一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，包括上下端板和疊裝于上下端板之間的空氣流場板、增濕膜板、冷卻水流場板、換熱板和膠線，疊裝順序包括增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序及增濕不換熱順序，按需要均勻分布間隔著疊裝。有益效果是：將中冷器與增濕器有機結(jié)合，減小零部件數(shù)量，減小燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)重量、體積；換濕換熱各為獨立過程，可按要求指標設計疊裝，精確控制換濕換熱；空氣阻力降低。
【專利說明】一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及燃料電池陰極濕熱交換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極側(cè)隨著操作壓力的提升，在氣體輸送壓縮時，氣體溫度會大幅升高，甚至達到100°C以上，因此在低溫質(zhì)子交換膜燃料電池中需對空氣進行預冷，通常配有中冷器；同時根據(jù)增濕需求，還配有一個增濕器。現(xiàn)有技術(shù)中，有將中冷器和增濕器結(jié)合為熱濕交換器的介紹。熱濕交換器，通過增濕膜、多孔雙極板、堇青石等介質(zhì)，將換熱和換濕功能有機結(jié)合，完成熱濕交換。其不足是:增濕和換熱同時進行，增濕能力與換熱能力為固有比例，不可調(diào)節(jié)，不能滿足增濕和換熱不為固有比例需求的系統(tǒng)。
[0003]本發(fā)明給出一種熱濕交換模塊的結(jié)構(gòu)，即可以實現(xiàn)低增濕、又可以實現(xiàn)中冷降溫，并可以根據(jù)低增濕及中冷降溫需求進行匹配設計調(diào)節(jié)。與其他專利不同之處在于，增濕濕度和中冷降溫溫度都可恰到好處的達到，換熱換濕不存在比例關(guān)系。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種將陰極中冷器和換濕器相結(jié)合的換濕換熱裝置，可以實現(xiàn)低增濕、又可以實現(xiàn)中冷降溫，并可以根據(jù)低增濕及中冷降溫需求進行匹配設計調(diào)節(jié)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，包括上下端板和疊裝于上下端板之間的空氣流場板、增濕膜板、冷卻水流場板、換熱板和膠線，其特征在于:所述上端板和下端板內(nèi)面開有與空氣流場板相同的流場流道，上端板和下端板的四個角的8個位置上可選擇性的開有4個透孔，所述可選擇性的開有的4個透孔包括:在上端板的四個角的位置上開4個透孔，下端板的四個角上不開透孔，或者在下端板的四個角的位置上開4個透孔，上端板的四個角上不開透孔，或者在上端板四個角上的2個角上開有2個透孔，在下端板的與上端板不開透孔的2個角對應的2個角上開2個透孔，或者在上端板的一個角上開有透孔，在下端板的與上端板不開透孔的3個角對應的3個角上開3個透孔，或者在上端板的3個角上開有透孔，在下端板的與上端板不開透孔的I個角對應的I個角上開I個透孔，即四個角位置上每個角上有I個通孔，不論通孔開在上端板上還是在下端板上，其中一對對角的透孔與內(nèi)面的流場流道之間開有與流場流道連通的分配流道，設有分配流道的一對透孔分別是空氣進口和空氣出口，另一對透孔是水進口和水出口，上端板和下端板流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；所述空氣流場板和冷卻水流場板是與端板形狀和大小相同的板，空氣流場板和冷卻水流場板的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔，空氣流場板和冷卻水流場板的中間部分設有流體流動的流場流道，流場流道與一對角上的透孔之間設有分配流道，分配流道與流場流道連通，空氣流場板和冷卻水流場板流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；所述增濕膜板是與端板形狀和大小相同的板，增濕膜板的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔，增濕膜板與空氣流場板和冷卻水流場板中間流場流道相對應的部分是增濕膜；所述膠線包括空氣膠線和水膠線，其中空氣膠線與端板內(nèi)面膠線槽對應或與空氣流場板上的膠線槽對應，水膠線與冷卻水流場板上的膠線槽對應；所述換熱板是導熱材料的平板，換熱板與端板形狀和大小相同，換熱板的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔；所述空氣流場板、增濕膜板、冷卻水流場板、換熱板和膠線疊裝順序包括增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序，所述增濕換熱共有順序按照空氣膠線、增濕膜板、水膠線、冷卻水流場板、水膠線、換熱板、空氣膠線、空氣流場板的順序依次疊裝，所述換熱不增濕順序按照空氣膠線、換熱板、水膠線、冷卻水流場板、水膠線、換熱板、空氣膠線、空氣流場板的順序依次疊裝，所述增濕不換熱順序按照空氣膠線、增濕膜板、水膠線、冷卻水流場板、水膠線、增濕膜板、空氣膠線、空氣流場板的順序依次疊裝，將增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序按需要間隔著在上端板和下端板之間疊裝若干次，下端板作為一張空氣流場板進行疊裝，通過固定裝置壓緊固定，上端板、下端板、空氣流場板、增濕膜板、冷卻水流場板和換熱板之間通過空氣膠線和水膠線密封。
[0006]本發(fā)明所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述增濕膜是親水不透氣薄膜。
[0007]本發(fā)明所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述增濕膜為Naf1n 膜，PDMS/PP 膜或 SPEEK/PP 膜。
[0008]本發(fā)明所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述換熱板為銅板或鋁板。
[0009]本發(fā)明所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述空氣流場板和冷卻水流場板流場流道為鏤空流道。
[0010]本發(fā)明所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊的增濕和換熱的匹配方法，其特征在于:所述增濕和換熱的匹配方法為:按增濕需求確定增濕面積及增濕膜板數(shù)N1，按換熱需求確定換熱面積及換熱板數(shù)N2 ；
[0011]I)當N1 = N2時，在上端板和下端板之間疊裝增濕換熱共有順序N1次；
[0012]2)當N1 > N2時，在上端板和下端板之間疊裝增濕換熱共有順序N2次，增濕不換熱順序(N1-N2) /2 次；
[0013]3)當N1 < N2時，在上端板和下端板之間疊裝增濕換熱共有順序N1次，換熱不增濕順序(N2-N1)/2 次。
[0014]本發(fā)明的工作過程是:空氣由端板的空氣進口進入后，經(jīng)過空氣流場板的分配，流入空氣流場的鏤空流道部分，與增濕膜板、換熱板接觸，水由端板的水進口進入后，經(jīng)過冷卻水流場板的分配，流入冷卻水流場板的本發(fā)明鏤空流道部分，與增濕模板、換熱板接觸。水和空氣分別在換熱板的兩側(cè)，經(jīng)換熱板進行熱交換；水和空氣分別在增濕模板的兩側(cè)，經(jīng)增濕模板進行增濕。根據(jù)設計需要，在模塊中設置不同數(shù)量的增濕換熱共有順序和換熱不增濕順序和增濕不換熱順序，即可滿足設計需要。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]1、本發(fā)明將中冷器與增濕器有機結(jié)合，減小零部件數(shù)量，有效減小燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)重量、體積，相比中冷器與增濕器總質(zhì)量、體積，約減小10% ；
[0017]2、本發(fā)明換濕換熱為基本獨立過程，兩者都可按照指標同時達到，可精確控制換濕換熱。
[0018]3、本發(fā)明換濕換熱組合，同時進行，不需要空氣經(jīng)中冷器再經(jīng)過增濕器，阻力相比之前有所降低，約降低15%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是陰極用濕熱交換模塊結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]圖2是圖1的俯視角度示意圖
[0021]圖3是端板外面示意圖
[0022]圖4是端板內(nèi)面示意圖
[0023]圖5是膠線示意圖
[0024]圖6是增濕膜板示意圖
[0025]圖7是空氣流場板和冷卻水流場板示意圖
[0026]圖8是換熱板示意圖
[0027]圖中，1、上端板；2、空氣膠線；3、增濕膜板；4、水膠線；5、冷卻水流場板；6、換熱板；7、空氣流場板；8、下板；9空氣入口，10冷卻水入口，11空氣出口 ；12冷卻水出口。
