一种燃料电池空气侧预热的换热器及其应用

本发明属于高温烟气换热，具体涉及一种燃料电池空气侧预热的换热器及其应用。

背景技术：

1、燃料电池是一种能量转化率较高的新型发电技术。和传统的火力发电不同，燃料电池通过电化学反应，将燃料中储存的化学能直接转化成电能，该过程不仅有效解决了火力发电过程中由于能量多次转化而导致的高能量损耗问题，而且成功实现了低碳和“零”硫氧化合物及氮氧化物排放。燃料电池被誉为是最有可能替代传统汽车动力源的新型能源技术。在燃料电池系统中，空气供应系统的设计关乎到整个电池系统的运行性能。而换热器作为空气供应系统的重要组成部分，其作用在于实现低温空气和高温废气之间的换热，达到加热空气和系统能量高效利用的目的。百千瓦级燃料电池的工作温度最高可达800～900℃，空气温度过低会影响电池电化学反应速率和反应程度，进而影响电池的发电效率；空气温度过高则会使电池结构发生破坏，对燃料电池系统造成不可逆影响。换热器的传统制造工艺是铣削、钻孔和焊接铸造，其局限性阻碍了能够利用拓扑方面来增强热性能的几何复杂热沉的发展。在焊接过程中，焊接接头处未焊透，又未进行焊缝探伤检查、爆破试验，会导致焊接接头泄漏或产生疲劳断裂，进而大量易燃易爆流体溢出，发生爆炸。此外，组装式加工换热器会由于操作温度升高，导致螺栓伸长，紧固部位松动，引起法兰泄露、流体流动不均匀和换热器换热效率降低等一系列问题。因此，如何将低温空气加热至合适的温度是目前燃料电池系统设计的关键问题之一，设计一款适用于百千瓦级燃料电池系统空气预热的换热器成为一种必须。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池空气侧预热的换热器及其应用，用于解决现有技术中存在的换热器结构不紧凑、换热效率一般和流体分配不均匀等问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种燃料电池空气侧预热的换热器，包括冷流体入口及分流装置、热流体入口及分流装置、换热器热芯、冷流体出口及汇流装置和热流体出口及汇流装置；所述换热器热芯内设置有冷翅片通道和热翅片通道；所述冷翅片通道和热翅片通道穿插设置；

4、冷热流体分别通过管路经过所述冷流体进口及分流装置和热流体进口及分流装置，产生分流后的冷流体和分流后的热流体；

5、分流后的冷流体和分流后的热流体通过管路与换热器热芯连通，分别经过冷翅片通道和热翅片通道进行换热，进行换热后，分别从冷流体出口及汇流装置和热流体出口及汇流装置排出。进一步地，所述换热器热芯还包括上盖板和下盖板；所述冷翅片通道和热翅片通道穿插设置在上盖板和下盖板之间；

6、所述冷翅片通道和热翅片通道穿插设置的方式为，每两个冷翅片通道之间夹杂两个热翅片通道。

7、进一步地，所述冷翅片通道由若干个冷翅片通道单元依次排列组成；所述冷翅片通道单元包括若干冷流体肋片、冷流体通道和冷流体隔板；所述若干冷流体肋片间形成冷流体通道；所述冷流体隔板用于隔开不同的冷翅片通道；所述冷流体肋片具有平直多孔结构。

8、进一步地，所述热翅片通道由若干个热翅片通道单元依次排列组成；所述热翅片通道单元包括若干热流体肋片、热流体通道和热流体隔板；所述若干热流体肋片间形成热流体通道；所述热流体隔板用于隔开不同的热翅片通道；所述热流体肋片具有平直多孔结构。

9、进一步地，所述冷流体通道和热流体通道的截面形状均为长方形。

10、进一步地，所述冷流体入口及分流装置包括若干冷流体导流片和冷流体封头；所述每个冷流体导流片与一个冷流体封头连接；所述冷流体入口及分流装置通过管路分别和冷流体导流片、冷流体封头依次连接形成，产生若干束分流后的冷流体，若干束分流后的冷流体通过管路与冷翅片通道连接。

11、进一步地，所述热流体入口及分流装置包括若干热流体导流片和冷流体封头；所述每个热流体导流片与一个热流体封头连接；所述热流体入口及分流装置通过管路分别和热流体导流片、热流体封头依次连接形成，产生若干束分流后的热流体，若干束分流后的热流体通过管路与热翅片通道连接。

12、进一步地，所述冷流体经过冷流体入口及分流装置导入的方向与热流体经过热流体入口及分流装置导入的方向垂直；

13、当流体逆向流动时冷流体入口及分流装置和冷流体出口及汇流装置之间可互换；

14、所述换热器采用3d打印增材制造方法制备得到，材料为不锈钢。

15、进一步地，所述燃料电池空气侧预热的换热器报包括冷流体汇流装置、热流体汇流装置；所述分流后的冷流体和分流后的热流体通过管路与换热器热芯连通，分别经过冷翅片通道和热翅片通道进行换热，进行换热后，分别经过冷流体汇流装置、热流体汇流装置汇流后，从冷流体出口和热流体出口排出；

