CN115650165B - 一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构。所述燃料蒸发腔室由若干个单体燃料蒸发腔室叠加组成，所述单体燃料蒸发腔室的外形为圆柱体，与所述制氢重整器相匹配，所述单体燃料蒸发腔室包括燃料进口、前蒸发腔体和后蒸发腔体，所述前蒸发腔体与所述后蒸发腔体呈背靠背式设置，所述前蒸发腔体和所述后蒸发腔体的中心分别设置有圆形通道，所述燃料进口设置在所述前蒸发腔体的上部。本发明的技术方案解决了现有技术中的气体燃料在进入制氢重整前出现的低温区域容易形成局部冷区导致制氢重整器性能下降的的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池系统可以将化学能转化为电能，向外部用电设备供电，质子交换膜燃料电池系统分别高温电池系统和低温电池系统，虽然使用的都是氢气燃料，但高温质子交换膜燃料电池系统使用的氢气燃料是由制氢重整器提供。
高温质子交换膜燃料电池系统中使用的制氢重整器是一个非均相固定床反应器，甲烷、甲醇、大氢碳比的醇类液体等燃料进入制氢重整器中，在重整器内部催化剂床层的表面发生催化反应，完成催化重整制氢的过程。
上述燃料的催化重整制氢反应的要求是：反应介质为气相流体，控制重整催化剂床层维持性能适宜的温度(200～300℃)，同时也要控制重整器内部催化剂床层温度的分布均匀性，为了使催化重整制氢反应顺利、高效进行，设计燃料蒸发腔室结构与制氢重整器配套使用成为必然。
目前，可达到醇类液体燃料通过燃料蒸发腔室在进入制氢重整器之前由液态转变为气态，但气体燃料在进入制氢重整前的温度低，且低温区域容易在重整器燃料的入口处形成局部冷区，导致制氢重整器性能下降。
发明内容
根据上述提出的气体燃料在进入制氢重整前出现的低温区域容易形成局部冷区导致制氢重整器性能下降的技术问题，而提供一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构。本发明主要利用前后蒸发腔体使液体燃料在蒸发腔室中汽化，形成气体燃料，通过设置的热源对气体燃料加热，使流出的气体燃料温度保持在200～300℃，达到催化剂床层适宜的温度，避免出现冷区导致制氢效率下降的情况。
本发明采用的技术手段如下：
一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，所述燃料蒸发腔室由若干个单体燃料蒸发腔室叠加组成，所述单体燃料蒸发腔室的外形为圆柱体，与所述制氢重整器相匹配；
所述单体燃料蒸发腔室包括燃料进口、前蒸发腔体和后蒸发腔体，所述前蒸发腔体与所述后蒸发腔体呈背靠背式设置，所述前蒸发腔体和所述后蒸发腔体的中心分别设置有圆形通道，所述燃料进口设置在所述前蒸发腔体的上部。
进一步地，所述前蒸发腔体上设置有多级环形流道结构，所述多级环形流道结构包括呈环形且依次连通的液体流股分散区和多级环形流道。
进一步地，所述液体流股分散区分为重力叠加离心破流区和静压势能破流区，所述静压势能破流区靠近所述圆形通道的中心，所述重力叠加离心破流区位于所述静压势能破流区外侧，所述液体流股分散区在流道内设置有若干柱体。
进一步地，所述前蒸发腔体上设置前蒸发腔体燃料出口，所述前蒸发腔体燃料出口的横截面为两个不连通的半圆弧组成，位于所述多级环形流道的尾部，并与所述多级环形流道连通。
进一步地，所述后蒸发腔体内部设置有多级单向流道和正向增压瓣膜结构，若干个所述正向增压瓣膜结构沿气体流动方向设置在所述多级单向流道的内壁上。
进一步地，所述后蒸发腔体内部设置有后蒸发腔体燃料进口，所述后蒸发腔体燃料进口与所述前蒸发腔体燃料出口相匹配。
进一步地，所述圆形通道上装配外接热源，用于为所述前蒸发腔体和所述后蒸发腔体同时提供热能。
进一步地，所述单体燃料蒸发腔室外径范围是60mm～200mm，长度范围是10mm～100mm。
进一步地，所述重力叠加离心破流区和所述静压势能破流区内分别设置两行所述柱体，所述柱体为方形柱体。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，液体燃料在所述燃料蒸发腔室中由液态转变为饱和液相，再由饱和液相向汽液混合两相共存状态过渡，最后转变为气相，形成气体燃料，在转变过程中提升燃料的温度，并在进入制氢重整器前达到催化剂床层适宜的温度，避免了气体燃料温度低在催化剂床层入口出现温度骤降而导致制氢性能和效率降低的情况。
