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一种集成双冷却中冷器的增湿器及燃料电池的制作方法

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1.本实用新型涉及燃料电池系统领域,具体为一种集成双冷却中冷器的增湿器及燃料电池。


背景技术:

2.燃料电池作为一种清洁环保高效的能量转换装置,随着燃料电池技术的逐渐成熟,越来越受到各个国家的重视,尤其在我国获得飞速发展,其应用范围也越来越广。质子交换膜燃料电池(pemfc)具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点,是未来交通动力系统的主要竞争者之一,其质子交换膜在适当湿润条件下燃料电池才能获得良好的工作性能。燃料电池空气和氢气进气都需要被增湿以防止质子交换膜脱水降低电池性能及工作寿命,使燃料电池得以高效工作。在诸多加湿技术路线中,膜加湿器利用pemfc摆放的湿废气被循环利用于加湿和加热反应物,因其具有增湿稳定、可控性强、增湿量大,无额外功耗等优点成为当前主流的外增湿技术方案。另一方面,为了创造有利的电堆工作条件通常需要对空气进行加压,经由空压机加压的空气通常会伴随温度升高,因而在进入增湿器前通常要利用中冷器降温。
3.目前的中冷器的使用方法为:空压机出来的高温压缩干空气先经过中冷器降温,后再进入加湿器增湿后进入电堆。这种方法存在诸多的问题,例如:
4.(1)现有中冷器通常为单独的液冷或风冷,但无论液冷或者风冷其冷却介质需要设有外加来自系统冷却水路的动力,外加的动力或者是电动水泵,或者是电动风扇,都需要大量消耗系统功率;
5.(2)该传统使用方法的冷却技术路线是干气使用冷却液降温,冷却液再被整车散热器冷却,这会造成整车因为需要预留中冷器散热需求而选用大散热器和大功率水泵,增加整车散热空间及安装难度;
6.(3)传统燃料电池系统的废气由增湿器湿出口排出,通常接近于系统运行温度,通常温度较低,不利于能量回收。
7.基于上述问题,申请人在先申请了专利名称为“一种燃料电池用双冷却中冷器”的技术方案,采用双冷却结构,解决上述问题。然而,无论是现有的中冷器还是双冷却中冷器,通常都设置为单独的部件,通过管路同燃料电池的增湿器连通,这样通常造成系统的体积增大,质量控制点多的问题。
8.因此,本领域的技术人员致力于开发一种集成双冷却中冷器的增湿器及燃料电池,以解决上述问题。


技术实现要素:

