一种燃料电池用氢空水集成式换热装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用氢空水集成式换热装置、系统及方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是通过电化学催化反应，将燃料中的电化学能转化成电能的发电装置，具有高能量密度，环境优化无污染，低噪音、长续航里程及加注燃料时间短等优点，是交通领域动力来源的终极解决方案，具有广泛的发展前景。
3.氢燃料电池发动机一般由电池堆及空气供给系统、燃料供给系统、冷却换热系统及控制系统等子系统组成，目前氢燃料电池发动机的操作温度一般都在70～85℃左右。
4.氢燃料电池发动机具有优越的宽环境温度适用性，但当环境温度较低时，由于循环的氢气带有大量饱和的水蒸气，当这部分水蒸气遇到减压后的氢气，会造成水蒸气冷凝，析出液态水滴，对膜电极寿命会造成不可逆的损伤，因此需增加换热装置提高入口氢气温度；随着发动机功率的不断升高，所需空气量也随之提高，采用独立的冷却装置会增加空气系统的阻力，增大了空压机的功耗，降低燃料电池系统效率，同时占用较多的安装空间，降低了系统体积功率密度和产品的竞争性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种燃料电池用氢空水集成式换热装置、系统及方法，利用高温压缩空气和发动机运行时产生的热量来加热氢气，降低高温压缩空气的温度，降低发动机性能受外界环境的影响，提高发动机的宽环境温度适应性。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种燃料电池用氢空水集成式换热装置，包括壳体、冷却液换热部、氢气换热部，所述冷却液换热部和氢气换热部设于壳体内，所述壳体上设有压缩空气进口、压缩空气出口、进水口、出水口、进氢口、出氢口，所述压缩空气进口和压缩空气出口分别设置于壳体长度方向的两端，所述进水口和出水口均连通于冷却液换热部，所述进氢口和出氢口均连通于氢气换热部，所述压缩空气进口和压缩空气出口之间形成有可供压缩气体通过的气体流动区域，所述气体流动区域经过冷却液换热部和氢气换热部。
8.进一步地，所述氢气换热部设于靠近压缩空气出口的一侧，所述冷却液换热部环设于氢气换热部；所述进水口、出水口设于靠近压缩空气进口的一侧，所述进氢口、出氢口设于靠近压缩空气出口的一侧；所述压缩空气出口处连接有用于对接加湿器的对接法兰。
9.进一步地，所述壳体宽度方向的两侧分别设有分隔区和连通区，所述分隔区包括相互分隔的进水模块、出水模块、进气模块和出气模块，所述连通区包括相互分隔的进出冷却液连通模块和进出氢气连通模块；所述冷却液换热部包括进水单元和出水单元，所述进水单元一端通过进水模块与进水口连通、另一端通过进出冷却液连通模块与出水单元连
通，所述出水单元另一端通过出水模块与出水口连通；所述氢气换热部包括进氢单元和出氢单元，所述进氢单元一端通过进气模块与进氢口连通、另一端通过进出氢气连通模块与出氢单元连通，所述出氢单元另一端通过出气模块与出氢口连通。
10.进一步地，所述进水单元、出水单元、进氢单元、出氢单元均由若干管体组成，相邻的管体之间形成气体流动区域。
11.进一步地，所述进水口和出水口错位设置，所述出水口的位置高于进水口。
12.由于采用了上述技术方案，气体会在液体的推动下向上排出，进水口和出水口错位设置。便于排除冷却液换热部内的气体，提高热交换效率。
13.进一步地，所述壳体上还设有压缩空气旁通出口，所述压缩空气旁通出口设有靠近压缩空气出口的一侧。
14.一种燃料电池用氢空水集成式换热系统，包括换热装置、电堆、氢源、空气压缩机和水泵，所述水泵与电堆连通并向电堆供水，所述水泵与换热装置的进水口连接形成进水支路，所述换热装置的出水口与电堆连接形成出水支路；所述氢源与换热装置的进氢口连接形成进氢支路，所述换热装置的出氢口与电堆连接形成出氢支路；所述空气压缩机与换热装置的压缩空气进口连接形成空气进气支路，所述换热装置的压缩空气出口经过加湿器与电堆连接形成空气出气支路；所述换热装置内设有冷却液换热部和氢气换热部，所述压缩空气进口和压缩空气出口分别设置于换热装置长度方向的两端，所述进水口和出水口均连通于冷却液换热部，所述进氢口和出氢口均连通于氢气换热部，所述压缩空气进口和压缩空气出口之间形成有可供压缩气体通过的气体流动区域，所述气体流动区域经过冷却液换热部和氢气换热部。
