一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，包括叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，换热流场板包括AA型换热流场板、BB型换热流场板和AB型换热流场板，胶线分为A型胶线和B型胶线，以A型胶线，AB型换热流场板，B型胶线，导热板为一组；A型胶线，AA型换热流场板，A型胶线，导热板为一组；以B型胶线，BB型换热流场板，B型胶线，导热板为一组，若干组经压力固定叠装。有益效果是：减小零部件数量、重量、体积和传热介质用量；使传热面积比常规换热器提升3倍，可根据需要调节并减小阻力，以调节空气侧阻力为例，可以降低空压机功耗损失，并提升燃料电池发动机系统效率。
【专利说明】一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池阴阳极预处理换热管理。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池阴极侧随着操作压力的提升，在气体输送压缩时，气体温度大幅升高，甚至达到100°c以上，因此在低温质子交换膜燃料电池中需对空气进行预冷，配有中冷器；而阳极侧氢气从氢储罐减压输送至质子交换膜燃料电池，温度低，甚至在管路上会结霜，大部分设计会对氢气进行预热，安装预热器；最终使燃料电池电堆输入流体特性基本一致，以提升低温质子交换膜燃料电池的寿命。现有技术中有将中冷器和预热器结合的技术，申请号:CN201310409783.4的专利技术“一种燃料电池发动机系统”公开了三股流换热器。该技术的不足是换热器换热效率是固定的，不能根据需要调节换热流体换热量和阻力。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种燃料电池阴阳极预处理换热模块，可根据换热量需要和阻力要求组成换热模块，通过换热流场板的特殊结构，节省换热流场板片数，从而降低部件成本、重量、体积。
[0004]本实用新型的技术方案是:一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，包括叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，其特征在于:所述上下端板内侧是平板，其中上端板的两端部位各开有三个透孔，分别是A流体进口、A流体出口、B流体进口、B流体出口、C流体进口和C流体出口，其中A流体和B流体为需换热流体，C流体为换热介质；所述换热流场板的外形和大小与端板相同，换热流场板由两张流场板四周密封连接组成，流场板的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔，流场板中部设有流场流道，换热流场板的两张流场板之间是C流体流道，所述换热流场板包括AB型换热流场板、AA型换热流场板和BB型换热流场板，所述AB型换热流场板正面的A流体进口和A流体出口与流场流道之间设有连通流道，B流体进口、B流体出口、C流体进口和C流体出口与流场流道之间不设连通流道，背面的B流体进口和B流体出口与流场流道之间设有连通流道，A流体进口、A流体出口、C流体进口和C流体出口与流场流道之间不设连通流道，C流体进口和C流体出口与两张流场板中间的C流体流道连通，即AB型换热流场板正面为A流体的流通通道，背面为B流体的流通通道；所述AA型换热流场板正面和背面的A流体进口和A流体出口与流场流道之间设有连通流道，B流体进口、B流体出口、C流体进口和C流体出口与流场流道之间不设连通流道，C流体进口和C流体出口与两张流场板中间的C流体流道连通，即AA型换热流场板正面和背面都是A流体的流通通道；所述BB型换热流场板正面和背面的B流体进口、B流体出口与流场流道之间设有连通流道，A流体进口和A流体出口、C流体进口和C流体出口与流场流道之间不设连通流道，C流体进口和C流体出口与两张流场板中间的C流体流道连通，即BB型换热流场板正面和背面都是B流体的流通通道；所述胶线由四周密封线和透孔密封线组成，四周密封线是设置在换热流场板边缘将透孔、连通流道和流场流道密封的线，所述透孔密封线是设置在换热流场板两端透孔周边密封透孔的线，根据透孔密封线对不同透孔的密封，胶线分为A型胶线和B型胶线，所述A型胶线的透孔密封线将B流体进口、B流体出口、C流体进口和C流体出口与流场板流场流道之间密封，B型胶线的透孔密封线将A流体进口、A流体出口、C流体进口和C流体出口与流场板流场流道之间密封；所述导热板是外形和大小与端板相同的导热薄板，导热板的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔；所述叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，以A型胶线，AB型换热流场板，B型胶线，导热板为序组成AB型组，以A型胶线，AA型换热流场板，A型胶线，导热板为序组成AA型组，B型胶线，BB型换热流场板，B型胶线，导热板为序组成BB型组，若干组AB型组、AA型组和BB型组交互叠装后压力固定。
