CN112197627A - 一种燃料电池余热回收换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池余热回收换热器，包括第一气体介质与液体介质换热板，第二气体介质与液体介质换热板，换热板隔板和换热器盖板；所述第一气体介质与液体介质换热板及第二气体介质与液体介质换热板气侧流道内可以设置换热翅片；换热器整体结构为气‑液‑气三层流道结构，利用换热板隔板隔开，通过真空钎焊或扩散焊技术进行焊接；换热器低温的液体介质和两侧的两种高温气体介质同时换热，满足两种气体介质和一种液体介质的综合热交换，结构紧凑，换热效率高，主要应用于甲醇重整燃料电池系统，实现电池尾气降温和余热利用。

Description

一种燃料电池余热回收换热器

技术领域

本发明涉及燃料电池余热回收领域，特别涉及一种多介质换热器领域。

背景技术

在甲醇重整燃料电池系统中，甲醇重整制氢和余气燃烧均在高温条件下进行，所产生的废气往往是250℃左右的高温废气，其携带大量的热能，若直接排放会造成能源的浪费，降低电池的能源利用率，因此，余热回收装置在这种高温系统中有着至关重要的作用。在大型燃料电池系统中可以先对排出高温尾气进行集中回收再采用热机原理或热电材料等技术进行热量回收利用发电，而在小型电池系统例如5kW、3kW等单电池系统中，由于电池体积，安全性，系统整合等方面的限制，无法有效利用上述余热回收系统进行废热利用。针对这类问题，本发明人提出一种燃料电池余热回收换热器，通过在尾气排放端加装一个小型的多介质换热器，在高温尾气排出系统之前，通过余热回收换热器将燃料电池重整室、燃烧室排放的高温尾气用于甲醇燃料的预加热，节省甲醇预加热所消耗的电能，且使尾气温度降至直接排放温度标准，提升了电池系统整体的能源利用率与安全性，并且提升了电池运行的效率，缩短冷启动时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种能实现燃料电池高温尾气余热回收的多介质换热器，利用两种高温气体介质中的余热对甲醇燃料进行预加热，以节省甲醇电加热汽化的耗电量，提升燃料电池系统效率，缩短冷启动时间，同时使尾气排放处于安全温度区间，避免尾气高温排放带来的安全隐患，提升电池系统的安全性及能源利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种燃料电池余热回收换热器，包括第一气体介质与液体介质换热板，第二气体介质与液体介质换热板，换热板隔板和换热器盖板，换热器整体结构为气-液-气三层流道结构，利用换热板隔板隔开，第一气体介质和第二气体介质通过换热板时均与液体介质发生热交换，充分利用两种高温气体介质中的余热。

优选的，两种气体介质流道位于液体介质流道两侧且两种气体介质流向与液体介质流向形成交叉流，第一气体介质经过第一气体介质与液体介质换热板换热后由外部管路流向燃烧室进行反应剩余气体燃烧，燃烧产生的高温废气与电池反应尾气混合为第二气体介质进入第二气体介质流道，第二气体介质流道整体设计换热系数较大，与液体介质进行大功率换热后集中排出，第一气体介质实际换热过程是两个流程的分级换热，适用于两种气体介质温差较大的情况，可有效预防换热器内温度分布不均匀造成的局部过热现象。

优选的，第一气体介质与液体介质换热板和第二气体介质与液体介质换热板中的液侧流道可以根据系统压力、流量及换热需求设计S形、M形、U形或多种结合的形式，两种气侧流道可以根据需求改变肋片分布实现气体介质单流程或多流程流动，气侧流道可以设置直肋片也可以选择翅片、鳞片结构增大换热功率。

