CN111326765B - 一种高温醇燃料电池蒸发散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温醇燃料电池蒸发散热装置，包括由翅片组成的空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室以及氢气冷却室。所述高温甲醇燃料电池蒸发散热装置由空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室、氢气冷却室依次通过螺纹连接串联组成。所述导热油热交换室在空气散热室背面并且其与空气散热室为一个整体加工，材料均为铝合金来增强导热性能。所述甲醇汽化室与氢气冷却室为一个整体加工且甲醇汽化室与导热油换热室相接触，两腔室之间通过一块铝合金薄板分隔开防止两腔室内介质互串。氢气冷却室在甲醇汽化室背面与甲醇汽化室为一体加工增强两室之间导热效率。

Description

一种高温醇燃料电池蒸发散热装置

技术领域

本发明涉及一种高温醇燃料电池蒸发散热装置，属于燃料电池领域。

背景技术

现有高温燃料电池蒸发器结构中仅有导热油热交换室、甲醇汽化室以及氢气冷却室三部分功能腔室，而且导热油热交换室功能仅为降高温燃料电池电堆输出的高温导热油在原有蒸发器内与甲醇汽化室中的液体燃料进行热交换，由于导热油温度较高能够达到165度以上，且汽化室液体所需要的汽化温度较低，通常在80度左右且汽化室处理量小，因此现有技术中蒸发器内导热油多余的热量需要通过蒸发器外接的散热器及风扇的配合才能正常工作，其余很大一部分高品质热源均排除蒸发器外进入系统外接散热器中使用大功率风扇将导热油温度降低至目标温度，大量高品质热源白白浪费掉，并且外界散热器风扇等装置不仅使系统结构变得复杂、占用空间大，外接散热器风扇等装置增多了管阀件的连接、加大密封难度降低了系统的可靠性。

发明内容

基于现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高温醇燃料电池蒸发散热装置，包括甲醇汽化室以及氢气冷却室；所述装置还包括由翅片组成的空气散热室和导热油热交换室；所述空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室、氢气冷却室通过螺纹连接依次从上至下串联组成；所述导热油热交换室与空气散热室为一个整体加工件；整个加工件一面为雕铣出的导热油热交换室流道，加工件另一面为雕铣出的空气散热室流道；因此，所述整体加工件的一面为导热油热交换室，另一面为空气散热室；所述甲醇汽化室与氢气冷却室为一个整体加工件；所述整体加工件的一面为甲醇汽化室，另一面为氢气冷却室；所述甲醇汽化室与导热油换热室相邻，并通过隔板分隔开，防止两腔室内介质互串；所述隔板的两面分别与所述甲醇汽化室和导热油热交换室接触并密封，所述密封采用氟橡胶密封线密封，两腔室为整体加工件，增强了两室之间导热效率。

基于以上技术方案，优选的，所述空气散热室在所述蒸发散热装置的最上侧，由带有加强筋的铝合金端盖对空气散热室进行密封；所述端盖上开有空气尾排口，用于排出热交换后的高温空气。

基于以上技术方案，优选的，所述空气散热室由宽度均匀的翅片构成散热空气流道，每条翅片被两道宽沟槽截断；所述空气散热室侧壁外端固定有两个强力风扇；所述空气散热室的一个短边外侧壁上开有两个圆孔为强力风扇进风口；所述短边外侧壁为与空气散热室翅片流道垂直的侧壁。

基于以上技术方案，优选的，所述导热油热交换室由宽度均匀的深度较小(5-7mm)的翅片构成导热油流道；导热油热交换室的进油口设置于短边内壁一侧，用于电堆输出的高温导热油进入导热油热交换室；导热油流经翅片后，在与进口处相对应的另一端流出导热油热交换室；所述长边外侧壁为与导热油热交换室翅片流道平行的侧壁,导热油进口设置于导热油热交换室长壁一侧靠近散热风扇开口端，该导热油出口用于将导热油排出本发明装置，优选的,所述隔板上设有导热油进口通道,通过隔板通道的设置，导热油进口与甲醇汽化室的进口贯通，使得导热油进入导热油热交换室不用外接其他管路，使得本发明的装置结构更加紧凑。

基于以上技术方案，优选的，所述的空气散热室、导热油热交换室材料为铝合金，铝合金可以增强导热性能。

基于以上技术方案，优选的，所述隔板的材质为铝合金；所述隔板的厚度为2mm以上。

基于以上技术方案，优选的，所述空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室、氢气冷却室均设置有用于固定氟橡胶O型圈的凹槽；所述凹槽通过设置氟橡胶O型圈来对腔室之间进行密封防止各腔室中的气体或者导热油发生泄漏。