2、本发明提供的一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，所述前蒸发腔体与所述后蒸发腔体呈背靠背设置，可缩小所述燃料蒸发腔室的体积，降低加工难度，还可增大液体燃料与腔体内表面的接触面积，提高空间利用率。
3、本发明提供的一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，利用所述多级环形流道结构可加快所述液体燃料汽化，提高蒸发速率，设置的所述正向增压瓣膜结构可在液体燃料单向流通的同时，利用空间结构的变化将蒸发汽在流道中不断的扩张压缩，使所述后蒸发腔体内的压差发生变化，从而起到增压加速正向流动的作用。
综上，应用本发明的技术方案主要利用前后蒸发腔体使液体燃料在蒸发腔室中汽化，形成气体燃料，通过热源对气体燃料加热，使流出的气体燃料温度达到催化剂床层适宜的温度，避免出现冷区导致制氢效率下降。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中的气体燃料在进入制氢重整前的低温度区域容易形成局部冷区导致制氢重整器性能下降的问题。
基于上述理由本发明可在燃料电池等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的燃料蒸发腔室的前轴侧视图。
图2为本发明所述的燃料蒸发腔室的后轴侧视图。
图3为本发明所述的前蒸发腔体正视图。
图4为本发明所述的后蒸发腔体正视图。
图5为本发明所述的液体流股分散区示意图。
图中：1、燃料进口；2、前蒸发腔体；3、后蒸发腔体；4、多级环形流道结构；5、正向增压瓣膜结构；6、圆形通道；7、重力叠加离心破流区；8、静压势能破流区；9、前蒸发腔体燃料出口；10、后蒸发腔体燃料进口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-5所示，本发明提供了一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，所述燃料蒸发腔室由若干个单体燃料蒸发腔室叠加组成，所述单体燃料蒸发腔室的外形为圆柱体，与所述制氢重整器相匹配，所述单体燃料蒸发腔室包括燃料进口1、前蒸发腔体2和后蒸发腔体3，所述前蒸发腔体2与所述后蒸发腔体3呈背靠背式设置，所述前蒸发腔体2和所述后蒸发腔体3的中心分别设置有圆形通道6，所述燃料进口1设置在所述前蒸发腔体2的上部。
所述燃料蒸发腔室是为所述制氢重整器提供气相燃料介质流体的部件，装配在所述制氢重整器介质流向的上游端，与所述制氢重整器的横截面积相匹配，若干个所述单体燃料蒸发腔室叠加形成多级所述燃料蒸发腔室，可根据所述制氢重整器所需的燃料处理量调整叠加的所述单体燃料蒸发腔室的数量，使所述燃料依次通过每一个所述单体燃料蒸发腔室，在经过处理后进入所述制氢重整器中。
所述前蒸发腔体2与所述后蒸发腔体3呈背靠背式设置，可缩小所述燃料蒸发腔室的体积，降低加工难度，还可增大液体燃料与腔体内表面的接触面积，提高空间利用率。
所述前蒸发腔体2上设置有前蒸发腔体燃料出口9和多级环形流道结构4，所述多级环形流道结构4包括呈环形且依次连通的液体流股分散区和多级环形流道。
所述前蒸发腔体燃料出口9的横截面为两个不连通的半圆弧组成，位于所述多级环形流道的尾部，并与所述多级环形流道连通。
所述液体流股分散区分为重力叠加离心破流区7和静压势能破流区8，所述静压势能破流区8靠近所述圆形通道的中心，所述重力叠加离心破流区7位于所述静压势能破流区8外侧，所述重力叠加离心破流区7和所述静压势能破流区8内分别设置有若干柱体，所述重力叠加离心破流区7与所述燃料进口1相通。
进一步地，所述重心叠加离心破流区7和所述静压势能破流区8内分别设置两行所述柱体，所述柱体为方形柱体。
所述多级环形流道结构4利用弯道环流原理，使沿流道曲线流动的液体燃料受重心和离心力的共同作用并形成螺旋流，加剧所述液体燃料与所述多级环形流道4内壁的碰撞，加快所述液体燃料汽化，提高蒸发速率。
所述后蒸发腔体3内部设置有多级单向环形流道、正向增压瓣膜结构5和后蒸发腔体燃料进口10，若干个所述正向增压瓣膜结构5沿气体流动方向设置在所述多级单向环形流道的内壁上，所述后蒸发腔体燃料进口10与所述前蒸发腔体燃料出口9相匹配。
所述燃料经过所述前蒸发腔体2的加热汽化后，通过所述前蒸发腔体燃料出口9和所述后蒸发腔体燃料进口10进入到所述后蒸发腔体中。
