进水室内部为两根绕管结构的结构示意图；

图10为本实用新型的图8的主视图；

图11为本实用新型的集成换热器进水室内部为叠片结构的结构示意图；

图12为本实用新型的图11的主视图；

图13为本实用新型的图11的俯视图；

图14为本实用新型的集成换热器进水室内部为多排管结构的结构示意图；

图15为本实用新型的图14的主视图；

图16为本实用新型的图14的俯视图；

图中，1、集成换热器；1.1、芯体；1.2、进水室；1.3、出水室；1.4、进水管；1.5、出水管；1.6、接口；1.7、温度传感器；1.8、换热管；1.9、换热片；1.10、进气管；1.11、出气管；1.12、换热管组；1.13、第一循环室；1.14、第二循环室；1.15、密封接头；1.151、密封槽；1.16、锁紧螺母；1.17、管道连接件；2、电池堆；3、储氢罐；4、辅助散热器；5、去离子器；6、第一节温器；7、水泵；8、第二节温器；9、中冷器；10、空气压缩机；11、氢气喷射器。

具体实施方式

以下结合实例对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

具体实施例一：

如图1所示，一种燃料电池的换热系统，包括电池堆2、集成换热器1和储氢罐3，所述储氢罐3用于储存低温氢气，燃料电池阴极板所需要的氧气可以直接从空气中获得，而所述储氢罐3为阳极板不断的提供氢气，所述集成换热器1在对从电池堆2里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，能够同时用作氢气加热器，所述储氢罐3的氢气出口与所述集成换热器1的氢气进口连通，所述集成换热器1内的换热容器对从储氢罐3输出的低温氢气加热，所述集成换热器1的氢气出口与所述电池堆2的氢气进口连接，所述电池堆2的高温水出口与所述集成换热器1的进水口连接，所述集成换热器1将从所述电池堆2里输出的高温水散热降温后再循环回到电池堆2内对电池堆2进行降温。

在所述储氢罐3的氢气出口与所述集成换热器1的氢气进口之间连通的管路上还设有过滤器和减压阀。

更具体的，所述燃料电池的换热系统还包括辅助散热器4和去离子器5，所述辅助散热器4用于对电池堆2内的高温水进行辅助冷却，在燃料电池的运行过程中，燃料和氧气中会存在一些离子污染物，如钠离子、钾离子、氯离子等，它们会降低燃料电池的效率和寿命，甚至会导致燃料电池的失效，所述去离子器5用于除去燃料电池中的离子污染物，保证燃料电池的正常运行。所述电池堆2的出水口分三路，第一路连接所述集成换热器1的进水口，第二路连接所述辅助散热器4的进水口，第三路连接所述去离子器5的进水口。

所述燃料电池的换热系统还包括第一节温器6、水泵7、第二节温器8、中冷器9和空气压缩机10，所述第一节温器6、水泵7、第二节温器8和中冷器9通过管路串联连接，所述集成换热器1的出水口、所述辅助散热器4的出水口和所述去离子器5的出水口均与所述第一节温器6的进水口连接，所述第二节温器8的出水口分两路，一路与所述电池堆2的低温水进水口连接，另一路与所述中冷器9的进水口连接，所述中冷器9的出水口分两路，一路与所述集成换热器1的进水口连接，一路与所述辅助散热器4的进水口连接，所述空气压缩机10的出气口与所述中冷器9的进气口连接，所述中冷器9的出气口与所述电池堆2的氧气进口连接。所述节温器内设有感温组件，能够根据水的温度的高低自动调节水量，改变水的循环范围从而达到调节换热系统散热能力的作用，所述水泵7用于将第一节温器6内的水泵7送至第二节温器8内，一部分水经过第二节温器8调温后直接输送至电池堆2内，另一部分输送至中冷器9内用于冷却压缩空气的温度，从中冷器9中输出的水分两路分别进入集成换热器1和辅助散热器4再次进行循环降温。

所述燃料电池的换热系统还包括氢气喷射器11，所述氢气喷射器11设置在所述集成换热器1的氢气出口与所述电池堆2的氢气进口之间，所述氢气喷射器11用于将经过所述集成换热器1加热后的氢气输送至所述电池堆2内。

如图2-16所示，所述集成换热器1，包括水散热器本体，所述水散热器本体包括芯体1.1和分别固定在所述芯体1.1两侧的进水室1.2和出水室1.3，还包括换热容器，所述换热容器设置在所述进水室1.2腔体内。

所述进水室1.2上设有进水口，进水管1.4通过法兰安装在进水口上，所述出水室1.3上设有出水口，出水管1.5通过法兰安装在出水口上，当所述进水室1.2内设有所述换热容器时，所述进水室1.2上还设有两个或两个以上的接口1.6，所述接口1.66均与所述进水室1.2的腔体连通，所述换热容器通过接口1.6伸出所述进水室1.2外，所述换热容器与所述接口1.6连接的位置采用密封接头1.15进行密封连接。