9.有鉴于现有技术的上述缺陷,本实用新型所要解决的技术问题是提供一种集成双冷却中冷器的增湿器及燃料电池,通过集成双冷却中冷器,节省系统体积,减少设备部件,有效进行质量控制,解决背景技术中的问题。
10.为了解决上述问题,本实用新型提供一种集成双冷却中冷器的增湿器,至少包括导流端盖、中冷器和膜加湿器,所述导流端盖包括两个,分别设置在所述中冷器和所述膜加湿器的两侧,所述中冷器上未设置所述导流端盖的一侧与所述膜加湿器上未设置所述导流端盖的一侧连通,干空气自所述导流端盖进入所述中冷器,由所述中冷器降温后直接进入所述膜加湿器。
11.进一步的,所述中冷器至少包括冷却腔以及散热管,所述冷却腔内具有相邻设置的气冷腔和液冷腔两个冷却空间;所述散热管位于所述冷却腔内部,并贯穿所述气冷腔和液冷腔。
12.进一步的,所述冷却腔中所述气冷腔和所述液冷腔的两端分别设置有冷却介质进出口。
13.进一步的,所述冷却腔内的介质来自燃料电池系统内部,其中,所述气冷腔冷却介质为气体,采用的是所述膜加湿器排出的废气;所述液冷腔冷却介质为冷却液,来自于系统冷却循环水路。
14.进一步的,所述膜加湿器至少包括壳体,所述壳体的两侧设有加湿介质进出口,在所述壳体内部设置导流腔体,加湿介质进出口连通所述导流腔体;在所述壳体内部两侧所述导流腔体之间设有膜加湿组件,所述膜加湿组件至少设置有加湿膜管;所述壳体一侧与所述导流端盖连接。
15.进一步的,所述中冷器与所述膜加湿器连通,所述中冷器内部所述散热管管口与所述膜加湿器内部的所述加湿膜管直接连通,干空气由所述导流端盖进入所述中冷器后,首先经过所述散热管经过所述气冷腔,再经过所述液冷腔,冷却后进入所述加湿膜管,经过加湿模组加湿后由加湿器导入电堆。
16.进一步的,所述膜加湿器的加湿介质来自燃料电池电堆的含湿废气,其首先加湿介质入口进入所述膜加湿器的所述壳体,经由所述加湿模组外侧完成加湿,然后由所述膜加湿器的加湿介质出口经由管道进入所述中冷器的所述气冷腔,流经所述气冷腔的所述散热管完成热交换后,最后经由所述气冷腔的出口排出形成废气。
17.进一步的,所述冷却腔结构可采用列管式或扁管翅片式或毛细流道式,所述散热管基于所述冷却腔的结构设置于中冷器内部。
18.进一步的,所述冷却腔中两个冷却腔体的设置位置为:所述气冷腔位于所述液冷腔上游,所述导流端盖的导入的高温气体首先经过所述气冷腔进行预降温,再经过液冷腔补充降温,最后降至合适温度。
19.进一步的,所述气冷腔和液冷腔的降温可采用单一的所述气冷腔进行降温,当所述气冷腔降温不能达到燃料电池系统要求时,通过液冷腔补充降温。
20.本技术还提供一种燃料电池,该燃料电池采用前述所述的集成双冷却中冷器的增湿器对其内空气进气增湿。
21.通过实施上述本实用新型提供的集成双冷却中冷器的增湿器及燃料电池,具有如下技术效果:
22.(1)本技术方案通过将双冷却中冷器与膜加湿器集成,可以利用膜加湿器排出的废气进入中冷器来实现首先对来自空压机的高温空气隔离式降温;将冷却腔设置为气冷腔和液冷腔两个冷却腔体,通过增湿器废气对高温气体的预降温来实现减轻甚至取代液冷,
从而可以大大减少液冷所需消耗的能量,降低了空气冷却产生的寄生功率,从而提高燃料电池系统整体效率;
23.(2)本技术方案中由中冷器排出废气的温度大大提高,大大提高系统运行温度,有利于废气能量的回收;
24.(3)本技术方案降低热管理系统负担和零部件要求,减少整机的重量和零部件,减小了成本,便于质量监控,也提高了系统稳定性。
附图说明
25.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果:
26.图1是本实用新型实施例中集成双冷却中冷器的增湿器结构示意图;
27.图2是图1中列管式冷却腔结构示意图;
28.图3是图2中扁管翅片式冷却腔结构示意图;
29.图中:
30.1、增湿器;
31.10、中冷器;100、冷却腔;101、气冷腔;1010、湿气入口;1011、废气出口;102、液冷腔;1020、冷却液进口;1021、冷却液出口;103、散热管;
32.11、膜加湿器;110、壳体;1100、湿气进口;1101、湿气出口;1102、导流腔体;1103、膜加湿组件;
33.12、导流端盖;120、干气入口;121、干气出口。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
35.下面采用实施例详细描述本实用新型的技术方案。
36.如图1结合图2-3所示是一种集成双冷却中冷器10的增湿器1,至少包括导流端盖12、中冷器10和膜加湿器11,导流端盖12包括两个,分别设置在中冷器10和膜加湿器11的两侧,中冷器10上未设置导流端盖12的一侧与膜加湿器11上未设置导流端盖12的一侧连通,干空气自导流端盖12进入中冷器10,由中冷器10降温后直接进入膜加湿器11。