基于以上技术方案，优选的，所述的导热油热交换室的导热油出口设置有热偶孔。

基于以上技术方案，优选的，所述导热油热交换室翅片宽0.8以上，优选为0.8-1.5mm，翅片之间的间隙为0.8mm以上，优选为0.8-1.5mm。

基于以上技术方案，优选的，所述设置有强力风扇进风口的短边外侧壁为靠近导热油热交换室导热油出口的一侧。

以上各腔室串联结构组成的高温醇燃料电池蒸发散热装置中，将导热油热交换室设计排列在空气散热室与甲醇汽化室之间并且与空气汽化室为同一整体加工导热性能更好。此设计目的为由于流经导热油热交换室的导热油来源为高温醇燃料电池堆，高温燃料电池堆正常工作状态下为一放热反应，为了维持电池堆正常的工作温度，需要通过低温的导热油进入电池堆进行循环带走电池堆工作所产生的多余热量，电池堆输出的高温导热油温度可达到160摄氏度-170摄氏度之间，电池堆输出的导热油进入本发明设计的导热油热交换腔进行散热使温度降低到150摄氏度左右后重新进入电池堆，如此反复为一个循环。因此进入导热油热交换室的高温导热油需要很大的散热量使温度降低到目标温度150摄氏度。因此设计空气散热室，用两个并排放置的强力风扇对导热油热交换室背面的与导热油热交换室一体的空气散热室中的翅片进行散热，空气与空气散热器中的翅片进行热交换，使大流量空气带走散热片上的热量。由于导热油与空气散热室中的翅片进行热交换，从而间接的使强力风扇产生的大流量空气带走导热油的一部分热量。

在导热油出口处设计有热偶孔用于测量经过散热室风扇所产生的空气带走导热油的热量后导热油出口处的温度。由于经过换热后进入电池堆的导热油目标温度在150摄氏度左右，当导热油热交换室中温度在150摄氏度左右时，通过热传导后甲醇汽化室内温度能够达到100摄氏度以上，液态甲醇溶液沸点在80摄氏度左右，因此仅需要控制导热油出口通道处的热电偶温度在150摄氏度左右即可同时满足电池堆堆导热油温度的要求以及甲醇汽化室中液态甲醇溶液汽化对温度的需求。因此插在热偶孔中的热电偶与散热室中固定的散热风扇相配合，当热电偶所测温度在152℃以上时，PCB控制散热风扇增大风扇输出功率从而增大空气流量使导热油温度进一步降低。当热电偶所测温度在148℃以下时，PCB控制散热风扇减小风扇输出功率从而减小空气流量使导热油温度逐渐升高，因此导热油温度能够维持在150±2℃范围内实现精确控制。

所述甲醇汽化室中进行的是将外界由液泵泵入的液态甲醇汽化为气态甲醇用于后续的重整制氢反应，液化过程为一吸热过程。甲醇液化吸热所需要的热量来源即为导热油与甲醇汽化室进行热交换由高温的导热油提供甲醇汽化室中甲醇汽化所需要的热量。因此将导热油热交换室设计在空气散热室与甲醇汽化室之间使导热油的高品质热源得到充分利用，高温导热油的一部分热量用于甲醇汽化所需要的热量从而减少了空气散热室所需要的热交换量，减小强力风扇的流量从而减小风扇功率节约系统功耗。

所述氢气冷却室与甲醇汽化室为一个整体加工，由于重整制氢所产生的氢气温度较高能够达到200度以上，而高温醇燃料电池堆正常工作时温度在160—180摄氏度之间，因此重整制氢所产生的氢气温度过高不能直接进入电池堆进行阳极反应，需要将温度降低至电堆的工作温度。因此本发明设计的氢气冷却室接受重整制氢装置所产生的高温氢气与甲醇汽化室进行充分换热，不仅满足了液态甲醇汽化所需要的热量，更使重整制氢后的氢气温度能够降低到电池堆的正常工作温度范围内。

电堆排出的导热油通过导热油热交换室的导热油进口进入导热油热交换室，导热油流经导热油热交换室翅片，从导热油出口通道流出进入电堆。液态甲醇混合溶液从甲醇汽化室外壁的甲醇汽化室入口通道进入汽化室流道，待甲醇溶液充分汽化后进入氢气冷却室，然后进入重整器，经过催化重整后的氢气经过氢气冷却室对重整后的高温氢气进行降温后进入电堆。

