CN106898800A - 一种带有气液分离功能的微型散热器和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种带有气液分离功能的微型散热器和燃料电池系统，包括一带有冷却介质进口和冷却介质出口的中空密闭容器，于中空密闭容器内设有一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从下向上呈螺旋状盘绕；于远离圆心或轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线方向设有2个以上的液体出口，液体出口流出的液体流动方向与液体出口盘绕圆管内物料流动方向间成锐角；圆管的二开口端穿过中空密闭容器的壁面伸出至中空密闭容器外部。采用本发明所述散热器进行气液分离结合了离心力的作用以及切线引流作用对液态水进行分离，提高气液分离效率；同时，本发明有益于冷却气体停留更长时间，在腔室内与螺旋管外壁充分接触，减小气泵的压头。

Description

一种带有气液分离功能的微型散热器和燃料电池系统

技术领域

本发明属于燃料电池部件的创新技术。确切的说，属于质子交换膜燃料电池的气液分离器和散热器的创新技术。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池以其能量转换效率高、无污染、低噪音等诸多优点成为新型能源研究热点。其中低功率质子交换膜燃料电池因其可对笔记本、手机等移动电器充电的便携式电源更是市场前景相当可观。

缩小体积始终是便携式燃料电池系统优化的目标，除有效利用空间外，系统内部部件的小型化是便携式燃料电池“瘦身”的根本解决途径。目前，燃料电池散热器一般采用金属管带式或者碳板板式等形式，因其散热效果好、质量轻而被广泛应用，但其体积的优化潜力有限，阻碍了便携式燃料电池系统进一步压缩体积的可能性。本发明不仅体积小，而且同时具备气液分离器和散热器两种功能，净减少一个部件的空间，大幅度缩小系统体积。

本发明的分离技术没有采用在燃料电池上已普遍应用的重力分离原理，因为该技术对方向敏感度要求较高，不适用于便携式燃料电池，而离心式分离技术是无方向敏感性的分离技术且分离效果较好，更适用于便携式燃料电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用微型散热器，该散热器体积小，却同时具备气液分离器和散热器两种功能；气液分离效果较好；安装于质子交换膜燃料电池，可以有效回收热能，提高燃料效率，并且可以利用系统余热提高燃料电池电堆性能和增强系统的低温环境适应性。

一种带有气液分离功能的微型散热器，包括一带有冷却介质进口和冷却介质出口的中空密闭容器，于中空密闭容器内设有一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从下向上呈螺旋状盘绕；于远离圆心或轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线方向设有2个以上的液体出口，液体出口流出的液体流动方向为液体出口盘绕圆管的切线方向；圆管的二开口端穿过中空密闭容器的壁面伸出至中空密闭容器外部。

液体出口通过引流管穿过中空密闭容器的壁面伸出至中空密闭容器外部。

于中空密闭容器内部设有1个以上的折流板；管穿过折流板，圆管外壁面与折流板密闭连接；圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，折流板垂直于盘绕圆管所在平面设置，1个以上的折流板使冷却介质于中空密闭容器内往复流动，使由冷却介质进口流入中空密闭容器中的冷却介质依次经过折流板的二侧表面后由冷却介质出口流出；

或圆管沿一轴线从下向上呈螺旋状盘绕，1个以上的折流板使冷却介质于中空密闭容器内往复流动，使由冷却介质进口流入中空密闭容器中的冷却介质依次经过折流板的二侧表面后由冷却介质出口流出。

折流板的一端与中空密闭容器内壁面间留有间隙，盛于的其它端部与中空密闭容器内壁面密闭连接。

圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，圆管靠近圆心的开口端为气液混合物料出口。

液体出口的直径为1-10mm。

采用所述微型散热器的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、燃料罐、空气或氧气气源；

所述燃料罐与燃料电池电堆阳极进口管路连接；所述空气或氧气气源与所述微型散热器冷却介质进口相连通，所述冷却介质出口与燃料电池电堆阴极进口管路连接；所述燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器圆管的一端相连通，所述微型散热器圆管的另一端与大气相连通；所述微型散热器的液体出口经管路与所述燃料罐或燃料源相连通。

所述燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器呈圆环状盘绕的圆管的外侧开口端相连通，所述微型散热器呈圆环状盘绕的圆管的内侧开口端与大气相连通；或所述燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器呈螺旋状盘绕的圆管的下端开口端相连通，所述微型散热器呈圆螺旋盘绕的圆管的上端开口端与大气相连通。

