燃料电池设备及燃料电池能源系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池设备及燃料电池能源系统。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，由于不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可高达45%以上，具有环保、能量转化效率高、寿命长等特点，在航空航天、潜艇、电动车、电站、移动设备、居民家庭等领域存在广泛的应用前景。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，电池核心发电模块一一电堆由若干个单电池串联组成，单电池由膜电极、阳极板和阴极板(或双极板)配合形成三明治结构。其中阳极板和阴极板上刻有流道，为反应气体提供运输通道。燃料氢气沿阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。以电堆为核心，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有气、电、热、水统筹管理的特征。
[0003]质子交换膜燃料电池的性能很大程度上决定于质子交换膜的导电性，这就要求电堆保持良好的湿润状态。一般情况下，需要进行外加湿方式满足电堆湿度。外加湿指利用加湿设备对进入电堆前的反应气加湿，反应气体达到特定温湿度后进入电堆参与电化学反应。由于被加湿的反应气体从加湿设备到电堆要经过一段管路，此过程若不进行保温伴热措施，管路散热会引起反应气体中的水分部分冷凝，管路中聚集的液态水容易导致管路压损过大，严重时会形成液封影响反应气体的稳定流动。
[0004]现有技术的燃料电池设备一般利用保温层和电伴热对加湿设备到电堆的一段管路进行保温。如图1所示，燃料电池设备的原料气体为空气和氢气，空气经过第一反应物加湿器81，氢气经过第二反应物加湿器82，加湿后的气体分别通过第一反应物输入管21和第二反应物输入管22进入电堆10，其中第一反应物输入管21和第二反应物输入管22外侧设置有电伴热和保温层，以防止反应气体中的水分冷凝。此种方法虽然可以防止被加湿的反应气体中的水分大量冷凝，但是稳定性低、能耗高、安全可靠性差。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于提供一种燃料电池设备及燃料电池能源系统，以解决现有技术中的燃料电池设备的伴热保温装置能耗高的问题。
[0006]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池设备，包括:电堆;反应物输入管，与电堆连接以输入反应物;换热管，与反应物输入管的至少一部分并行设置，且换热管内的流通通道与反应物输入管内的流通通道通过一隔壁相间隔；第一导热部，连接电堆和换热管，以将电堆产生的废热传递到换热管。
[0007]进一步地，反应物输入管包括:第一反应物输入管，与电堆连接以输入第一反应物;第二反应物输入管，与电堆连接以输入第二反应物;换热管同时与第一反应物输入管和第二反应物输入管进行热传递。
[0008]进一步地，反应物输入管包括:第一反应物输入管，与电堆连接以输入第一反应物;第二反应物输入管，与电堆连接以输入第二反应物;换热管包括:第一换热管，与第一反应物输入管的至少一部分并行设置，且第一换热管与第一反应物输入管进行热传递;第二换热管，与第二反应物输入管的至少一部分并行设置，且第二换热管与第二反应物输入管进行热传递;第一导热部与第一换热管和/或第二换热管连接。
[0009]进一步地，换热管的入口位于换热管的靠近电堆的一端，换热管的出口位于换热管的远离电堆的一端。
[0010]进一步地，燃料电池设备还包括:热循环部，包括换热输入管、水箱、栗体和热回流管，热输入管连接水箱的出口和电堆的换热入口，栗体设置在热输入管上，热回流管连接电堆的换热出口和水箱的入口；第一导热部包括:第一支管，连接热回流管和换热管。
[0011]进一步地，燃料电池设备还包括回流支管，回流支管连接换热管与水箱的入口。
[0012]进一步地，热循环部还包括散热器，设置在热回流管上，第一支管连接在热回流管的散热器和水箱之间的管路上。
[0013]进一步地，燃料电池设备还包括:尾气管，与电堆连接以输出尾气；第一导热部包括:第二支管，连接尾气管和换热管。
[0014]进一步地，尾气管包括用于输出电堆的阴极的尾气的阴极尾气管和用于输出电堆的阳极的尾气的阳极尾气管;第二支管同时与阴极尾气管和阳极尾气管连接。
[0015]进一步地，反应物输入管和换热管形成三层套管结构，三层套管结构包括内流通通道、中间流通通道和外流通通道，其中内流通通道和外流通通道均为反应物输入管或换热管。
[0016]进一步地，反应物输入管和换热管形成三层夹层管结构，三层夹层管结构包括上管、下管和夹持在上管与下管之间的中管，其中上管和下管均为反应物输入管或换热管。
[0017]根据本发明的另一方面，还提供了一种燃料电池能源系统，包括燃料电池设备和负载，燃料电池设备为上述的燃料电池设备。
[0018]进一步地，燃料电池能源系统还包括第二导热部，与负载和燃料电池设备的换热管连接，以将负载产生的废热传递到换热管。
[0019]应用本发明的技术方案，燃料电池设备包括换热管和第一导热部，其中换热管用于与反应物输入管进行换热而第一导热部则将电堆产生的废热传递到换热管，因此换热管将电堆产生的废热传递给反应物输入管以保持反应物输入管及其内的反应物的温度，避免由于温度过低造成水分冷凝而影响反应物顺畅输送，或造成电堆水淹，此外，该燃料电池设备利用电堆的废热对反应物输入管进行加热保温，耗能少，起到了节能环保的效果。
【附图说明】
[0020]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0021]图1示出了现有技术中的燃料电池动力系统的实施例的示意图；
[0022]图2示出了根据本发明的燃料电池动力系统的实施例的示意图；
[0023]图3A示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第一种实施例的纵剖示意图；
[0024]图3B示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第一种实施例的横剖示意图；
[0025]图4A示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第二种实施例的纵剖示意图；
[0026]图4B示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第二种实施例的横剖示意图；
[0027]图5A示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第三种实施例的纵剖示意图；
[0028]图5B示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第三种实施例的横剖示意图；
[0029]图6A示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第四种实施例的纵剖示意图；
[0030]图6B示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第四种实施例的横剖示意图；
[0031]图7A示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第四种实施例的纵剖示意图；以及
[0032]图7B示出了根据本发明的燃料电池设备的反应物输入管和换热管的第四种实施例的横剖示意图。
[0033]其中，上述附图包括以下附图标记:
[0034]10、电堆;20、反应物输入管;21、第一反应物输入管;22、第二反应物输入管;30、换热管;31、第一换热管;32、第二换热管;41、水箱;42、栗体;43、散热器;50、第一支管;60、回流支管;71、阴极尾气管;72、阳极尾气管;81、第一反应物加湿器;82、第二反应物加湿器。<