[0005]本实用新型所述一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，其特征在于:所述导热板是导热金属薄板。
[0006]本实用新型所述一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，其特征在于:所述导热金属薄板是铜板或铝板。
[0007]本实用新型所述的燃料电池用阴阳极预处理换热模块的使用方法，是依据A流体和B流体中换热量大的那种流体与C流体逆向流动连接，A流体与B流体逆向流动。
[0008]阻力平衡方法包括以下步骤:先以AB型组按换热需求确定AB型换热流场板片数，然后进行判断:
[0009]1、如A、B流体阻力均满足要求，完成阻力平衡，确定的AB型换热流场板(3)片数为阻力平衡片数；
[0010]I1、如A、B流体阻力均不满足要求，增加AB型组的组数，直至A流体或B流体有一方阻力满足要求，继续进行判断:
[0011]I)如A流体阻力不满足要求，增加AA型组的组数，直至A流体阻力满足要求；
[0012]2)如B流体阻力不满足要求，增加BB型组的组数，直至B流体阻力满足要求；
[0013]II1、如A、B流体仅有一方阻力不满足要求，
[0014]I)如A流体阻力不满足要求，增加AA型组的组数，直至A流体阻力满足要求；
[0015]2)如B流体阻力不满足要求，增加BB型组的组数，直至B流体阻力满足要求。
[0016]IV、将满足换热需求和阻力需求的AB型换热流场板、AA型换热流场板和BB型换热流场板均匀交互分布布置。避免流体温度分布不均，即可满足换热需求又可满足阻力需求。
[0017]本实用新型的有益效果是:
[0018]1、本实用新型将中冷器与预热器有机结合，减小零部件数量，有效减小燃料电池发动机系统重量、体积，减小传热介质冷却剂的用量；
[0019]2、本实用新型的换热模块中的换热流场板带夹层，加上导热板使传热面积相比常规换热器提升3倍，常规换热器的换热面积为金属换热板总片数X单张面积，本实用新型的换热模块的换热器面积为金属换热板总片数X3X单张面积(带夹层的板面积X2+金属平板)，而体积比常规换热器减小18%，质量比常规换热器低。
[0020]3、本实用新型的换热模块中的换热流场板，AB型换热流场板和AA型换热流场板或AB型换热流场板和BB型换热流场板，可根据需要组合并减小阻力，节省了换热流场板片数，从而降低了部件成本、重量、体积。以调节空气侧阻力为例，可以降低空压机功耗损失，并提升燃料电池发动机系统效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1阴阳极预处理换热模块结构示意图
[0022]图2是端板结构示意图
[0023]图3是A型胶线示意图
[0024]图4是AB型换热流场板正面A面示意图
[0025]图5是AB型换热流场板反面B面示意图
[0026]图6是AB型换热流场板端部局部示意图
[0027]图7是B型胶线示意图
[0028]图8是导热板示意图
[0029]图9是AA型换热流场板正面示意图
[0030]图10是AA型换热流场板反面示意图
[0031]图11是BB型换热流场板正面示意图
[0032]图12是BB型换热流场板正面示意图
[0033]图中，1、上端板；2、A型胶线；3、AB型换热流场板；4、B型胶线；5、导热板；6、AA型换热流场板；7、下端板；8、A流体进口 ；9、C流体出口 ；10、B流体出口 ；11、B流体进口 ；12、C流体进口 ； 13、A流体出口。
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