15.进一步地，还包括旁通支路，所述旁通支路一端通过压缩空气旁通出口与换热装置连通；所述压缩空气出口处连接有用于对接加湿器的对接法兰。
16.进一步地，所述进水支路上设有开度可调的第一阀体，所述进氢支路上设有开度可调的第二阀体，所述出氢支路上设有a温度传感器，所述压缩空气出口侧设有b温度传感器；所述第一阀体、第二阀体分别信号连接并受控于控制系统，所述a温度传感器、b温度传感器分别与控制系统信号连接，所述a温度传感器与控制系统之间传递有进堆氢气温度数据值，所述b温度传感器与控制系统之间传递有进堆空气温度数据值。
17.一种燃料电池用氢空水集成式换热方法，包括如下步骤：
18.预设置步骤：在控制系统中预设置空气被冷却后的最低温度t1、最高温度t2，氢气被加热后的最低温度t3、最高温度t4；
19.换热步骤：空气压缩机通过进气支路向换热装置中通入高温压缩空气，氢源通过进氢支路向换热装置中通入低温氢气，低温氢气在换热装置中的氢气换热部流通；水泵向进水支路通水作为冷却液，冷却液在换热装置中的冷却液换热部中流通，冷却液换热部作用于高温压缩空气使其降温、作用于氢气换热部使其升温，冷却液最后经出水口进入出水支路流入冷却液主路；高温压缩空气先在冷却液换热部的作用下进行液气换热，再流经氢气换热部进行进行气气换热，最后经压缩空气出口进入空气出气支路，流入电堆；低温氢气在冷却液换热部的作用下进行液气换热，在高温压缩空气的作用下进行气气换热，最后经出氢口进入出氢支路，流入电堆；
20.温度采集步骤：出氢支路处的a温度传感器实时采集进堆氢气温度数据值t1，并将
该数据值传递至控制系统；压缩空气出口侧的b温度传感器实时采集进堆空气温度数据值t2，并将该数据值传递至控制系统；
21.调节步骤：控制系统接收实时进堆氢气温度数据值t1、实时采集进堆空气温度数据值t2，当进堆空气温度数据值t2≥空气被冷却后的最高温度t2时，增大进水支路上第一阀体的开度；当进堆空气温度数据值t2≤空气被冷却后的最低温度t1时，减少第一阀体的开度；当空气被冷却后的最低温度t1＜进堆空气温度数据值t2＜t2时，保持第一阀体的开度；当进堆氢气温度数据值t1≥氢气被加热后的最高温度t4时，增大进氢支路上第二阀体的开度；当进堆氢气温度数据值t1≤氢气被加热后的最低温度t3时，减少第二阀体的开度；当氢气被加热后的最低温度t3＜进堆氢气温度数据值t1＜氢气被加热后的最高温度t4时，保持第二阀体开度。
22.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：提供了一种集成度高、结构紧凑、功能多、体积小的换热装置，充分利用高温压缩空气和发动机运行时产生的热量来加热氢气，降低高温压缩空气的温度，降低发动机性能受外界环境因素的影响，提高发动机的宽环境温度适应性；提高了氢气的发电效率，降低氢耗；其次高度集成的方案设计，有利于减少管路设计和部件数量，提升发动机集成度，降低发动机的重量，提高经济性，具有较高的可操作性和开发使用的价值。增加旁通接口，减少发动机起动时和停机时的高电位时长，提升发动机的寿命。使氢燃料电池系统集成度更加紧凑，体积更小，质量功率密度和体积功率密度指标更加先进，提高氢燃料电池发动机市场推广范围和应用场景。
附图说明
23.图1是本发明换热过程的示意图；
24.图2是本发明燃料电池用氢空水集成式换热装置的结构示意图；
25.图3是本发明连通区的结构示意图；
26.图4是本发明分隔区的结构示意图；
27.图5是本发明燃料电池用氢空水集成式换热装置的剖示图；
28.图6是本发明燃料电池用氢空水集成式换热系统的结构示意图。