各腔室结构描述：

空气散热室：由宽度均匀的翅片构成散热空气流道，每条翅片被两道5mm宽沟槽截断，此沟槽作用为使流经翅片的空气能够分配的更加均匀。空气散热室短边一端开有两个直径32mm圆孔为强力风扇进风口，两个强力风扇通过螺纹并列固定在侧壁外端，中间垫有云母片用来隔热，防止风扇过热失效。空气散热室短边另一端开有空气尾排口，排出热交换后的高温空气。

导热油热交换室：由宽度均匀的深度较小的翅片构成导热油流道，每条翅片宽1.5mm，翅片间隙2mm。导热油热交换室内短边一侧上开有进油口，电池堆输出的高温导热油由此口进入导热油热交换室。导热油流经翅片在于进口处相对应的另一端流出导热油热交换室。腔室内翅片的分布经过仿真设计使每两个翅片组成的流道对导热油造成的阻力降一致从而使导热油更加均匀的流经翅片。

甲醇汽化室：甲醇汽化室由蛇形流道组成，在汽化室侧壁开有甲醇进口通道，进口处流道较深且有扰流柱，能够使液态甲醇迅速汽化，随着汽化程度加大，气态甲醇提及极具膨胀，因此流道截面积逐渐增大防止腔室内压力过大。

氢气冷却室：两路流道分别为从甲醇汽化室出来的甲醇蒸汽进入重整器的流道以及重整器催化反应后进入电堆的氢气冷却流道。两路流道相互分隔并且由2mm厚的铝合金板进行与外界环境的密封。

有益效果

本发明结构巧妙，将空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室和氢气冷却室集成，充分利用不同品质的热源来对需要吸热的甲醇汽化反应提供充足的热量，同时对需要散热来降低温度的电池堆输出的高温导热油以及重整制氢装置输出的高温氢气进行降温。

由于空气散热室对导热油的散热作用强于甲醇汽化室中甲醇汽化对导热油的散热作用，加工成一个整体传热效果好，因为空气散热室承担导热油散出主要热量，汽化室从导热油吸收的热量有限相比于空气散热室内空气带走的热量占很小比例，因此将空气散热室与导热油热交换室加工成一个整体，能够增加热传导的效率，将氢气冷却室与甲醇汽化室加工成一个整体使高温氢气与液态甲醇换热更加充分。

本发明结构巧妙，能够充分利用不同品质的热源来对需要吸热的甲醇汽化反应提供充足的热量，同时对需要散热来降低温度的电池堆输出的高温导热油以及重整制氢装置输出的高温氢气进行降温，结构紧凑无外接散热器风扇等装置，简化连接管路、减小泄露风险，集成度更高，提高了系统整体的可靠性。

本发明不许借助其他装置既能满足装置内的热量平衡，结构紧凑抛弃了燃料电池系统中常见的散热器结构，集成度更高、管路连接更加简单可靠。

附图说明

图1为本发明蒸发散热装置整体图。

图2为蒸发散热装置盖板图；

图3为空气散热室图；

图4为导热油换热室图；

图5为导热油换热室与汽化室之间的隔板图；

图6为甲醇汽化室图；

图7为氢气冷却室图；

图8为本发明蒸发散热装置爆炸图；

其中：1：空气尾排口；2：空气散热室盖板，3强力风扇进风口，4空气散热室与导热油热交换室；5甲醇汽化室与氢气冷却室，6导热油出口；7空气散热室翅片槽；8空气散热室翅片；9：密封O圈槽；10：热偶孔；11：导热油热交换室翅片；12：导热油出口通道；13：导热油进口通道；14：导热油热交换室与甲醇汽化室隔板；15：导热油进口；16：甲醇汽化室流道；17：甲醇汽化室入口通道；18：扰流柱；19：氢气冷却室翅片；20：甲醇蒸汽进重整室流道；21：导热油热交换室；22：甲醇汽化室；23：氢气冷却室。

具体实施方式

本发明包括四个腔室，分别为空气散热室、导热油换热室、甲醇汽化室以及氢气冷却室，空气散热室与导热油热交换室为一个加工件4，甲醇汽化室与氢气冷却室为一个整体加工件5。在导热油换热室与甲醇汽化室之间带有2mm厚铝合金板用于将上述两个腔室分隔开并起到腔室与外界密封的作用。