【具體實施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0029]燃料電池陰極用濕熱交換模塊包括上下端板和疊裝于上下端板之間的空氣流場板7、增濕膜板3、冷卻水流場板5、換熱板6和膠線，上端板I和下端板8內(nèi)面開有與空氣流場板相同的流場流道，上端板I的四個角的位置上開有4個透孔，其中一對對角的透孔與內(nèi)面的流場流道之間開有與流場流道連通的分配流道，設有分配流道的一對透孔分別是空氣進口 9和空氣出口 11，另一對透孔是水進口 10和水出口 12，上端板I和下端板8流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；空氣流場板7和冷卻水流場板5是與端板形狀和大小相同的板，空氣流場板7和冷卻水流場板5的四個角位置開有與上端板四個角位置的透孔相對應透孔，空氣流場板7和冷卻水流場板5的中間部分設有流體流動的流場流道，流場流道是鏤空流道，流場流道與一對角上的透孔之間設有分配流道，分配流道與流場流道連通，空氣流場板7和冷卻水流場板5流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；增濕膜板3是與端板形狀和大小相同的板，增濕膜板3的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔，增濕膜板3與空氣流場板7和冷卻水流場板5中間流場流道相對應的部分是增濕膜，增濕膜為Naf1n膜；膠線包括空氣膠線2和水膠線4，其中空氣膠線2與端板內(nèi)面膠線槽對應或與空氣流場板7上的膠線槽對應，水膠線4與冷卻水流場板5上的膠線槽對應；換熱板6是銅平板，換熱板6與端板形狀和大小相同，換熱板的四個角位置開有與上端板四個角位置的透孔相對應透孔；空氣流場板7、增濕膜板3、冷卻水流場板5、換熱板6和膠線疊裝順序包括增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序，所述增濕換熱共有順序按照空氣膠線2、增濕膜板3、水膠線4、冷卻水流場板5、水膠線4、換熱板6、空氣膠線2、空氣流場板7的順序依次疊裝，換熱不增濕順序按照空氣膠線2、換熱板6、水膠線4、冷卻水流場板5、水膠線4、換熱板6、空氣膠線2、空氣流場板7的順序依次疊裝，增濕不換熱順序按照空氣膠線2、增濕膜板3、水膠線4、冷卻水流場板5、水膠線4、增濕膜板3、空氣膠線2、空氣流場板7的順序依次疊裝，將增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序按需要間隔著在上端板I和下端板8之間疊裝若干次，下端板8作為一張空氣流場板進行疊裝，通過固定裝置壓緊固定，上端板1、下端板8、空氣流場板7、增濕膜板3、冷卻水流場板5和換熱板6之間通過空氣膠線2和水膠線4密封。
[0030]增濕和換熱的匹配方法為:按增濕需求確定增濕面積及增濕膜板數(shù)N1，按換熱需求確定換熱面積及換熱板數(shù)N2 ；
[0031]I)當N1 = N2時，在上端板I和下端板8之間疊裝增濕換熱共有順序N1次；
[0032]2)當N1 > N2時，在上端板I和下端板8之間疊裝增濕換熱共有順序N2次，增濕不換熱順序(N1-N2) /2次；
[0033]3)當N1 < N2時，在上端板I和下端板8之間疊裝增濕換熱共有順序N1次，換熱不增濕順序(N2-N1)/2次。
[0034]實施例1.
[0035]以40kW凈輸出燃料電池系統(tǒng)為例，空氣需從140°C預冷至80°C，空氣需增濕40%，根據(jù)需求計算，增濕膜板10片，預冷需要換熱板40片，因此取增濕換熱共有順序10次，換熱不增濕順序(40-10)/2 = 15次進行疊裝，上端板上開有四個通孔，下端板未開孔。組裝完成后，經(jīng)測試達到空氣預冷及增濕要求，相比中冷器與增濕器總質(zhì)量、體積約減小10%，阻力相比之前約降低15%。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，包括上下端板和疊裝于上下端板之間的空氣流場板(7)、增濕膜板(3)、冷卻水流場板(5)、換熱板(6)和膠線，其特征在于:所述上端板(I)和下端板(8)內(nèi)面開有與空氣流場板相同的流場流道，上端板(I)和下端板(8)的四個角的8個位置上可選擇性的開有4個透孔，所述可選擇性的開有的4個透孔包括:在上端板(I)的四個角的位置上開4個透孔，下端板(8)的四個角上不開透孔，或者在下端板(8)的四個角的位置上開4個透孔，上端板(I)的四個角上不開透孔，或者在上端板(I)四個角上的2個角上開有2個透孔，在下端板(8)的與上端板(I)不開透孔的2個角對應的2個角上開2個透孔，或者在上端板(I)的一個角上開有透孔，在下端板(8)的與上端板(I)不開透孔的3個角對應的3個角上開3個透孔，或者在上端板(I)的3個角上開有透孔，在下端板(8)的與