本發(fā)明屬于燃料電池部件的創(chuàng)新技術(shù)。確切的說，屬于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣液分離器和散熱器的創(chuàng)新技術(shù)。

背景技術(shù)：

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池以其能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、低噪音等諸多優(yōu)點成為新型能源研究熱點。其中低功率質(zhì)子交換膜燃料電池因其可對筆記本、手機等移動電器充電的便攜式電源更是市場前景相當可觀。

縮小體積始終是便攜式燃料電池系統(tǒng)優(yōu)化的目標，除有效利用空間外，系統(tǒng)內(nèi)部部件的小型化是便攜式燃料電池“瘦身”的根本解決途徑。目前，燃料電池散熱器一般采用金屬管帶式或者碳板板式等形式，因其散熱效果好、質(zhì)量輕而被廣泛應用，但其體積的優(yōu)化潛力有限，阻礙了便攜式燃料電池系統(tǒng)進一步壓縮體積的可能性。本發(fā)明不僅體積小，而且同時具備氣液分離器和散熱器兩種功能，凈減少一個部件的空間，大幅度縮小系統(tǒng)體積。

本發(fā)明的分離技術(shù)沒有采用在燃料電池上已普遍應用的重力分離原理，因為該技術(shù)對方向敏感度要求較高，不適用于便攜式燃料電池，而離心式分離技術(shù)是無方向敏感性的分離技術(shù)且分離效果較好，更適用于便攜式燃料電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池用微型散熱器，該散熱器體積小，卻同時具備氣液分離器和散熱器兩種功能；氣液分離效果較好；安裝于質(zhì)子交換膜燃料電池，可以有效回收熱能，提高燃料效率，并且可以利用系統(tǒng)余熱提高燃料電池電堆性能和增強系統(tǒng)的低溫環(huán)境適應性。

一種帶有氣液分離功能的微型散熱器，包括一帶有冷卻介質(zhì)進口和冷卻介質(zhì)出口的中空密閉容器，于中空密閉容器內(nèi)設有一二端開口的圓管，圓管按一圓心于同一平面內(nèi)從內(nèi)向外呈圓環(huán)狀盤繞，或圓管沿一軸線從下向上呈螺旋狀盤繞；于遠離圓心或軸線的盤繞圓管的側(cè)壁上沿切線方向設有2個以上的液體出口，液體出口流出的液體流動方向為液體出口盤繞圓管的切線方向；圓管的二開口端穿過中空密閉容器的壁面伸出至中空密閉容器外部。

液體出口通過引流管穿過中空密閉容器的壁面伸出至中空密閉容器外部。

于中空密閉容器內(nèi)部設有1個以上的折流板；管穿過折流板，圓管外壁面與折流板密閉連接；圓管按一圓心于同一平面內(nèi)從內(nèi)向外呈圓環(huán)狀盤繞，折流板垂直于盤繞圓管所在平面設置，1個以上的折流板使冷卻介質(zhì)于中空密閉容器內(nèi)往復流動，使由冷卻介質(zhì)進口流入中空密閉容器中的冷卻介質(zhì)依次經(jīng)過折流板的二側(cè)表面后由冷卻介質(zhì)出口流出；

或圓管沿一軸線從下向上呈螺旋狀盤繞，1個以上的折流板使冷卻介質(zhì)于中空密閉容器內(nèi)往復流動，使由冷卻介質(zhì)進口流入中空密閉容器中的冷卻介質(zhì)依次經(jīng)過折流板的二側(cè)表面后由冷卻介質(zhì)出口流出。

折流板的一端與中空密閉容器內(nèi)壁面間留有間隙，盛于的其它端部與中空密閉容器內(nèi)壁面密閉連接。

圓管按一圓心于同一平面內(nèi)從內(nèi)向外呈圓環(huán)狀盤繞，圓管靠近圓心的開口端為氣液 混合物料出口。

液體出口的直徑為1-10mm。

采用所述微型散熱器的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池電堆、燃料罐、空氣或氧氣氣源；

所述燃料罐與燃料電池電堆陽極進口管路連接；所述空氣或氧氣氣源與所述微型散熱器冷卻介質(zhì)進口相連通，所述冷卻介質(zhì)出口與燃料電池電堆陰極進口管路連接；所述燃料電池電堆陰極出口與所述微型散熱器圓管的一端相連通，所述微型散熱器圓管的另一端與大氣相連通；所述微型散熱器的液體出口經(jīng)管路與所述燃料罐或燃料源相連通。

所述燃料電池電堆陰極出口與所述微型散熱器呈圓環(huán)狀盤繞的圓管的外側(cè)開口端相連通，所述微型散熱器呈圓環(huán)狀盤繞的圓管的內(nèi)側(cè)開口端與大氣相連通；或所述燃料電池電堆陰極出口與所述微型散熱器呈螺旋狀盤繞的圓管的下端開口端相連通，所述微型散熱器呈圓螺旋盤繞的圓管的上端開口端與大氣相連通。