本实施例对所述换热容器的结构不进行限定，所述换热容器可以为单根绕管结构、多根管结构、叠片结构及多排管结构，例如：

如图2-图6所示，单根绕管结构的所述换热容器包括单根换热管1.8，所述换热管1.8呈蛇形环绕结构，当然所述换热管1.8还可以呈螺旋形环绕结构或W形结构。所述换热管1.8呈蛇形环绕结构、螺旋形环绕结构或W形结构能够增加换热面积，充分利用水腔的空间。当所述换热容器为单管结构时，所述进水室1.2上设有两个接口1.6，所述换热管1.8的两端分别通过这两个接口1.6伸出所述进水室1.2的腔体外，所述接口1.6与所述换热管1.8之间通过密封接头1.15密封连接(如图5和图6)，需要换热的气体通过所述换热管的一端进入所述换热管1.8内，在所述换热管1.8内与进水室1.2的腔体内的介质换热后，通过另一端排出。

另外，本实施例对所述换热管1.8的绕管方向不进行限定，所述换热管1.8可以沿横向或纵向绕管。例如，如图4所示的换热管1.8的绕管方向为横向，如图7和8所示的换热管1.8的绕管方向为纵向。

如图8-图9所示，多根管结构的所述加热模块包括多根换热管1.8，每根所述换热管1.8均呈蛇形环绕结构，且相邻的两根所述换热管1.8的环绕方向相反，使得换热管1.8结构布置紧凑。多根所述换热管1.8的一端通过管道连接件1.17(例如卡套)汇聚成一条进气管1.10，多根所述换热管1.8的另一端通过管道连接件1.17汇聚成一条出气管1.11。

如图11-图13所示，叠片结构的所述换热容器包括多个换热片1.9、进气管1.10和出气管1.11，多个所述换热片1.9呈多层分布，且每个所述换热片1.9均与进气管1.10和出气管1.11连通，所述进水室1.2上设有两个接口1.6，所述进气管1.10和出气管1.11分别通过这两个接口1.6伸出所述进水室1.2的腔体外，进气管1.10和出气管1.11与各自的接口1.6之间均通过密封接头1.15密封连接，需要换热的气体通过所述进气管1.10进入所述换热片1.9的内腔中，与腔体内的介质换热后，通过出气管1.11排出。

如图14-图16所示，多排管结构的所述换热容器包括换热管组1.12、第一循环室1.13和第二循环室1.14，所述第一循环室1.13和第二循环室1.14设置在所述换热管组1.12的两端，且所述换热管组1.12与所述第一循环室1.13和第二循环室1.14连通，所述换热管组1.12包括多排顺序排列的换热管1.8，所述第一循环室1.13和第二循环室1.14上分别设有进气管1.10和出气管1.11。所述进水室1.2上设有两个接口1.6，所述进气管1.10和出气管1.11分别通过这两个接口1.6伸出所述进水室1.2的腔体外，进气管1.10和出气管1.11与各自的接口1.6之间均通过密封接头1.15密封连接，需要换热的气体通过所述进气管1.10由所述第一循环室1.13进入换热管组1.12内，与腔体内的介质换热后，进入第二循环室1.14并通过出气管1.11排出。

所述进水室1.2内还设有温度传感器1.7，用于对所述进水室1.2内的水温进行实时监测。

本实用新型的集成换热器1的制造方法如下：换热容器可以选用316L不锈钢材质，还设有密封接头1.15，所述密封接头1.15用于将换热管1.8与进水室1.2上的接口1.6进行密封连接，换热管1.8与密封接头1.15之间可以选择一体化真空钎焊成型制造，这种制造方式能够避免后续氩弧焊接，保证产品的电导率及清洁度，当然也可以采用氩弧焊焊接方式，只要满足使用要求均应在本申请的保护范围之内；密封接头1.15上预留密封槽1.151及螺纹，水散热器本体选用槽铝水室结构，预留与换热容器集成的接口1.6；所述密封槽1.151内安装密封圈，所述密封接头1.15与所述接口1.6之间通过密封圈与锁紧螺母1.16装配在一起。

本实用新型的集成换热器1在对从电池堆2里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，可以同时用作氢气加热器，与常规氢气加热器不同，常规氢气加热器为包含水侧通道、氢气侧通道、进氢气接口1.6、出氢气接口1.6、进水接口1.6、出水接口1.6等零部件，本实用新型只有氢气侧通道及氢气进口、出口，结构简单。

本实用新型将水散热气与氢气加热器进行有效集成，以充分利用热能并缩减系统布置空间，降低制造、组装、检验维修等相关费用，提高系统的整体性能。

具体实施例二：

区别与具体实施例一，所述集成换热器1包括水散热器本体，所述水散热器本体包括芯体1.1和分别固定在所述水散热器芯体1.1两侧的进水室1.2和出水室1.3，还包括换热容器，区别于具体实施例一，所述换热容器设置在所述出水室1.3腔体内。

所述进水室1.2内设有进水口，所述出水室1.3内设有出水口，当所述出水室1.3内设有所述换热容器时，所述出水室1.3上还设有两个或两个以上的接口1.6，所述接口1.6均与所述出水室1.3的腔体连通，所述换热容器通过接口1.6伸出所述出水室1.3外，所述换热容器与所述接口1.6连接的位置采用密封结构进行密封连接。

