热交换器和包括该热交换器的燃料电池与车辆.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201922314415.7 (22)申请日 2019.12.20 (73)专利权人 未势能源科技有限公司 地址 201804 上海市嘉定区嘉松北路6655 号12幢B区 (72)发明人 张庆华孙星岑徐佳马晓原 崔天宇马光磊 (74)专利代理机构 北京律和信知识产权代理事 务所(普通合伙) 11446 代理人 谢清萍郝文博 (51)Int.Cl. F28D 9/00(2006.01) F28F 3/04(2006.01) H01M 8/04029(2016.01) (54)实用新。

2、型名称 一种热交换器和包括该热交换器的燃料电 池与车辆 (57)摘要 本公开涉及一种燃料电池的热交换器和包 括该热交换器的燃料电池与车辆， 这种热交换器 包括： 热交换部， 内部设置有热交换流道， 用于冷 却液和氢气的热交换； 缓冲部， 内部设置有空腔， 连接于热交换部； 氢气入口， 连接于热交换部； 氢 气出口， 连接于缓冲部， 缓冲部设置于热交换部 与氢气出口之间的位置； 冷却液入口和冷却液出 口， 冷却液入口和冷却液出口均连接于热交换 部。 使用本实用新型提出的热交换器既可以将氢 气主管路的低温氢气加热， 防止与高温循环气体 混合时冷凝出水； 还可以缓冲氢喷阀进口端， 防 止因氢喷阀的开。

3、闭而造成氢喷阀前端压力不稳 定。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 211291131 U 2020.08.18 CN 211291131 U 1.一种燃料电池的热交换器， 其特征在于， 包括： 热交换部， 内部设置有热交换流道， 用于冷却液和氢气的热交换； 缓冲部， 内部设置有空腔， 连接于所述热交换部； 氢气入口， 连接于所述热交换部； 氢气出口， 连接于所述缓冲部， 所述缓冲部设置于所述热交换部与所述氢气出口之间 的位置； 冷却液入口和冷却液出口， 所述冷却液入口和所述冷却液出口均连接于所述热交换 部。 2.根据权利要求1所述的热交换器， 其特征在于， 所述热交换部包括多个热交。

4、换层板， 所述热交换流道设置在所述热交换层板上。 3.根据权利要求2所述的热交换器， 其特征在于， 所述热交换层板包括氢气热交换层板 和冷却液热交换层板， 所述氢气热交换层板和所述冷却液热交换层板交替设置。 4.根据权利要求1或2所述的热交换器， 其特征在于， 所述热交换流道呈 “V” 字形设置。 5.根据权利要求1或2所述的热交换器， 其特征在于， 所述热交换流道中所述氢气的流 通方向是由上至下， 所述热交换流道中所述冷却液的流通方向是由下至上。 6.根据权利要求2所述的热交换器， 其特征在于， 所述热交换流道是设置在所述热交换 层板上的沟槽。 7.根据权利要求1所述的热交换器， 其特征在于。

5、， 所述冷却液入口穿过所述缓冲部连接 于所述热交换部。 8.根据权利要求1或2所述的热交换器， 其特征在于， 所述缓冲部与所述热交换部的至 少一部分一体成型。 9.一种燃料电池， 包括如权利要求1-8中任一项所述的热交换器。 10.一种车辆， 包括如权利要求9所述的燃料电池。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211291131 U 2 一种热交换器和包括该热交换器的燃料电池与车辆 技术领域 0001 本公开涉及燃料电池领域， 具体涉及一种燃料电池的热交换器和包括该热交换器 的燃料电池与车辆。 背景技术 0002 燃料电池系统氢气模块包含高压(储氢)部分和低压部分， 高压部分主要是将储氢 瓶中。

6、高压氢气减压至低压状态， 低压部分包含电堆供氢主路(主要包含氢喷阀、 引射器等)、 气体循环回路(主要包含气体循环泵)以及氢气排放路(主要包含气液分离器、 排气阀)。 0003 图1示出了现有的燃料电池系统热交换器应用PID控制(proportional-integral- derivative control， 比例积分微分控制)的总体示意图。 如图1所示， 氢气从供氢装置A进 入氢气主管路I时， 氢气的温度仅在5左右； 而从电堆H的出口排出的循环气体在气体循环 管路K中的温度在70以上， 两组氢气在引射器D处交汇混合后再通过氢气主管路I进入电 堆H中进行发电。 若未经处理， 两组氢气混合后。