所述微型散热器以不锈钢或者其他传热系数高的耐腐材料为原料，应用盘管和焊接技术或3D打印技术实现。它的结构分两部分，带有引流管的蚊香式盘管和和待有折流板的外壳，如图1所示；盘管经90度拐角垂直于盘管平面方向延伸出进口和出口，最外环延伸口为进口，最内环延伸口为出口；引流管沿盘管切线方向插接盘管外壁，贯通于盘管，并经90度拐角垂直于盘管平面延伸；相同高度和厚度折流板以等间隔外嵌于盘管，避开盘管进出口和引流管，奇数和偶数隔板分别向相反方向延长隔板高度的一半的距离；用长方体外壳封闭带隔板的蚊香式盘管，平行于隔板的2个外壳板面和外侧隔板的距离应与隔板间距相同，其他4个外壳板面与隔板垂直相接，隔板与外壳封闭的空间为蛇形通道，如图2所示；外壳需要为蛇形通道进出口设置通孔并且为盘管进出口和引流管预留相对应的通孔。

上述盘管的壁厚可以设置0.05mm～0.3mm，管径可设置1mm～10mm，盘管可设置环绕外径3周～10周，环绕圆周外径可设置30mm～200mm。

可以根据盘管的尺寸，布置多个折流板，可设置4～8个。隔板高度可以设置盘管管径的2倍到3倍。

上述引流管可以至多每周设置1个，至少2周设置1个。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用本发明所述散热器对燃料电池阴极的高温气液混合物进行分离，液态水由于离心力的作用在管路的外径区域流动，经圆管外径设置多级的液态水排出口进入燃料罐或与所述燃料源相连通，提高了系统的气液分离效率。

2.采用本发明所述散热器对燃料电池阴极的高温气液混合物进行分离的同时，冷却介质即空气或氧气在为圆管内流经的高温气液混合物实现分离的同时实现了对空气或者氧气的预热。较宽的腔室有益于冷却气体停留更长时间，在腔室内与螺旋管外壁充分接触，同时减小气泵的压头，换热效果好。

附图说明

图1.带有引流管和隔板的蚊香式盘管示意图；

图2.散热器剖视图；

图3.蚊香盘管及引流管内瞬态气液两相分布图；

图4.散热器纵截面速度分布图；

图5.散热器横截面温度分布图；

1.蚊香盘管；2.引流管；3.折流板；4.外壳；5.盘管进口；6.盘管出口；7.蛇形通道8.冷却介质进口；9.冷却介质出口。

具体实施方式

实施例：

散热器的蚊香式盘管1、引流管2、折流板3和外壳4均以不锈钢为原料，通过3D打印技术成型。盘管进口5是蚊香盘管1的最外环管道经90度拐角垂直于蚊香盘管1平面方向延伸出来，盘管出口5是蚊香盘管1的最内环管道经90度拐角垂直于蚊香盘管1平面方向延伸出来，管壁厚0.3mm，管径4mm，蚊香盘管1设置环绕5周，环绕圆周外径可设置50mm；引流管2沿盘管切线方向插接盘管外壁，贯通于蚊香盘管1通道，并经90度拐角垂直于蚊香盘管1平面延伸，每周设置1个，与蚊香盘管1进出口成一条直线，引流管2管壁0.2mm，引流管2管外径1mm；4个隔板3嵌于盘管，间距14mm，高度为8mm，厚度为1mm，长度为66.5mm，盘管进出口和引流管2位于中间2个隔板3之间，奇数隔板3在一端长于偶数隔板4mm，在另一端短于偶数隔板4mm；用长方体外壳封闭带隔板3的蚊香盘管1，形成等截面蛇形通道7；蛇形通道进口8和出口9通孔外径5mm，引流管2沿外壳预留通孔引出。

本发明采用空气冷却方式散热，蚊香盘管内部通道连通燃料电池阴极的高温蒸汽，蛇形通道连通燃料电池气泵输送的空气，两种介质通过蚊香盘管管壁交换热量；引流管回收蚊香盘管内蒸汽冷凝后离心分离的液态流体。

散热器以不锈钢或者其他传热系数高的耐腐材料为原料，传热系数越高散热效果越好；一体化加工技术如3D打印技术可以进一步提高散热器的换热效果。管壁越薄换热效果越好，

蚊香盘管的外环管道先于内环管道与冷却气体换热，因此高温蒸汽从蚊香盘管的最外环进入更有利于散热，降温后从最内环流出；进出口管道经90度拐角垂直于盘管平面方向延伸出来方便套联通管连接其他部件。

蚊香盘管的管壁越薄，冷热介质的换热效果越好；蚊香盘管的管径根据燃料电池阴极流体的流量和散热器的设计功率设置；盘管环绕周数越多散热面接越大，但受限于系统留给散热器的设计空间，且盘管间隔不宜小于盘管管道半径，否则影响冷热介质的换热效果。

引流管沿盘管切线方向插接盘管外壁，贯通于盘管，引流管内壁中轴线与盘管切线方向平行且不影响盘管内壁的平滑度，引导出离心分离的液体，排入系统的贮液腔室；引流管90度拐角垂直于盘管平面延伸方便套联通管连接贮液腔室。根据冷凝水量，按旋转周期设置引流管的位置，需避开隔板；引流管管径不宜过大，否则会影响盘管内壁的平滑度。