所述正向增压瓣膜结构5为“心脏瓣膜”的仿生结构，可在液体燃料单向流通的同时，利用空间结构的变化将蒸发汽在流道中不断的扩张压缩，使所述后蒸发腔体3内的压差发生变化，从而起到增压加速正向流动的作用。
进一步地，所述圆形通道6上装配外接热源，为所述前蒸发腔体2和所述后蒸发腔体3同时提供热能。
进一步地，所述单体燃料蒸发腔室的外径范围是60mm～200mm，长度范围是10mm～100mm。
所述液体燃料在所述燃料蒸发腔室中的流动路径如下：所述液体燃料从所述燃料进口1进入到所述前蒸发腔体2中，在所述液体流股分散区中由于受重力影响，所述液体燃料会垂直向下流动，同时还会受离心力作用，使所述液体燃料在进入所述重力叠加离心破流区7后被分散成不连续的小段液体流股，所述小段液体流股在进入所述静压势能破流区8后，凭借形成的液位势能逆向流过所述静压势能破流区8，并在流动过程中分散成小液珠，之后，所述小液珠进入到所述多级环形流道结构4中，所述小液珠沿着流道曲线流动，在重力与离心力的共同作用下形成螺旋流，加剧了所述小液珠与流道内壁的碰撞接触，即增加了流体的紊乱度提高总换热系数，使所述小液珠加速升温汽化形成气体燃料，所述气体燃料在依次经过前蒸发腔体燃料出口9、后蒸发腔体燃料进口10和后蒸发腔体3的过程中不断升温，使所述气体燃料体积膨胀从而推动所述后蒸发腔体3中的气体向前流动，到达所述正向增压瓣膜结构5区后，利用空间结构的变化使所述气体燃料在流道中不断扩张、压缩，产生压差变化，加快所述气体燃料的正向流动速率，最后流出所述后蒸发腔体3的所述气体燃料完全为气相状态，且整体温度维持在200～300℃，达到制氢重整器内催化床层适宜的温度范围。
液体燃料在所述燃料蒸发腔室中由液态转变为饱和液相，再由饱和液相向汽液混合两相共存状态过渡，最后转变为气相，形成气体燃料，在转变过程中提升燃料的温度，并在进入制氢重整器前达到催化剂床层适宜的温度，避免了气体燃料温度低在催化剂床层入口出现温度骤降的情况，温度骤降会形成冷区导致制氢性能和效率降低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，其特征在于，所述燃料蒸发腔室由若干个单体燃料蒸发腔室叠加组成，所述单体燃料蒸发腔室的外形为圆柱体，与所述制氢重整器相匹配；
所述单体燃料蒸发腔室包括燃料进口、前蒸发腔体和后蒸发腔体，所述前蒸发腔体与所述后蒸发腔体呈背靠背式设置，所述前蒸发腔体和所述后蒸发腔体的中心分别设置有圆形通道，所述燃料进口设置在所述前蒸发腔体的上部；
所述前蒸发腔体上设置有多级环形流道结构，所述多级环形流道结构包括呈环形且依次连通的液体流股分散区和多级环形流道；
所述液体流股分散区分为重力叠加离心破流区和静压势能破流区，所述静压势能破流区靠近所述圆形通道的中心，所述重力叠加离心破流区位于所述静压势能破流区外侧，所述液体流股分散区在流道内设置有若干柱体；
所述后蒸发腔体内部设置有多级单向流道和正向增压瓣膜结构，若干个所述正向增压瓣膜结构沿气体流动方向设置在所述多级单向流道的内壁上；
所述圆形通道上装配外接热源，用于为所述前蒸发腔体和所述后蒸发腔体同时提供热能。
2.根据权利要求1所述的配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，其特征在于，所述前蒸发腔体上设置前蒸发腔体燃料出口，所述前蒸发腔体燃料出口的横截面为两个不连通的半圆弧组成，位于所述多级环形流道的尾部，并与所述多级环形流道连通。
3.根据权利要求1所述的配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，其特征在于，所述后蒸发腔体内部设置有后蒸发腔体燃料进口，所述后蒸发腔体燃料进口与所述前蒸发腔体燃料出口相匹配。
4.根据权利要求1所述的配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，其特征在于，所述单体燃料蒸发腔室外径范围是60mm～200mm，长度范围是10mm～100mm。
5.根据权利要求1所述的配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构，其特征在于，所述重力叠加离心破流区和所述静压势能破流区内分别设置两行所述柱体，所述柱体为方形柱体。
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