[发明专利]一种换热装置、燃料电池系统及其温控方法

说明书

本发明公开了一种换热装置、燃料电池系统及其温控方法，属于燃料电池领域。该燃料电池系统包括电堆及换热装置，换热装置包括冷流管路和热流管路，冷流管路中部套在热流管路内，且冷流管路内的冷流体的流动方向与热流管路内的热流体的流动方向相反。电堆内出来的高温冷却液进入热流管路，最终流回到电堆，电堆出来的气态混合物与新鲜氢气形成氢气混合气进入冷流管路，使得高温冷却液与氢气混合气在该换热装置内充分地换热。使得入堆前的氢气混合气的温度接近燃料电池系统适宜温度，同时避免氢气混合气过量冷凝产生液态水进而进入电堆的风险。同时本发明能量利用率高，且整个换热装置结构简单，占用空间小，且没有换热部件引入，成本低。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种换热装置、燃料电池系统及其温控方法。

背景技术

燃料电池系统利用氢气与氧气反应，将化学能转换为电能的同时伴随着热量产生。为了避免因产生的反应热带来的电堆温度异常，通常利用循环的冷却液将热量带走。燃料电池系统正常工作时，出堆的冷却液温度较高约70-90度，主要通过散热器、风扇等将热量传递到环境中来降温，重新循环供给燃料电池系统。若出堆高温冷却液的热量不加以回收利用，会导致能量浪费。

为了提高氢气利用率，燃料电池阳极系统通常采用回流的方式，将出堆未消耗的氢气混合物（通常含有氢气、水蒸气、少量氮气等）与来自氢瓶的新鲜氢气混合后，重新供给给电堆反应。其中，出堆混合物中的液态水经过气液分离装置分离。出堆混合物温度较高，但由于管路壁面向环境对流换热，导致混合物中水蒸气发生冷凝，以液态水方式析出。为了避免液态水进入电堆堵塞气体反应通道，需要对氢回流管路保温或者加热。

现有的燃料电池系统，对系统集成化等要求较高，采用换热器进行加热，实施占用空间较大，成本高。另外，减少管路占用空间上仍有需求。

因此，为避免氢回流管路壁面散热导致的液态水析出、避免出堆高温冷却液热量的浪费及燃料电池系统占用空间优化，亟需提供一种换热装置及燃料电池系统，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热装置、燃料电池系统及其温控方法，可利用出堆高温冷却液热量提高氢回流管路温度，避免液态水冷凝析出且提高了燃料电池系统的能量利用率。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种换热装置，用于燃料电池系统，所述换热装置包括冷流管路和热流管路，所述冷流管路中部套在所述热流管路内，且所述冷流管路内的冷流体的流动方向与所述热流管路内的热流体的流动方向相反。

进一步地，所述冷流管路的外壁设置有多个换热翅片。

进一步地，所述换热翅片的两端设置为楔形的导流结构。

进一步地，所述热流管路包括与所述冷流管路平行的换热管段和与所述换热管段连通且呈一定角度的热流入口和热流出口，所述冷流管路套在所述换热管段内，所述换热管段的两端部与所述冷流管路之间密封连接。

进一步地，所述换热装置还包括密封堵头，所述密封堵头包括堵头本体和径向密封圈，所述堵头本体的外部设置有外螺纹，所述堵头本体外部与所述换热管段通过螺纹密封连接，内部与所述冷流管路之间通过径向密封圈实现径向密封。

进一步地，所述冷流管路与所述热流管路的材质均为金属或者合金。

本发明还提供了一种燃料电池系统，包括以上任一项技术方案所述的换热装置。

进一步地，所述燃料电池系统还包括电堆，所述电堆包括第一进口、第二进口、第一出口和第二出口，第一进口为氢气回流口，所述冷流管路的进口连接入堆前的氢气混合气的供气源，所述冷流管路的出口连接所述第一进口，所述热流管路的进口连接所述第一出口，所述热流管路的出口连接所述第二进口。