本发明相对于现有技术具有如下优点，换热器整体为层叠结构焊接成型，结构紧凑体积小，且将三种介质的综合热交换整合于一个多介质换热器中，无需像以往方案设置多个独立两介质的换热器，有效降低了系统成本，体积重量，降低了系统水热管理难度；在换热器中，有效利用了燃料电池尾气中的废热余热，无需整合热电或热机余热回收系统即可减少燃料电池系统能源的浪费与废热的排放，提升系统的能量利用率；本发明所提出的气-液-气三层流道结构可以改善换热器温度均匀性，较之气-液两层流道结构，将气体介质热量分散至液体介质两侧能更为有效地预防高温气侧的积热，在多电池堆叠的电池组中改善电池舱局部积热过热现象，提升燃料电池安全性。

附图说明

图1为燃料电池余热回收换热器正面结构示意图。

图2为燃料电池余热回收换热器背面结构示意图。

图3为本发明一种燃料电池余热回收换热器的结构分解图。

图4为第一气体介质与液体介质换热板结构示意图。

图5为第二气体介质与液体介质换热板结构示意图。

图中：1、第一气体介质与液体介质换热板；2、第二气体介质与液体介质换热板；3、换热板隔板；4、换热器盖板；5、第一气体介质进口；6、第一气体介质出口7、第二气体介质进口；8、液体介质进口；9、液体介质出口；10、排气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种燃料电池余热回收换热器，包括第一气体介质与液体介质换热板1，第二气体介质与液体介质换热板2，换热板隔板3和换热器盖板4，换热器整体结构为气-液-气三层流道结构，利用换热板隔板3隔开。

在甲醇重整燃料电池系统实施例中，第一气体介质为重整室排放的高温重整气，第二气体介质为电池燃烧室排放的燃烧室废气和电堆尾气混合气体，液体介质为低温甲醇水燃料。电池工作时，低温甲醇水燃料经液体介质进口进入第一气体介质与液体介质换热板的液侧流道，重整室排出的高温重整气经第一气体介质进口进入第一气体介质与液体介质换热板的气侧流道，整体流向与液体介质形成逆流与交叉流交错，并与低温甲醇燃料进行换热，经过换热的重整气经第一气体介质出口进入电池电堆发生反应，反应剩余气体经外部管路导至燃烧室进行剩余氢气回烧，回烧后产生的高温剩余气体经第二气体介质进口回到换热器第二气体介质与液体介质换热板。与此同时，电堆反应所产生的高温废气也经第二气体介质进口进入第二气体介质与液体介质换热板，与低温甲醇水燃料进行热交换，对其进行预加热后温度降低由换热器排气口排放至外部环境。以此实现尾气的降温安全排放和余热利用。

两种气体介质流道位于液体介质流道两侧且两种气体介质流向与液体介质流向形成交叉流，第一气体介质经过第一气体介质与液体介质换热板换热后由外部管路流向燃烧室进行反应剩余气体燃烧，燃烧产生的高温废气与电池反应尾气混合为第二气体介质进入第二气体介质流道，第二气体介质流道整体设计换热系数较大，与液体介质进行大功率换热后集中排出，第一气体介质实际换热过程是两个流程的分级换热，适用于两种气体介质温差较大的情况，可有效预防换热器内温度分布不均匀造成的局部过热现象。

第一气体介质与液体介质换热板和第二气体介质与液体介质换热板中的液侧流道可以根据系统压力、流量及换热需求设计S形、M形、U形或多种结合的形式，两种气侧流道可以根据需求改变肋片分布实现气体介质单流程或多流程流动，气侧流道可以设置直肋片也可以选择翅片、鳞片结构增大换热功率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种燃料电池余热回收换热器，其特征在于：包括第一气体介质与液体介质换热板，第二气体介质与液体介质换热板，换热板隔板和换热器盖板，换热器整体结构为气-液-气三层流道结构，利用换热板隔板隔开。

2.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收换热器其特征在于：第一气体和第二气体介质分别通过第一气体介质与液体介质换热板和第二气体介质与液体介质换热板与液体介质流向形成交叉流。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池余热回收换热器，其特征在于：所述第一气体介质与液体介质换热板及第二气体介质与液体介质换热板气侧流道内设置有换热翅片。

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