7、会冷凝产生液态水， 如果液态水过多并进入 电堆H， 会对电堆H产生损伤。 因此， 很多系统会在氢喷阀C或引射器D前面加有热交换器B或 者加热器装置， 将氢气主管路I中氢气升温至50至80左右。 热交换器B是利用电堆H冷却 系统出口端的高温冷却液进行热交换从而提高氢气主管路I的氢气温度， 这样能够合理地 利用高温冷却液的废热， 因此热交换器B在燃料电池中的应用是非常广泛的。 0004 热交换器B中同时连接冷却液循环管路J和氢气主管路I， 氢气通过氢气主管路I进 入热交换器B。 冷却液在完成对电堆H的冷却后， 通过冷却液泵G的作用进入冷却液循环管路 J， 此时的冷却液处于高温状态。 冷却液通过冷却。

8、液循环管路J进入热交换器B， 在热交换器B 内和氢气进行热交换。 加热完成后， 氢气进入氢气主管路I， 通过氢喷阀C喷射至引射器D与 循环气体混合， 混合后的气体再进入电堆H中反应发电。 0005 由于氢喷阀C处于快速调节的过程中， 氢气主管路I中的氢气流速并不是恒定的， 同样， 氢气主管路I中的氢气压强并不是恒定的， 是处于快速变化过程中的。 0006 发明人发现， 现有的燃料电池系统热交换器应用PID控制具有以下缺点： 1)氢喷阀 处于快速调节过程中， 氢喷阀前端的压强存在不稳定的现象； 2)外加稳定压强部件会造成 冗余， 不利于系统结构的精简。 0007 请注意， 以上背景技术部分的内容。

9、仅仅是公开人所知晓的技术， 并不当然代表本 领域的现有技术。 实用新型内容 0008 有鉴于现有技术缺陷中的至少一个， 本实用新型提供了一种燃料电池的热交换 器， 其包括： 热交换部， 内部设置有热交换流道， 用于冷却液和氢气的热交换； 缓冲部， 内部 设置有空腔， 连接于热交换部； 氢气入口， 连接于热交换部； 氢气出口， 连接于缓冲部， 缓冲 部设置于热交换部与氢气出口之间的位置； 冷却液入口和冷却液出口， 冷却液入口和冷却 液出口均连接于热交换部。 说明书 1/6 页 3 CN 211291131 U 3 0009 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的热交换部由热交换层板组合而成， 热。

10、交 换流道设置在热交换层板上。 0010 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的热交换层板分为氢气热交换层板和冷却 液热交换层板， 所述氢气热交换层板和所述冷却液热交换层板是交替设置的。 0011 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的热交换流道是呈 “V” 字形设置的。 0012 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的热交换流道中氢气的流通方向是由上至 下， 热交换流道中冷却液的流通方向是由下至上。 0013 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的热交换流道是设置在热交换层板上的沟 槽。 0014 根据本公开的一个方面， 这种热交换器的冷却液入口穿过缓冲部连接于热交换 部。 0015 根据本。

11、公开的一个方面， 这种热交换器的缓冲部与热交换部的至少一部分一体成 型。 0016 根据本公开的一个方面， 本实用新型还提供了一种燃料电池， 这种燃料电池包括 如上所述任一项的热交换器。 0017 根据本公开的一个方面， 本实用新型还提供了一种车辆， 这种车辆包括如上所述 的燃料电池。 0018 使用本实用新型提出的热交换器既可以将氢气主管路的低温氢气加热， 防止与高 温循环气体混合时冷凝出水； 还可以缓冲氢喷阀进口端， 防止因氢喷阀的开闭而造成氢喷 阀前端压力不稳定。 附图说明 0019 构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解， 本公开的示意性实 施例及其说明用于解释本公开， 。