37.更具体而言,双冷却中冷器10至少包括冷却腔100和散热管103,其中,冷却腔100至少包括相邻设置的气冷腔101和液冷腔102两个冷却空间;散热管103位于中冷器10内部,散热管103贯穿气冷腔101和液冷腔102;使得散热管103与导流端盖12在中冷器10内部形成流场空间,完成对高温气体的冷却。
38.导流端盖12上设置有干气入口120和干气出口121,其中,干气入口120用于连接外部空压机,使得来自空压机的高温气体进入中冷器10内部进行冷却,另一端连接冷却腔100,将高温气体导入到冷却腔100;另一侧导流端盖12的一端连通膜加湿器11,另一端通过干气出口121将气体导出到其他设备中。
39.冷却腔100中两个冷却腔100体的设置位置为气冷腔101位于液冷腔102上游,即上述导流端盖12的导入的高温气体首先经过冷却腔100的气冷腔101进行预降温,再经过冷却腔100的液冷腔102补充降温,最后降至合适温度。
40.气冷腔101的上下两端分别设置有湿气入口1010和废气出口1011,由于气冷腔101的冷却介质为气体,采用的是燃料电池中膜加湿器11排出的废气,则湿气入口1010进口连通的即为膜加湿器11;液冷腔102的上下两端分别设置有冷却液进口1020和冷却液出口1021,由于液冷腔102的冷却介质为冷却液,来自于燃料电池冷却循环水路,冷却液进口1020即与系统内部循环水路连通。
41.气冷腔101和液冷腔102的降温可采用单一的气冷腔101进行降温,当气冷腔101降温不能达到燃料电池系统要求时,通过液冷腔102补充降温。
42.如图2-3所述,冷却腔100结构可采用列管式或扁管翅片式或毛细流道式,散热管103基于冷却腔100的结构设置于中冷器10内部。散热管103的设置,使得中冷器10内部形成几个流场空间,分别为导流端盖12与散热管103内形成被降温气体的流场空间;液冷腔102与散热管103外侧形成冷却液流场空间;气冷腔101与散热管103外侧形成冷却气流场空间,进一步增强冷却效果。经过试验,对于100kw燃料电池系统,可降低整车热负荷5-10kw,占整车热负荷高达10%。
43.膜加湿器11至少包括壳体110,壳体110的两侧设有湿气进口1100和湿气出口1101,其中,湿气出口1101通过管路与气冷腔101的湿气入口1010连通,在壳体110内部设置导流腔体1102,湿气进口1100连通导流腔体1102;在壳体110内部两侧导流腔体1102之间设有膜加湿组件1103,膜加湿组件1103至少设置有加湿膜管;壳体110一侧与导流端盖12连接。
44.中冷器10与膜加湿器11连通,中冷器10内部散热管103管口与膜加湿器11内部的加湿膜管直接连通,干空气由导流端盖12进入中冷器10后,首先通过散热管103经气冷腔101,再经过液冷腔102,冷却后进入加湿膜管,经过加湿模组加湿后由加湿器导入电堆。
45.膜加湿器11的加湿介质来自燃料电池电堆的含湿废气,其首先加湿介质入口进入膜加湿器11的壳体110,经由加湿模组外侧完成加湿,然后由膜加湿器11的湿气出口1101经由管道进入中冷器10的气冷腔101,流经气冷腔101的散热管103完成热交换后,最后经由气冷腔101的废气出口1011排出形成废气。
46.通过上述双冷却中冷器10与膜加湿器11集成形成的增湿器1结构可以利用膜加湿器11湿气出口1101排出的废气进入中冷器10来实现首先对来自空压机的高温空气隔离式降温,实现减轻甚至取代液冷从而可以大大减少液冷所需消耗的能量,从而提高整个燃料电池系统的效率;同时结构零部件减少,成本降低,体积减小,质量检测更加便捷。
47.需要补充说明的是,除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”“端”、“侧”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也相应地改变。
48.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的实用新型后,将容易想到本实用新型的其它实施方案。本技术旨在涵盖本实用新型的任何用途或者适应性变化,这些用途或者
适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本实用新型的真正范围和精神由权利要求书指出。
49.应当理解的是,本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构,并且可以在不脱离其范围的前提下进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求书来限制。

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