所述出水室1.3内还设有温度传感器1.7，用于对所述出水室1.3内的水温进行实时监测。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃料电池的换热系统，其特征在于，包括电池堆(2)、集成换热器(1)和用于储存低温氢气的储氢罐(3)，所述集成换热器(1)在对从电池堆(2)里出来的高温水进行散热的同时还能够实现氢气的加热功能，能够同时用作氢气加热器，所述储氢罐(3)的氢气出口与所述集成换热器(1)的氢气进口连通，所述集成换热器(1)内的换热容器对从储氢罐(3)输出的低温氢气加热，所述集成换热器(1)的氢气出口与所述电池堆(2)的氢气进口连接，所述电池堆(2)的高温水出口与所述集成换热器(1)的进水口连接，所述集成换热器(1)将从所述电池堆(2)里输出的高温水散热降温后再循环回到电池堆(2)内。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述集成换热器(1)包括水散热器本体，所述水散热器本体包括芯体(1.1)和分别固定在所述芯体(1.1)两侧的进水室(1.2)和出水室(1.3)，还包括换热容器，所述换热容器设置在所述进水室(1.2)腔体和/或出水室(1.3)腔体内，所述进水室(1.2)内设有进水口，所述出水室(1.3)内设有出水口，所述进水室(1.2)和/或出水室(1.3)上设有氢气进口和氢气出口，氢气进口和氢气出口与所述换热容器连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，还包括辅助散热器(4)和去离子器(5)，所述辅助散热器(4)用于对电池堆(2)内的高温水进行辅助冷却，所述去离子器(5)用于除去燃料电池中的离子污染物，保证燃料电池的正常运行，所述电池堆(2)的出水口分三路，第一路连接所述集成换热器(1)的进水口，第二路连接所述辅助散热器(4)的进水口，第三路连接所述去离子器(5)的进水口。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，还包括第一节温器(6)、水泵(7)、第二节温器(8)、中冷器(9)和空气压缩机(10)，所述第一节温器(6)、水泵(7)、第二节温器(8)和中冷器(9)通过管路串联连接，所述集成换热器(1)的出水口、所述辅助散热器(4)的出水口和所述去离子器(5)的出水口均与所述第一节温器(6)的进水口连接，所述第二节温器(8)的出水口分两路分别与所述电池堆(2)的低温水进水口和所述中冷器(9)的进水口连接，所述中冷器(9)的出水口分两路分别与所述集成换热器(1)的进水口和所述辅助散热器(4)的进水口连接，所述空气压缩机(10)的出气口与所述中冷器(9)的进气口连接，所述中冷器(9)的出气口与所述电池堆(2)的氧气进口连接。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，还包括氢气喷射器(11)，所述氢气喷射器(11)设置在所述集成换热器(1)的氢气出口与所述电池堆(2)的氢气进口之间，所述氢气喷射器(11)用于将经过所述集成换热器(1)加热后的氢气输送至所述电池堆(2)内。

6.根据权利要求2所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述进水室(1.2)上设有进水口，所述出水室(1.3)内设有出水口，当所述进水室(1.2)内设有所述换热容器时，所述进水室(1.2)上设有两个或两个以上的接口(1.6)，所述接口(1.6)均与所述进水室(1.2)的腔体连通，所述换热容器通过所述接口(1.6)伸出所述进水室(1.2)外；当所述出水室(1.3)上设有所述换热容器时，所述出水室(1.3)上设有两个或两个以上的接口(1.6)，所述接口(1.6)均与所述出水室(1.3)的腔体连通，所述换热容器通过所述接口(1.6)伸出所述出水室(1.3)外。

7.根据权利要求2所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述换热容器包括单根或多根换热管(1.8)，所述换热管(1.8)呈蛇形环绕结构、螺旋形环绕结构或W形结构。

8.根据权利要求2所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述换热容器包括多个换热片(1.9)、进气管(1.10)和出气管(1.11)，多个所述换热片(1.9)呈多层分布，且每个所述换热片(1.9)的内腔均与进气管(1.10)和出气管(1.11)连通。

9.根据权利要求2所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述换热容器包括换热管组(1.12)、第一循环室(1.13)和第二循环室(1.14)，所述第一循环室(1.13)和第二循环室(1.14)设置在所述换热管组(1.12)的两端，且所述换热管组(1.12)与所述第一循环室(1.13)和第二循环室(1.14)连通，所述换热管组(1.12)包括多排换热管，所述第一循环室(1.13)和第二循环室(1.14)上分别设有进气管(1.10)和出气管(1.11)。

10.根据权利要求2所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，所述进水室(1.2)和/或述出水室(1.3)内还设有温度传感器(1.7)，用于对所述进水室(1.2)和/或述出水室(1.3)内的水温进行实时监测。

11.根据权利要求1所述的燃料电池的换热系统，其特征在于，在所述储氢罐(3)的氢气出口与所述集成换热器(1)的氢气进口之间连通的管路上还设有过滤器和减压阀。