引流管将比热容较大的冷凝液体周期性排出，减小盘管剩余气液混合流体的平均比热容，有益于进一步降低剩余气液混合流体的温度，提高冷凝效率；对于甲醇燃料电池，被排出的冷凝液体依然保持较高的温度，排入贮液腔室后提高甲醇溶液的温度，因此可以为阳极提供高温预热的燃料，提高电堆的性能。

隔板外嵌于盘管，增大了盘管的散热面积，增强换热效果；隔板等间距设置，间距和高度取决于散热器的设计功率和燃料电池系统气泵的流量；位置应避开盘管进出口和引流管；隔板交错设置与外壳封闭形成等截面蛇形通道，隔板与外壳间隙不宜过小，否则会形成较大阻力，增大燃料电池系统功耗；蛇形通道进出口通孔需插接燃料电池系统气泵的联通管，引流管沿外壳预留通孔引出，连接缝隙需密封。

对于燃料电池系统，本发明具备气液分离器和散热器两种功能，净减少一个部件的空间，大幅度缩小系统体积。

经过散热器被加热的空冷气体，一部分气体通入电堆阴极，可以提高阴极反应的速率、提高阴极温度场的一致性、延长电堆的寿命，另一部分可以用来加热电控室或者可充电电池，提高系统低温环境适应性能力。

本发明的分离效果经过了实验验证，图3所示液态水由于离心力的作用在管路的外径区域流动，冷凝水经过了最外环排液口，大部分液态水沿此口流出，其余液态水随气态水蒸汽向下游流动。在下游，液态水出现了断流，说明最外环排液口分离了较多的液态水，使后续的水量大幅减小，因此，证明了切线引流管路分离液态水的效果，并且内三环设置的排液口会进一步分离液态水，提高气液分离效率。

本发明的换热能力经过了实验验证，冷却气体经过蛇形腔室，与螺旋管外壁接触换热。较宽的腔室有益于冷却气体停留更长时间，在腔室内与螺旋管外壁充分接触，同时减小气泵的压头。如图4，合适的腔室高度不仅保证分离器小体积的优势，而且从纵向剖面的速度云图分析，各区域均匀的流场也有利于充分的散热。图5所示，水蒸气从进口到出口下降41.2度，证明散热器换热效果较好。

Claims (8)

1.一种带有气液分离功能的微型散热器，其特征在于：

包括一带有冷却介质进口和冷却介质出口的中空密闭容器，于中空密闭容器内设有一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从下向上呈螺旋状盘绕；于远离圆心或轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线方向设有2个以上的液体出口，液体出口流出的液体流动方向为液体出口盘绕圆管的切线方向；圆管的二开口端穿过中空密闭容器的壁面伸出至中空密闭容器外部。

2.按照权利要求1所述微型散热器，其特征在于：液体出口通过引流管穿过中空密闭容器的壁面伸出至中空密闭容器外部。

3.按照权利要求1所述微型散热器，其特征在于：于中空密闭容器内部设有1个以上的折流板；圆管穿过折流板，圆管外壁面与折流板密闭连接；

圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，折流板垂直于盘绕圆管所在平面设置，1个以上的折流板使冷却介质于中空密闭容器内往复流动，使由冷却介质进口流入中空密闭容器中的冷却介质依次经过折流板的二侧表面后由冷却介质出口流出；

或圆管沿一轴线从下向上呈螺旋状盘绕，1个以上的折流板使冷却介质于中空密闭容器内往复流动，使由冷却介质进口流入中空密闭容器中的冷却介质依次经过折流板的二侧表面后由冷却介质出口流出。

4.按照权利要求3所述微型散热器，其特征在于：折流板的一端与中空密闭容器内壁面间留有间隙，剩于的其它端部与中空密闭容器内壁面密闭连接。

5.按照权利要求1所述微型散热器，其特征在于：圆管按一圆心于同一平面内从内向外呈圆环状盘绕，圆管靠近圆心的开口端为气液混合物料出口。

6.按照权利要求1所述微型散热器，其特征在于：液体出口的直径为1-10mm。

7.一种采用权利要求1-6任一所述微型散热器的燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、燃料罐或燃料源、空气或氧气气源；

所述燃料罐或燃料源出口与燃料电池电堆阳极进口管路连接；所述空气或氧气气源与所述微型散热器冷却介质进口相连通，所述冷却介质出口与燃料电池电堆阴极进口管路连接；所述燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器圆管的一端相连通，所述微型散热器圆管的另一端与大气相连通；所述微型散热器的液体出口经管路与所述燃料罐或燃料源相连通。

8.按照权利要求7所述微型散热器的燃料电池系统，其特征在于：所燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器呈圆环状盘绕的圆管的外侧开口端相连通，所述微型散热器呈圆环状盘绕的圆管的内侧开口端与大气相连通；

或所述燃料电池电堆阴极出口与所述微型散热器呈螺旋状盘绕的圆管的下端开口端相连通，所述微型散热器呈圆螺旋盘绕的圆管的上端开口端与大气相连通。