上端板(I)不開透孔的I個角對應的I個角上開I個透孔，即四個角位置上每個角上有I個通孔，不論通孔開在上端板(I)上還是在下端板(8)上，其中一對對角的透孔與內(nèi)面的流場流道之間開有與流場流道連通的分配流道，設有分配流道的一對透孔分別是空氣進口(9)和空氣出口(11)，另一對透孔是水進口(10)和水出口(12)，上端板(I)和下端板(8)流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；所述空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)是與端板形狀和大小相同的板，空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔，空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)的中間部分設有流體流動的流場流道，流場流道與一對角上的透孔之間設有分配流道，分配流道與流場流道連通，空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)流場流道邊緣設有膠線槽，一對不設分配流道的對角的透孔的周邊上設有膠線槽；所述增濕膜板(3)是與端板形狀和大小相同的板，增濕膜板(3)的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔，增濕膜板(3)與空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)中間流場流道相對應的部分是增濕膜；所述膠線包括空氣膠線⑵和水膠線(4)，其中空氣膠線(2)與端板內(nèi)面膠線槽對應或與空氣流場板(7)上的膠線槽對應，水膠線(4)與冷卻水流場板(5)上的膠線槽對應；所述換熱板(6)是導熱材料的平板，換熱板(6)與端板形狀和大小相同，換熱板的四個角位置開有與上端板和下端板四個角位置的透孔相對應透孔；所述空氣流場板(7)、增濕膜板(3)、冷卻水流場板(5)、換熱板(6)和膠線疊裝順序包括增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序，所述增濕換熱共有順序按照空氣膠線(2)、增濕膜板(3)、水膠線(4)、冷卻水流場板(5)、水膠線(4)、換熱板(6)、空氣膠線(2)、空氣流場板(7)的順序依次疊裝，所述換熱不增濕順序按照空氣膠線(2)、換熱板(6)、水膠線⑷、冷卻水流場板(5)、水膠線(4)、換熱板(6)、空氣膠線(2)、空氣流場板(7)的順序依次疊裝，所述增濕不換熱順序按照空氣膠線(2)、增濕膜板(3)、水膠線(4)、冷卻水流場板(5)、水膠線(4)、增濕膜板(3)、空氣膠線(2)、空氣流場板(7)的順序依次疊裝，將增濕換熱共有順序、換熱不增濕順序和增濕不換熱順序按需要間隔著在上端板(I)和下端板(8)之間疊裝若干次，下端板(8)作為一張空氣流場板(7)進行疊裝，通過固定裝置壓緊固定，上端板(I)、下端板(8)、空氣流場板(7)、增濕膜板(3)、冷卻水流場板(5)和換熱板(6)之間通過空氣膠線⑵和水膠線⑷密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述增濕膜是親水不透氣薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述增濕膜為 Naf1n 膜，PDMS/PP 膜或 SPEEK/PP 膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述換熱板(6)為銅板或招板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊，其特征在于:所述空氣流場板(7)和冷卻水流場板(5)流場流道為鏤空流道。
6.權(quán)利要求1所述一種燃料電池陰極用濕熱交換模塊的增濕和換熱的匹配方法，其特征在于:所述增濕和換熱的匹配方法為:按增濕需求確定增濕面積及增濕膜板數(shù)N1，按換熱需求確定換熱面積及換熱板數(shù)N2 ； 1)當N1= N2時，在上端板⑴和下端板⑶之間疊裝增濕換熱共有順序N1次； 2)當N1> N2時，在上端板⑴和下端板⑶之間疊裝增濕換熱共有順序N2次，增濕不換熱順序(N1-N2) /2次； 3)當N1< N2時，在上端板⑴和下端板⑶之間疊裝增濕換熱共有順序N1次，換熱不增濕順序(N2-N1)/2次。
【文檔編號】H01M8/04GK104201405SQ201410446483
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】王仁芳, 杜超, 沈鴻娟, 侯中軍, 李曉楠, 胡景春 申請人:新源動力股份有限公司