12、并不构成对本公开的不当限定。 在附图中： 0020 图1示出了现有的燃料电池系统热交换器应用PID控制的总体示意图。 0021 图2示出了本实用新型的实施例的热交换器的前侧示意图。 0022 图3示出了本实用新型的实施例的热交换器的左侧示意图。 0023 图4示出了本实用新型的实施例的热交换器的热交换层板拆分示意图。 0024 图5示出了本实用新型的实施例的热交换器的上方观察剖面示意图。 0025 附图标记列表： 0026 A 供氢装置； 0027 B 热交换器； 0028 C 氢喷阀； 0029 D 引射器； 0030 E 气体循环泵； 0031 F 冷却液箱； 0032 G 冷却液泵； 0。

13、033 H 电堆； 0034 I 氢气主管路； 说明书 2/6 页 4 CN 211291131 U 4 0035 J 冷却液循环管路； 0036 K 气体循环管路； 0037 100热交换器； 0038 1011氢气入口； 1012氢气出口； 0039 1021冷却液入口； 1022冷却液出口； 0040 103热交换部； 1031热交换层板； 1031A氢气热交换层板； 1031B冷却液热交换层板； 1032热交换流道； 0041 104缓冲部； 具体实施方式 0042 在下文中， 仅简单地描述了某些示例性实施例。 正如本领域技术人员可认识到的 那样， 在不脱离本公开的精神或范围的情况下，。

14、 可通过各种不同方式修改所描述的实施例。 因此， 附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。 0043 在本公开的描述中， 需要理解的是， 术语中心、 纵向、 横向、 长度、 宽 度、 厚度、 上、 下、 前、 后、 左、 右、 坚直、 水平、 顶、 底、 内、 外、 顺时针、 逆时针等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了 便于描述本公开和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本公开的限制。 此外， 术语第一、 第二仅 用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征。

15、的数 量。 由此， 限定有第一、 第二的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特 征。 在本公开的描述中， 多个的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。 0044 在本公开的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语安装、 相 连、 连接应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接:可 以是机械连接， 也可以是电连接或可以相互通讯； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间 接相连， 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。 对于本领域的普通技术 人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。 0045 在。

16、本公开中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之上或之下 可以包括第一和第二特征直接接触， 也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它 们之间的另外的特征接触。 而且， 第一特征在第二特征之上、 上方和上面包括第一特 征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在 第二特征之下、 下方和下面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示 第一特征水平高度小于第二特征。 0046 下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。 为了 简化本公开的公开， 下文中对特定例子的部件和设置进行描述。 当然， 它们仅仅为示例， 并。

17、 且目的不在于限制本公开。 此外， 本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母， 这种重复是为了简化和清楚的目的， 其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的 关系。 此外， 本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子， 但是本领域普通技术人员可以 意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。 0047 以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明， 应当理解， 此处所描述的优选实 说明书 3/6 页 5 CN 211291131 U 5 施例仅用于说明和解释本公开， 并不用于限定本公开。 0048 实施例 0049 本公开的一个示例性实施例提供了一种热交换器， 低温氢气和高温冷却液在热交 。

18、换器的热交换部完成彼此热量的交换， 而后温度降低的冷却液通过冷却液出口流出至冷却 液循环管道， 温度升高的氢气进入热交换器的缓冲部暂留， 其后随着氢喷阀的开启流入氢 气主管道。 0050 根据本公开一个可选的技术方案， 热交换器为整体式。 具体结构如图2、 图3、 图4、 图5所示， 图2示出了本实用新型的实施例的热交换器的前侧示意图， 图3示出了本实用新型 的实施例的热交换器的左侧示意图， 图4示出了本实用新型的实施例的热交换器的热交换 层板拆分示意图， 图5示出了本实用新型的实施例的热交换器的上方观察剖面示意图。 0051 热交换器100包括氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入。

19、口1021、 冷却液出口 1022、 热交换部103、 缓冲部104。 0052 热交换部103是低温氢气和高温冷却液在热交换器100内完成热交换的区域， 如图 2和图4所示， 热交换部103是由多个热交换层板1031组合而成。 热交换层板1031可以分为氢 气热交换层板1031A和冷却液热交换层板1031B， 其中， 氢气热交换层板1031A和冷却液热交 换层板1031B是交替设置的， 也就是， 除了首尾两侧的氢气热交换层板1031A和冷却液热交 换层板1031B， 每一片氢气热交换层板1031A的两侧均为冷却液热交换层板1031B， 每一片冷 却液热交换层板1031B的两侧均为氢气热交换层。

