[發明專利]一種用于燃料電池加濕的熱交換器和加濕系統

有效

• 申請號: 201810197849.0
• 申請日: 2018-03-11
• 公開（公告）號: CN108288716B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 常愛樂;王俊杰;朱俊娥;歐陽洵
• 申請（專利權）人: 江蘇氫璞創能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04119
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中;王永偉

本發明提供一種用于燃料電池加濕的熱交換器和使用該熱交換器的加濕系統，熱交換器包括殼體、冷空氣入口、熱空氣出口、陰極入口、陰極出口、隔離層和設置在殼體內腔并與殼體的上端面垂直設置的多個散熱片，冷空氣入口和熱空氣出口設置在殼體的一側，陰極入口和陰極出口設置在殼體的另一側，散熱片的截面呈波浪狀，相鄰兩個散熱片的波峰面相互抵靠，隔離層嵌在多個散熱片上并把殼體內腔分成上腔室和下腔室，熱空氣出口和陰極出口分別與上腔室的位置對應，冷空氣入口和陰極入口分別與下腔室的位置對應，冷空氣入口和熱空氣出口與殼體之間設置有腔體，腔體的底部安裝有進排水口。熱交換器的結構簡單緊湊，波浪狀散熱片具有高導熱性能且能量損耗小。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種用于燃料電池加濕的熱交換器和使用該熱交換器的加濕系統。

背景技術

燃料電池是一種將化學能直接轉化成電能的裝置，由于效率高、噪聲小、啟動溫度低、零污染等優點，被廣泛應用于固定式發電、交通運輸以及便攜式電源等領域。燃料電池的核心部件是膜電極，膜電極一般由聚合物膜、催化劑層和氣體擴散層組成，其中，聚合物膜的主要作用是傳導質子、隔絕反應氣體，由于質子的傳導一般是以水合質子的形式進行，所以在燃料電池運行過程中，保持聚合物膜的濕度顯得十分重要。一方面，如果聚合物膜的濕度不夠，將會降低質子的傳導率，從而影響燃料電池的性能，嚴重時還會引起膜脫水，造成膜收縮、穿孔，降低膜的使用壽命。另一方面，如果聚合物膜的濕度較大，將會引發膜電極水淹，阻礙反應氣體的傳輸，從而降低燃料電池的性能。因此，保持聚合物膜的合適濕度對于提高燃料電池的性能和壽命是十分重要的。

目前，一般采用對陰極空氣進行加濕的方法來保持膜的濕度，加濕方法分為內加濕和外加濕。內加濕，就是在電堆內部增加加濕段對反應氣體進行增濕，它依靠膜的阻氣特性與水在膜內的濃度擴散來實現。外加濕，就是在電堆外引入一個能夠產生液態水或水蒸氣的元件，使水與反應氣體一起進入電堆。外加濕可分為增溫加濕、液態水噴射加濕和蒸汽注射加濕。增溫加濕是通過在一定的溫度下將水轉化成水蒸氣，與反應氣體一起進入電堆，優點是結構簡單，操作方便，缺點是耗能較大，且加濕過程的動態響應慢。液態水噴射加濕是直接將液態水噴入氣體流道中，水噴入后形成霧狀，在遇到電堆產生的熱量時，水霧就會迅速蒸發，同時還能冷卻電堆，結構簡單，加濕效率高，缺點是難以形成穩定密集的水霧，且動態響應較慢。蒸汽注射加濕是通過附加在導流通道上的多孔基板向反應氣體中連續注入水蒸氣進行加濕，優點是加濕的連續性，缺點是結構復雜，制備難度加大。

現有加濕技術大多集中在利用膜加濕器進行加濕，它的原理是在膜的一側通入濕熱氣體(一般是電堆排放的尾氣)，另一側通入需要干燥的反應氣體，利用膜兩側的濕度梯度為驅動力產生水分交換來實現對反應氣體的加濕。這種技術的優點是設備安裝簡單，加濕效率高，缺點是加濕量不能任意調節，成本高，特別是在快速啟動和大功率運行時，由于廢氣中的熱量和水分供應不足，容易造成加濕無效。

授權公告號為CN201146217Y的一種氫燃料電池全自動加濕和水管理系統，采用在超聲波霧化箱中安裝集成化超聲波霧化器來對電堆進行加濕，并通過電堆、冷凝器、冷卻風機、水位傳感器、溫濕度傳感器、控制組件、水箱、循環水泵等組成的回路來實現電池的全自動加濕，優點是能耗小、體積小且使用壽命長，但是存在以下缺點：1、沒有考慮霧化器的起霧高度，一般為5至9厘米，所以加濕效率有限；2、該技術是采用空氣鼓入泵將水霧與空氣一起吸入電堆，這就要求泵具有防水功能，增加泵的技術成本投入；3、加濕回路比較復雜；4.沒有有效的熱管理，為了得到冷凝水，尾氣的熱量全被浪費掉，沒有熱回收，且電堆入口端冷空氣沒有得到有效加熱，影響燃料電池發電效率；5、沒有考慮在零度下霧化器結冰的問題。

發明內容

本發明的第一目的是提供一種結構簡單緊湊、高導熱性能、制造成本底、能量損耗小且用于燃料電池加濕的熱交換器。

本發明的第二目的是提供一種使用上述熱交換器的加濕系統。