所述微型散熱器以不銹鋼或者其他傳熱系數(shù)高的耐腐材料為原料，應用盤管和焊接技術(shù)或3D打印技術(shù)實現(xiàn)。它的結(jié)構(gòu)分兩部分，帶有引流管的蚊香式盤管和和待有折流板的外殼，如圖1所示；盤管經(jīng)90度拐角垂直于盤管平面方向延伸出進口和出口，最外環(huán)延伸口為進口，最內(nèi)環(huán)延伸口為出口；引流管沿盤管切線方向插接盤管外壁，貫通于盤管，并經(jīng)90度拐角垂直于盤管平面延伸；相同高度和厚度折流板以等間隔外嵌于盤管，避開盤管進出口和引流管，奇數(shù)和偶數(shù)隔板分別向相反方向延長隔板高度的一半的距離；用長方體外殼封閉帶隔板的蚊香式盤管，平行于隔板的2個外殼板面和外側(cè)隔板的距離應與隔板間距相同，其他4個外殼板面與隔板垂直相接，隔板與外殼封閉的空間為蛇形通道，如圖2所示；外殼需要為蛇形通道進出口設置通孔并且為盤管進出口和引流管預留相對應的通孔。

上述盤管的壁厚可以設置0.05mm～0.3mm，管徑可設置1mm～10mm，盤管可設置環(huán)繞外徑3周～10周，環(huán)繞圓周外徑可設置30mm～200mm。

可以根據(jù)盤管的尺寸，布置多個折流板，可設置4～8個。隔板高度可以設置盤管管徑的2倍到3倍。

上述引流管可以至多每周設置1個，至少2周設置1個。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.采用本發(fā)明所述散熱器對燃料電池陰極的高溫氣液混合物進行分離，液態(tài)水由于離心力的作用在管路的外徑區(qū)域流動，經(jīng)圓管外徑設置多級的液態(tài)水排出口進入燃料罐或與所述燃料源相連通，提高了系統(tǒng)的氣液分離效率。

2.采用本發(fā)明所述散熱器對燃料電池陰極的高溫氣液混合物進行分離的同時，冷卻介質(zhì)即空氣或氧氣在為圓管內(nèi)流經(jīng)的高溫氣液混合物實現(xiàn)分離的同時實現(xiàn)了對空氣或者氧氣的預熱。較寬的腔室有益于冷卻氣體停留更長時間，在腔室內(nèi)與螺旋管外壁充分接觸，同時減小氣泵的壓頭，換熱效果好。

附圖說明

圖1.帶有引流管和隔板的蚊香式盤管示意圖；

圖2.散熱器剖視圖；

圖3.蚊香盤管及引流管內(nèi)瞬態(tài)氣液兩相分布圖；

圖4.散熱器縱截面速度分布圖；

圖5.散熱器橫截面溫度分布圖；

1.蚊香盤管；2.引流管；3.折流板；4.外殼；5.盤管進口；6.盤管出口；7.蛇形通道8.冷卻介質(zhì)進口；9.冷卻介質(zhì)出口。

具體實施方式

實施例：

散熱器的蚊香式盤管1、引流管2、折流板3和外殼4均以不銹鋼為原料，通過3D打印技術(shù)成型。盤管進口5是蚊香盤管1的最外環(huán)管道經(jīng)90度拐角垂直于蚊香盤管1平面方向延伸出來，盤管出口5是蚊香盤管1的最內(nèi)環(huán)管道經(jīng)90度拐角垂直于蚊香盤管1平面方向延伸出來，管壁厚0.3mm，管徑4mm，蚊香盤管1設置環(huán)繞5周，環(huán)繞圓周外徑可設置50mm；引流管2沿盤管切線方向插接盤管外壁，貫通于蚊香盤管1通道，并經(jīng)90度拐角垂直于蚊香盤管1平面延伸，每周設置1個，與蚊香盤管1進出口成一條直線，引流管2管壁0.2mm，引流管2管外徑1mm；4個隔板3嵌于盤管，間距14mm，高度為8mm，厚度為1mm，長度為66.5mm，盤管進出口和引流管2位于中間2個隔板3之間，奇數(shù)隔板3在一端長于偶數(shù)隔板4mm，在另一端短于偶數(shù)隔板4mm；用長方體外殼封閉帶隔板3的蚊香盤管1，形成等截面蛇形通道7；蛇形通道進口8和出口9通孔外徑5mm，引流管2沿外殼預留通孔引出。