20、板1031A。 0053 热交换层板1031的内部设置有热交换流道1032， 单个热交换层板1031内部的热交 换流道1032是完全贯通的， 能够保证氢气或者冷却液能够在热交换层板1031顺利流动。 多 个氢气热交换层板1031A内部的热交换流道1032是完全连通的， 保证氢气能够从氢气入口 1011顺利流至氢气出口1012； 多个冷却液热交换层板1031B内部的热交换流道1032亦是完 全连通的， 保证冷却液能够从冷却液入口1021顺利流至冷却液出口1022。 此外， 氢气热交换 层板1031A和冷却液热交换层板1031B是不连通的， 以保证氢气和冷却液在热交换器100内 不发生接触。 00。

21、54 如图4所示， 热交换层板1031内部的热交换流道1032呈 “V” 字形排布。 在本实施例 中， 热交换流道1032是位于热交换层板1031上的沟槽， 并通过热交换流道1032前侧的热交 换层板1031对热交换流道1032进行封盖， 以形成流道。 0055 但是， 热交换流道1032的设置并不限定于本实施例中的方式， 亦可采用实际的管 道， 管道的材质一般情况下为金属材料， 一般情况下选择不锈钢， 但是不限定于金属材质， 具有良好导热性能的材料均可选用。 由于氢气对于接触的材料具有一定的选择性， 316L不 锈钢在氢气的环境中拥有长时间的稳定性。 因此在本实施例中， 氢气热交换层板103。

22、1A的热 交换流道1032的材质为316L不锈钢， 但是实际使用中并不对其进行限定。 冷却液热交换层 板1031B的热交换流道1032的材质对离子析出率具有一定的要求， 而不锈钢可以满足该要 求， 因此热交换流道1032可选择使用不锈钢制成， 亦可选择其他满足离子析出率的条件且 具有良好导热性能的材料。 0056 在本实施例中， 热交换层板1031的形状为圆角长方体， 但是热交换层板1031的形 状并不局限于圆角长方体， 亦可采用其他形状， 能够实现热交换的功能即可。 0057 热交换层板1031一般由硬质材料制成， 且一般情况下选择导热性能良好的金属材 说明书 4/6 页 6 CN 2112。

23、91131 U 6 料， 一般为不锈钢。 但是， 本实用新型并不对热交换层板1031的材质进行限定， 具有良好导 热性能的材质均可使用， 即使为柔性材料亦可， 能够实现热交换的功能即可。 0058 在本实例中， 氢气热交换层板1031A和冷却液热交换层板1031B的材质是相同的， 但是亦可不同， 本实用新型并不对此进行限制。 0059 热交换层板1031与热交换流道1032的材质可以一致， 在本实施例中， 热交换层板 1031与热交换流道1032是一体成型的， 此时热交换层板1031与热交换流道1032的材质均采 用的316L不锈钢。 但是， 热交换层板1031与热交换流道1032的亦可分开成。

24、型， 在装配阶段再 进行组合连接亦可， 材质亦可选择不同的材质。 0060 相邻的氢气热交换层板1031A和冷却液热交换层板1031B内的氢气和冷却液的流 动方向是相对的。 因为， 由于氢气的密度小， 倾向于往上流动， 冷却液的密度大， 倾向于向下 流动。 因此氢气的流通方向需要是由上至下， 冷却液的流通方向需要是由下至上， 才能保证 氢气和冷却液彼此更为充分的热交换。 0061 如图2所示， 在本实施例中， 氢气入口1011和氢气出口1012位于热交换器100的一 侧， 而冷却液入口1021和冷却液出口1022分别位于热交换器100的两侧。 在本实施例中， 氢 气出口1012和冷却液入口10。

25、21的位置位于一侧， 因为氢气出口1012处是氢气温度最高的位 置， 而冷却液入口1021处亦是冷却液温度最高的位置， 将氢气出口1012邻近冷却液入口 1021设置是为了防止氢气的温度出现的大的波动， 从而导致氢气的压强骤然变大。 0062 通过氢气入口1011进入热交换部103内的氢气首先与即将从热交换部103流出的 冷却液进行热交换， 因为此处的温差较低。 冷却液和氢气的流向是相对的， 因此随着氢气在 热交换部103内的流动， 温度逐渐升高， 由于与氢气进行热交换的冷却液的流向与氢气是逆 向的， 因此氢气即将达到出口处， 与即将从冷却液入口1021流入的冷却液进行热交换， 此时 的温差亦。