[0035]燃料电池用阴阳极预处理换热模块包括叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，上下端板内侧是平板，其中上端板I的两端部位各开有三个透孔，分别是A流体进口 8、A流体出口 13、B流体进口 11、B流体出口 10、C流体进口 12和C流体出口 9，其中A流体和B流体为需换热流体，C流体为换热介质；换热流场板的外形和大小与端板相同，换热流场板由两张流场板四周密封连接组成，流场板的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔，流场板中部设有流场流道，换热流场板的两张流场板之间是C流体流道；换热流场板包括AB型换热流场板3、AA型换热流场板6和BB型换热流场板，AB型换热流场板3正面的A流体进口 8和A流体出口 13与流场流道之间设有连通流道，B流体进口 11、B流体出口 10、C流体进口 12和C流体出口 9与流场流道之间不设连通流道，背面的B流体进口 11和B流体出口 10与流场流道之间设有连通流道，A流体进口 8、A流体出口 13、C流体进口 12和C流体出口 9与流场流道之间不设连通流道，C流体进口 12和C流体出口 9与两张流场板中间的C流体流道连通，即AB型换热流场板3正面为A流体的流通通道，背面为B流体的流通通道；所述AA型换热流场板6正面和背面的A流体进口 8和A流体出口 13与流场流道之间设有连通流道，B流体进口 11、B流体出口 10、C流体进口 12和C流体出口 9与流场流道之间不设连通流道，C流体进口 12和C流体出口 9与两张流场板中间的C流体流道连通，即AA型换热流场板6正面和背面都是A流体的流通通道；所述BB型换热流场板正面和背面的B流体进口 11、B流体出口 10与流场流道之间设有连通流道，A流体进口 8和A流体出口 13、C流体进口 12和C流体出口 9与流场流道之间不设连通流道，C流体进口 12和C流体出口 9与两张流场板中间的C流体流道连通，即BB型换热流场板正面和背面都是B流体的流通通道；胶线由四周密封线和透孔密封线组成，四周密封线是设置在换热流场板边缘将透孔、连通流道和流场流道密封的线，所述透孔密封线是设置在换热流场板两端透孔周边密封透孔的线，根据透孔密封线对不同透孔的密封，胶线分为A型胶线2和B型胶线4，A型胶线2的透孔密封线将B流体进口 11、B流体出口 10、C流体进口 12和C流体出口 9与流场板流场流道之间密封，B型胶线的透孔密封线将A流体进口 8、A流体出口 13、C流体进口 12和C流体出口 9与流场板流场流道之间密封；导热板5是外形和大小与端板相同的导热薄板，导热板5的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔，导热板5是铜板或铝板；叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，以A型胶线2，AB型换热流场板3，B型胶线4，导热板5为序组成AB型组，以A型胶线2，AA型换热流场板6，A型胶线2为序组成AA型组，以B型胶线4，BB型换热流场板，B型胶线4为序组成BB型组，若干组AB型组、AA型组和BB型组交互叠装后压力固定。
[0036]使用方法是依据A流体和B流体中换热量大的那种流体与C流体逆向流动连接，A流体与B流体逆向流动。
[0037]换热模块的换热和阻力平衡方法包括以下步骤:先以AB型组按换热需求确定AB型换热流场板(3)片数，然后进行判断:
[0038]1、如A、B流体阻力均满足要求，完成阻力平衡，确定的AB型换热流场板3片数为阻力平衡片数；
[0039]I1、如A、B流体阻力均不满足要求，增加AB型组的组数，直至A流体或B流体有一方阻力满足要求，继续进行判断:
[0040]I)如A流体阻力不满足要求，增加AA型组的组数，直至A流体阻力满足要求；
[0041]2)如B流体阻力不满足要求，增加BB型组的组数，直至B流体阻力满足要求；
[0042]II1、如A、B流体仅有一方阻力不满足要求，
[0043]I)如A流体阻力不满足要求，增加AA型组的组数，直至A流体阻力满足要求；
[0044]2)如B流体阻力不满足要求，增加BB型组的组数，直至B流体阻力满足要求。
[0045]IV、将满足换热需求和阻力需求的AB型换热流场板3、AA型换热流场板6和BB型换热流场板均匀交互分布布置。
[0046]以80kW净输出燃料电池系统为例，空气需从140°C预冷至80°C，氢气需从_10°C预热至50°C，空气需预冷量为8.43kW，氢气需预热量为1.5266kW，空气阻力降要求彡1kPa,氢气阻力降要求< 50kPa。
[0047]设定空气为A流体，氢气为B流体，冷却液为C流体，空气与氢气和冷却液逆向流动，按换热需求进行计算需要100节AB型换热流场板，但空气阻力不能满足< 1kPa的要求，增加AA换热金属板67节达到换热及阻力要求，共计167节。如果采用预冷器和预热器的结构，预冷器需234节换热金属板，预热器需11节换热金属板。