空气散热室内有均匀排布的换热翅片8以及换热翅片形成的空气流道。每条换热翅片被平均分成三段，每段之间有便于空气均匀混合的5mm沟槽，此设计能够使散热空气更加均匀的分布在整个空气散热室内从而增强换热效果。空气散热室一个短边外侧壁开有两个直径32mm圆孔为强力风扇进风口3，两个强力风扇通过螺纹并列固定在侧壁外端，中间垫有云母片用来隔热，防止风扇过热失效。空气散热室盖板2上设有空气尾排口1，排出热交换后的高温空气。

导热油换热室由宽度均匀的深度为5mm的翅片11翅片与翅片之间形成的槽为空气散热室翅片槽7，翅片槽构成导热油流道，每条翅片宽1.5mm，翅片间隙2mm。导热油热交换室一侧短边内壁上开有进油口，此进油口通过隔板上的导热油进口通道15与甲醇汽化室上的进口连通，作为导热油进口通道13，电池堆输出的高温导热油由此口进入导热油热交换室。在导热油换热室靠近固定散热风扇位置一侧设计有导热油出口6，导热油热交换室长端一侧靠近散热风扇一端开有导热油出口通道12，导热油流经翅片后，经导热油出口通道从流出导热油出口流出导热油热交换室，将导热油排出装置，腔室内翅片的分布经过仿真设计使每两个翅片组成的流道对导热油造成的阻力降一致从而使导热油更加均匀的流经翅片，导热油出口设置有热偶孔10，用于监测导热油的温度，空气散热室的外周设有密封O圈槽9，用于固定O圈，实现腔室之间的密封。

甲醇汽化室：甲醇汽化室由蛇形甲醇汽化室流道16组成，在汽化室侧壁开有甲醇汽化室入口通道17，进口处流道较深且有扰流柱18，能够使液态甲醇迅速汽化，随着汽化程度加大，气态甲醇提及极具膨胀，因此流道逐渐变宽，流道截面积逐渐增大防止腔室内压力过大。

氢气冷却室内有两路流道分别为从甲醇汽化室出来的甲醇蒸汽进入重整器的流道20以及重整器催化反应后进入电堆的氢气冷却流道，氢气冷却流道由氢气冷却室翅片19构成。两路流道相互分隔并且由2mm厚的铝合金板进行与外界环境的密封。

Claims (10)

1.一种高温醇燃料电池蒸发散热装置，包括甲醇汽化室以及氢气冷却室；其特征在于，所述装置还包括由翅片组成的空气散热室和由翅片组成的导热油热交换室；所述空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室、氢气冷却室依次从上至下串联；所述导热油热交换室与空气散热室为一个整体加工件；所述整体加工件的一面为导热油热交换室，另一面为空气散热室；所述甲醇汽化室与氢气冷却室为一个整体加工件；所述整体加工件的一面为甲醇汽化室，另一面为氢气冷却室；所述甲醇汽化室与导热油换热室相邻，并通过隔板分隔开；所述隔板的两面分别与所述甲醇汽化室和导热油热交换室接触，并用氟橡胶O型圈密封；所述蒸发散热装置的顶端和氢气冷却室的底端分别由端盖和底板密封；所述空气散热室侧壁上固定有两个强力风扇；所述空气散热室的一个短边侧壁开有两个圆孔，作为强力风扇进风口，所述圆孔直径等于强力风扇风道直径，所述端盖上设置有空气尾排口，用于排出热交换后的高温空气；所述短边为与翅片流道垂直的边。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述端盖和底板的材质为铝合金。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气散热室包括由宽度均匀的翅片构成的散热空气流道，每条翅片被两道等宽度沟槽截断。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导热油热交换室由宽度均匀的5-7mm深的翅片构成导热油流道；导热油热交换室设有导热油进口和导热油出口，导热油从进口进入，流经翅片流道后从导热油出口排出。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的空气散热室、导热油热交换室材料为铝合金。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔板的材质为铝合金；所述隔板的厚度为2mm以上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气散热室、导热油热交换室、甲醇汽化室、氢气冷却室均设置有用于固定氟橡胶O型圈的凹槽。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的导热油热交换室的导热油出口设置有热偶孔。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导热油热交换室翅片宽0.8mm以上，翅片之间的间隙为0.8mm以上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述导热油热交换室翅片宽为0.8-1.5mm，翅片之间的间隙为0.8-1.5mm。

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