16、所述冷翅片通道和热翅片通道采用燕尾形封条。

17、本发明还公开了上述燃料电池空气侧预热的换热器的应用，所述燃料电池空气侧预热的换热器作为百千瓦级燃料电池系统的换热器。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明公开了一种燃料电池空气侧预热的换热器，主要包括换热器热芯和冷热流体分流装置，其中，换热器热芯内分别设置冷翅片通道和热翅片通道，冷热流体流经相应的冷热流体分流装置，均匀分配进入换热器热芯中的冷翅片通道和热翅片通道进行换热，在冷翅片通道和热翅片通道的作用下完成气气换热后，经导流片和封头汇流进入后续实验装置。本发明提出的冷流体分流装置和热流体分流装置，防止流体管路接触影响实际换热性能。

20、进一步地，本发明采用的冷流体分流装置和热流体分流装置可采用同向流或逆向流的流动形式，分流管和汇流管安置在分流装置中心，可以实现流体的均匀分配，使换热器获得更好的换热效果，强化传热。

21、进一步地，本发明的换热器热芯在上下端安置了盖板，有效地防止热芯主体与外界环境接触，从而避免了热芯的不必要换热，提高了换热效果。

22、进一步地，本发明翅片采用燕尾形封条，能够有效地聚集流体，将板束与工艺管道紧密连接在一起；本发明的冷翅片通道和热翅片通道形成的热芯翅片组合以两块冷流体翅片通道夹杂两块热流体翅片通道作为基本单元，翅片组合结构规律对称，有利于流体流动和温度场分布的均匀性，实现场协同效应，从而增强传热效果。

23、进一步地，本发明采用3d打印增材制造技术，不同于以往换热器加工采用的焊接形式，该技术是一种具有更高精度的加工方式，能够使换热器零件一体成型，有效解决了焊接加工制成的换热器在高温下的密封问题，是本发明的一大亮点。

24、本发明还公开了上述燃料电池空气侧预热的换热器作为百千瓦级燃料电池系统的换热器的应用，本发明适用于气气换热，由于两股流体之间对流换热系数的差异较小，因此采用平直多孔结构翅片，保证了在具有较小流动阻力的前提下，有效增加了对流换热面积，适用于百千瓦级燃料电池系统的换热器的换热。

技术特征：

1.一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，包括冷流体入口及分流装置(1)、热流体入口及分流装置(2)、换热器热芯(13)、冷流体出口及汇流装置(3)和热流体出口及汇流装置(4)；所述换热器热芯(13)内设置有冷翅片通道和热翅片通道；所述冷翅片通道和热翅片通道穿插设置；

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述换热器热芯(13)还包括上盖

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述冷翅片通道由若干个冷翅片通道单元依次排列组成；所述冷翅片通道单元包括若干冷流体肋片(12)、冷流体通道(11)和冷流体隔板(10)；所述若干冷流体肋片(12)间形成冷流体通道(11)；所述冷流体隔板(10)用于隔开不同的冷翅片通道；所述冷流体肋片(12)具有平直多孔结构。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述热翅片通道由若干个热翅片通道单元依次排列组成；所述热翅片通道单元包括若干热流体肋片(8)、热流体通道(9)和热流体隔板(7)；所述若干热流体肋片(8)间形成热流体通道(9)；所述热流体隔板(7)用于隔开不同的热翅片通道；所述热流体肋片(8)具有平直多孔结构。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述冷流体通道(11)和热流体通道(9)的截面形状均为长方形。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述冷流体入口及分流装置(1)包括若干冷流体导流片和冷流体封头；所述每个冷流体导流片与一个冷流体封头连接；所述冷流体入口及分流装置(1)通过管路分别和冷流体导流片、冷流体封头依次连接形成，产生若干束分流后的冷流体，若干束分流后的冷流体通过管路与冷翅片通道连接。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述热流体入口及分流装置(2)包括若干热流体导流片和冷流体封头；所述每个热流体导流片与一个热流体封头连接；所述热流体入口及分流装置(2)通过管路分别和热流体导流片、热流体封头依次连接形成，产生若干束分流后的热流体，若干束分流后的热流体通过管路与热翅片通道连接。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述冷流体经过冷流体入口及分流装置(1)导入的方向与热流体经过热流体入口及分流装置(2)导入的方向垂直；

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器，其特征在于，所述冷翅片通道和热翅片通道采用燕尾形封条。

10.权利要求1所述的一种燃料电池空气侧预热的换热器的应用，其特征在于，所述燃料电池空气侧预热的换热器作为百千瓦级燃料电池系统的换热器。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池空气侧预热的换热器及其应用，属于高温烟气换热技术领域。本发明公开的燃料电池空气侧预热的换热器，主要包括换热器热芯和冷热流体分流装置，其中，换热器热芯内分别设置冷翅片通道和热翅片通道，冷热流体流经相应的冷热流体分流装置，均匀分配进入换热器热芯中的冷翅片通道和热翅片通道进行换热，在冷翅片通道和热翅片通道的作用下完成气气换热后，经导流片和封头汇流进入后续实验装置。本发明提出的冷流体分流装置和热流体分流装置，防止流体管路接触影响实际换热性能。本发明适用于高温气气换热，由于两股流体之间对流换热系数的差异较小，因此采用平直多孔结构翅片，保证了在具有较小流动阻力的前提下，有效增加了对流换热面积。

技术研发人员：党政,祝稼昊,曹鹏昊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21