【权利要求】
1.一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，包括叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，其特征在于:所述上下端板内侧是平板，其中上端板(I)的两端部位各开有三个透孔，分别是A流体进口(8)、A流体出口(13)、B流体进口(11)、B流体出口(10)、C流体进口(12)和C流体出口(9)，其中A流体和B流体为需换热流体，C流体为换热介质；所述换热流场板的外形和大小与端板相同，换热流场板由两张流场板四周密封连接组成，流场板的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔，流场板中部设有流场流道，换热流场板的两张流场板之间是C流体流道，所述换热流场板包括AB型换热流场板(3)、AA型换热流场板(6)和BB型换热流场板，所述AB型换热流场板(3)正面的A流体进口(8)和A流体出口(13)与流场流道之间设有连通流道，B流体进口(11)、B流体出口(10)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场流道之间不设连通流道，背面的B流体进口(11)和B流体出口(10)与流场流道之间设有连通流道，A流体进口(8)、A流体出口(13)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场流道之间不设连通流道，C流体进口(12)和C流体出口(9)与两张流场板中间的C流体流道连通，即AB型换热流场板(3)正面为A流体的流通通道，背面为B流体的流通通道；所述AA型换热流场板(6)正面和背面的A流体进口(8)和A流体出口(13)与流场流道之间设有连通流道，B流体进口(11)、B流体出口(10)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场流道之间不设连通流道，C流体进口(12)和C流体出口(9)与两张流场板中间的C流体流道连通，即AA型换热流场板(6)正面和背面都是A流体的流通通道；所述BB型换热流场板正面和背面的B流体进口(11)、B流体出口(10)与流场流道之间设有连通流道，A流体进口(8)和A流体出口(13)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场流道之间不设连通流道，C流体进口(12)和C流体出口(9)与两张流场板中间的C流体流道连通，即BB型换热流场板正面和背面都是B流体的流通通道；所述胶线由四周密封线和透孔密封线组成，四周密封线是设置在换热流场板边缘将透孔、连通流道和流场流道密封的线，所述透孔密封线是设置在换热流场板两端透孔周边密封透孔的线，根据透孔密封线对不同透孔的密封，胶线分为A型胶线(2)和B型胶线(4)，所述A型胶线⑵的透孔密封线将B流体进口(11)、B流体出口(10)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场板流场流道之间密封，B型胶线的透孔密封线将A流体进口(8)、A流体出口(13)、C流体进口(12)和C流体出口(9)与流场板流场流道之间密封；所述导热板(5)是外形和大小与端板相同的导热薄板，导热板(5)的两端部与端板两端部三个透孔对应位置开有与端板两端部三个透孔相同的透孔；所述叠装在上下端板之间的胶线、换热流场板和导热板，以A型胶线(2)，AB型换热流场板(3)，B型胶线(4)，导热板(5)为序组成AB型组，以A型胶线(2) ,AA型换热流场板(6)，A型胶线(2)，导热板(5)为序组成AA型组，以B型胶线(4)，BB型换热流场板，B型胶线(4)，导热板(5)为序组成BB型组，若干组AB型组、AA型组和BB型组交互叠装后压力固定。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，其特征在于:所述导热板(5)是导热金属薄板。
3.根据权利要求2所述一种燃料电池用阴阳极预处理换热模块，其特征在于:所述导热金属薄板是铜板或铝板。
【文档编号】H01M8/04GK204088477SQ201420506004
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】王仁芳, 杜超, 沈鸿娟, 侯中军, 李晓楠, 胡景春 申请人:新源动力股份有限公司