29.图中标记：1-压缩空气进口，2-分隔区，201-进水模块，202-出水模块，203-进气模块，204-出气模块，3-出水口，4-进水口，5-出氢口，6-进氢口，7-壳体，8-压缩空气旁通出口，9-压缩空气出口，10-连通区，1001-冷却液连通模块，1002-进出氢气连通模块，11-水泵，12-进水支路，13-第一阀体，14-出水支路，15-换热装置，16-进氢支路，17-第二阀体，18-a温度传感器，19-出氢支路，20-b温度传感器，21-空气进气支路，22-空气出气支路，23-旁通支路，24-电堆，25-空气压缩机，26-氢源，27-冷却液换热部，28-氢气换热部，29-加湿器，30-对接法兰，31-冷却液主路。
具体实施方式
30.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
31.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。
32.实施例1
33.一种燃料电池用氢空水集成式换热装置，如图1-5所示，包括壳体7、冷却液换热部27、氢气换热部28，所述冷却液换热部27和氢气换热部28设于壳体7内，所述壳体7上设有压缩空气进口1、压缩空气出口9、进水口4、出水口3、进氢口6、出氢口5，所述压缩空气进口1和压缩空气出口9分别设置于壳体7长度方向的两端，所述进水口4和出水口3均连通于冷却液换热部27，所述进氢口6和出氢口5均连通于氢气换热部28，所述压缩空气进口1和压缩空气出口9之间形成有可供压缩气体通过的气体流动区域，所述气体流动区域经过冷却液换热部27和氢气换热部28。
34.所述氢气换热部28设于靠近压缩空气出口9的一侧，所述冷却液换热部27环设于氢气换热部28；所述进水口4、出水口3设于靠近压缩空气进口1的一侧，所述进氢口6、出氢口5设于靠近压缩空气出口9的一侧；所述压缩空气出口9处连接有用于对接加湿器29的对接法兰30。
35.所述壳体7宽度方向的两侧分别设有分隔区2和连通区10，所述分隔区2包括相互分隔的进水模块201、出水模块202、进气模块203和出气模块204，所述连通区10包括相互分隔的进出冷却液连通模块1001和进出氢气连通模块1002；所述冷却液换热部27包括进水单元和出水单元，所述进水单元一端通过进水模块201与进水口4连通、另一端通过进出冷却液连通模块1001与出水单元连通，所述出水单元另一端通过出水模块202与出水口3连通；所述氢气换热部28包括进氢单元和出氢单元，所述进氢单元一端通过进气模块203与进氢口6连通、另一端通过进出氢气连通模块1002与出氢单元连通，所述出氢单元另一端通过出气模块与204出氢口5连通。
36.所述进水单元、出水单元、进氢单元、出氢单元均由若干管体组成，相邻的管体之间形成气体流动区域。进水单元中的管体包围着氢气换热部28，且管体与管体之间通过肋片连接，实现冷却液与氢气之间热量交换。
37.所述进水口4和出水口3错位设置，所述出水口3的位置高于进水口4。具体地说，气体会在液体的推动下向上排出，进水口4和出水口3错位设置。便于排除冷却液换热部27内的气体，提高热交换效率。冷却液从进水口4进入，对压缩空气进行降温，同时通过带金属肋片的管体对氢气加热。氢气从进氢口6进入，降低压缩空气和冷却液温度后，从出氢口5流出。
38.所述壳体7上还设有压缩空气旁通出口8，所述压缩空气旁通出口8设有靠近压缩空气出口9的一侧。具体地说，增加压缩空气旁通出口8，可减少发动机起动时和停机时的高电位时长，提升发动机的寿命。
39.实施例2
40.一种燃料电池用氢空水集成式换热系统，如图1-6所示，包括换热装置15、电堆24、氢源26、空气压缩机25和水泵11，所述水泵11与电堆24连通并向电堆24供水，所述水泵11与换热装置15的进水口4连接形成进水支路12，所述换热装置15的出水口3与电堆24连接形成出水支路14；所述氢源26与换热装置15的进氢口6连接形成进氢支路16，所述换热装置15的出氢口5与电堆24连接形成出氢支路19；所述空气压缩机25与换热装置15的压缩空气进口1连接形成空气进气支路21，所述换热装置15的压缩空气出口9经过加湿器29与电堆24连接形成空气出气支路22；所述换热装置15内设有冷却液换热部27和氢气换热部28，所述压缩