26、较低。 如此设置是为了防止氢气的压强出现大的波动。 0063 由于氢气的密度小， 倾向于往上流动， 因此一般情况下氢气入口1011位于热交换 器100的上部， 氢气出口1012位于热交换器100的下部； 由于冷却液的密度大， 倾向于往下流 动， 因此一般情况下冷却液入口1021位于热交换器100的下部， 冷却液出口1022位于热交换 器100的上部。 0064 但是氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入口1021和冷却液出口1022亦可不按 照本实施例进行设置， 本实用新型并不对氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入口1021和 冷却液出口1022的位置进行限定。 0065。

27、 在本实施例中， 氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入口1021和冷却液出口1022 均为圆筒状。 此外， 氢气入口1011和氢气出口1012的开孔较大， 冷却液入口1021和冷却液出 口1022的开孔较小。 但是本实用新型并不对氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入口1021 和冷却液出口1022的形状以及开孔大小进行限制， 只要能够保证热交换器100的稳定运行 即可。 0066 如图5所示， 在氢气出口1012前设置有缓冲部104， 在热交换部103完成热交换的氢 气先进入缓冲部104暂留， 随着图1所示的氢喷阀C的开启流入氢气主管道I中。 而冷却液入 口1021直接。

28、穿过缓冲部104进入热交换部103中， 这种设计的好处在于， 冷却液入口1021内 是高温状态的冷却液， 其温度比缓冲部104内的氢气高， 这对缓冲部104内的氢气起到了保 温的作用， 使得缓冲部104内加热后氢气的温度不会过快降低。 说明书 5/6 页 7 CN 211291131 U 7 0067 缓冲部104与热交换部103可以是分开的零部件， 在装配时将二者连接在一起， 连 接方式可以选择焊接、 粘接等方式； 缓冲部104与热交换部103还可以由整体模具来制备。 在 本实施例中， 缓冲部104与热交换部103是由整体模具制备的。 0068 在本实施例中， 缓冲部104的形状为一个设置有。

29、内部空腔的长方体， 该长方体的形 状与连接的热交换部位置的形状配合。 但是缓冲部104的形状并不局限于长方体， 亦可为其 他形状， 只要能够保证缓冲的功能即可。 0069 缓冲部104的材质可以选择硬质材料， 亦可选择柔性材料， 本实用新型并不对其进 行限定。 需要考虑的是缓冲部104材料对氢气的适应性， 在本实施例中， 缓冲部104采用的是 316L不锈钢。 0070 此外， 在本实施例中， 由于冷却液入口1021需要穿过缓冲部104， 因此冷却液入口 1021的材质同样需要考虑其材料对氢气的适应性， 在本实施例中， 冷却液入口1021同样采 用的是316L不锈钢。 冷却液入口1021的材质。

30、可以是一致的， 亦可以是分段的， 比如冷却液入 口1021在缓冲部104内部的部分使用316L不锈钢， 冷却液入口1021在缓冲部104外部的部分 使用不锈钢等其他材料。 0071 但是， 冷却液入口1021亦可不穿过缓冲部104， 本实用新型并不对此进行限定。 0072 本实用新型并不对氢气入口1011、 氢气出口1012、 冷却液入口1021和冷却液出口 1022的材质进行限制， 可为均一材料， 亦可为不同部分使用不同材料。 0073 以上所述仅为本公开的较佳实施例而已， 并不用以限制本公开， 凡在本公开的精 神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本公开的保护范。

31、围之内。 0074 最后应说明的是： 以上所述仅为本公开的优选实施例而已， 并不用于限制本公开， 尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明， 对于本领域的技术人员来说， 其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本公开的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本公开的 保护范围之内。 说明书 6/6 页 8 CN 211291131 U 8 图1 说明书附图 1/5 页 9 CN 211291131 U 9 图2 说明书附图 2/5 页 10 CN 211291131 U 10 图3 说明书附图 3/5 页 11 CN 211291131 U 11 图4 说明书附图 4/5 页 12 CN 211291131 U 12 图5 说明书附图 5/5 页 13 CN 211291131 U 13 。