本發(fā)明采用空氣冷卻方式散熱，蚊香盤管內(nèi)部通道連通燃料電池陰極的高溫蒸汽，蛇形通道連通燃料電池氣泵輸送的空氣，兩種介質(zhì)通過蚊香盤管管壁交換熱量；引流管回收蚊香盤管內(nèi)蒸汽冷凝后離心分離的液態(tài)流體。

散熱器以不銹鋼或者其他傳熱系數(shù)高的耐腐材料為原料，傳熱系數(shù)越高散熱效果越好；一體化加工技術(shù)如3D打印技術(shù)可以進一步提高散熱器的換熱效果。管壁越薄換熱效果越好，

蚊香盤管的外環(huán)管道先于內(nèi)環(huán)管道與冷卻氣體換熱，因此高溫蒸汽從蚊香盤管的最外環(huán)進入更有利于散熱，降溫后從最內(nèi)環(huán)流出；進出口管道經(jīng)90度拐角垂直于盤管平面方向延伸出來方便套聯(lián)通管連接其他部件。

蚊香盤管的管壁越薄，冷熱介質(zhì)的換熱效果越好；蚊香盤管的管徑根據(jù)燃料電池陰極流體的流量和散熱器的設計功率設置；盤管環(huán)繞周數(shù)越多散熱面接越大，但受限于系統(tǒng)留給散熱器的設計空間，且盤管間隔不宜小于盤管管道半徑，否則影響冷熱介質(zhì)的換熱效果。

引流管沿盤管切線方向插接盤管外壁，貫通于盤管，引流管內(nèi)壁中軸線與盤管切線方向平行且不影響盤管內(nèi)壁的平滑度，引導出離心分離的液體，排入系統(tǒng)的貯液腔室；引流管90度拐角垂直于盤管平面延伸方便套聯(lián)通管連接貯液腔室。根據(jù)冷凝水量，按旋轉(zhuǎn)周期設置引流管的位置，需避開隔板；引流管管徑不宜過大，否則會影響盤管內(nèi)壁的平滑度。

引流管將比熱容較大的冷凝液體周期性排出，減小盤管剩余氣液混合流體的平均比熱容，有益于進一步降低剩余氣液混合流體的溫度，提高冷凝效率；對于甲醇燃料電池，被排出的冷凝液體依然保持較高的溫度，排入貯液腔室后提高甲醇溶液的溫度，因此可以為陽極提供高溫預熱的燃料，提高電堆的性能。

隔板外嵌于盤管，增大了盤管的散熱面積，增強換熱效果；隔板等間距設置，間距和高度取決于散熱器的設計功率和燃料電池系統(tǒng)氣泵的流量；位置應避開盤管進出口和引流管；隔板交錯設置與外殼封閉形成等截面蛇形通道，隔板與外殼間隙不宜過小，否則會形成較大阻力，增大燃料電池系統(tǒng)功耗；蛇形通道進出口通孔需插接燃料電池系統(tǒng)氣泵的聯(lián)通管，引流管沿外殼預留通孔引出，連接縫隙需密封。

對于燃料電池系統(tǒng)，本發(fā)明具備氣液分離器和散熱器兩種功能，凈減少一個部件的空間，大幅度縮小系統(tǒng)體積。

經(jīng)過散熱器被加熱的空冷氣體，一部分氣體通入電堆陰極，可以提高陰極反應的速率、提高陰極溫度場的一致性、延長電堆的壽命，另一部分可以用來加熱電控室或者可充電電池，提高系統(tǒng)低溫環(huán)境適應性能力。

本發(fā)明的分離效果經(jīng)過了實驗驗證，圖3所示液態(tài)水由于離心力的作用在管路的外徑區(qū)域流動，冷凝水經(jīng)過了最外環(huán)排液口，大部分液態(tài)水沿此口流出，其余液態(tài)水隨氣態(tài)水蒸汽向下游流動。在下游，液態(tài)水出現(xiàn)了斷流，說明最外環(huán)排液口分離了較多的液態(tài)水，使后續(xù)的水量大幅減小，因此，證明了切線引流管路分離液態(tài)水的效果，并且內(nèi)三環(huán)設置的排液口會進一步分離液態(tài)水，提高氣液分離效率。

本發(fā)明的換熱能力經(jīng)過了實驗驗證，冷卻氣體經(jīng)過蛇形腔室，與螺旋管外壁接觸換熱。較寬的腔室有益于冷卻氣體停留更長時間，在腔室內(nèi)與螺旋管外壁充分接觸，同時減小氣泵的壓頭。如圖4，合適的腔室高度不僅保證分離器小體積的優(yōu)勢，而且從縱向剖面的速度云圖分析，各區(qū)域均勻的流場也有利于充分的散熱。圖5所示，水蒸氣從進口到出口下降41.2度，證明散熱器換熱效果較好。