空气进口1和压缩空气出口9分别设置于换热装置15长度方向的两端，所述进水口4和出水口3均连通于冷却液换热部27，所述进氢口6和出氢口5均连通于氢气换热部28，所述压缩空气进口1和压缩空气出口9之间形成有可供压缩气体通过的气体流动区域，所述气体流动区域经过冷却液换热部27和氢气换热部28。
41.还包括旁通支路23，所述旁通支路23一端通过压缩空气旁通出口8与换热装置15连通；所述压缩空气出口9处连接有用于对接加湿器29的对接法兰30。
42.所述进水支路12上设有开度可调的第一阀体13，所述进氢支路16上设有开度可调的第二阀体17，所述出氢支路19上设有a温度传感器18，所述压缩空气出口9侧设有b温度传感器20；所述第一阀体13、第二阀体17分别信号连接并受控于控制系统，所述a温度传感器18、b温度传感器20分别与控制系统信号连接，所述a温度传感器18与控制系统之间传递有进堆氢气温度数据值，所述b温度传感器20与控制系统之间传递有进堆空气温度数据值。优选地，所述第一阀体13为电子节温器，所述第二阀体17为氢气流量控制阀。
43.压缩空气由空气进气支路21进入换热装置15内，同时冷却液从进水支路12进入冷却液换热部27，压缩空气先与冷却液进行热量交换，降低压缩空气的温度；再通过带有肋片的氢气换热部28，与氢气实现热量交换，加热氢气并进一步降低压缩空气温度；然后压缩空气经过加湿器29进入电堆24，或穿过旁侧的压缩空气旁通出口8进入旁通支路23，并在旁通支路23中通过尾排管排出或进入电堆24，所述旁通支路23上设有控制压缩空气流向及流量的旁通节气门。
44.本实施例通过电子节温器调节冷却液的流量，来调节压缩空气被冷却的温度；通过氢气流量控制阀调节被加热氢气量的比例，进而实现调控混合后的氢气温度。
45.实施例3
46.一种燃料电池用氢空水集成式换热方法，包括如下步骤：
47.预设置步骤：在控制系统中预设置空气被冷却后的最低温度t1、最高温度t2，氢气被加热后的最低温度t3、最高温度t4；
48.换热步骤：空气压缩机25通过进气支路向换热装置15中通入高温压缩空气，氢源26通过进氢支路16向换热装置15中通入低温氢气，低温氢气在换热装置15中的氢气换热部28流通；水泵11向进水支路12通水作为冷却液，冷却液在换热装置15中的冷却液换热部27中流通，冷却液换热部27作用于高温压缩空气使其降温、作用于氢气换热部28使其升温，冷却液最后经出水口3进入出水支路14流入冷却液主路31；高温压缩空气先在冷却液换热部27的作用下进行液气换热，再流经氢气换热部28进行进行气气换热，最后经压缩空气出口9进入空气出气支路22，流入电堆24；低温氢气在冷却液换热部27的作用下进行液气换热，在高温压缩空气的作用下进行气气换热，最后经出氢口5进入出氢支路19，流入电堆24；
49.温度采集步骤：出氢支路19处的a温度传感器18实时采集进堆氢气温度数据值t1，并将该数据值传递至控制系统；压缩空气出口9侧的b温度传感器20实时采集进堆空气温度数据值t2，并将该数据值传递至控制系统；
50.调节步骤：控制系统接收实时进堆氢气温度数据值t1、实时采集进堆空气温度数据值t2，当进堆空气温度数据值t2≥空气被冷却后的最高温度t2时，增大进水支路12上第一阀体13的开度；当进堆空气温度数据值t2≤空气被冷却后的最低温度t1时，减少第一阀体13的开度；当空气被冷却后的最低温度t1＜进堆空气温度数据值t2＜t2时，保持第一阀
体13的开度；当进堆氢气温度数据值t1≥氢气被加热后的最高温度t4时，增大进氢支路16上第二阀体17的开度；当进堆氢气温度数据值t1≤氢气被加热后的最低温度t3时，减少第二阀体17的开度；当氢气被加热后的最低温度t3＜进堆氢气温度数据值t1＜氢气被加热后的最高温度t4时，保持第二阀体17开度。
51.本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
53.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。