本发明专利技术涉及一种氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置，包括空心筒体，及由空心筒体围成的空气涵道，空心筒体的外侧为冷空气流通区域，在所述的空气涵道内腔中设有螺旋换热增流结构，用于在高温高压空气经过空气涵道时，让高温高压空气能够在空气涵道内均匀换热并增大空气流量，从而有效降低氢燃料电池内部的热应力，提高输出功率；所述的螺旋换热增流结构包括至少相邻设置的两个螺旋翅片，螺旋翅片的螺旋延伸方向与所述高温高压空气的流动方向一致；螺旋翅片的螺旋外沿固连在空气涵道内腔壁上。本发明专利技术对螺旋换热增流结构进行设计，用以满足氢燃料电池与空压机级间增强换热和增流的实际需求。热和增流的实际需求。热和增流的实际需求。
【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置及方法
[0001]本专利技术涉及氢燃料电池领域，尤其涉及在氢燃料电池中的换热结构及换热方法。
技术介绍
[0002]氢气作为可再生能源的一种，其生电化学反应的产物仅为水，是实现无污染、零排放、碳中和的一种重要技术路径。以氢气为工质的燃料电池技术经过数十年的长期发展，在交通运输领域目前已具有广泛的应用前景，全球各大汽车和飞机企业皆有相应的研究，尤其在汽车领域，本田、丰田、上汽等行业巨头已在氢燃料电池汽车领域深耕多年，实现了部分量产。在航空领域，罗罗、空客、波音、德国宇航院、美国航空航天局等皆有氢燃料电池飞机和动力系统的预研投入。
[0003]氢燃料电池的核心组件之一为燃料电池电堆，有气源提供的氢气和环境中的含氧空气在燃料电池电堆中通过质子交换膜进行离子交换，实现电压的输出，类似于涡轮增压器通过提高空气压力来提高内燃机马力输出，氢燃料电池同样需要通过空气增压来满足功率输出的需求。
[0004]一般来说，氢燃料电池电堆的最佳工作压力为1.3大气压。对于汽车用氢燃料电池，空压机增压负荷较低。对于航空应用，由于高空大气稀薄，气压远低于地面。例如在20km高空，需要压比20的增压才能实现从环境大气增压至1.3大气压。一方面，亟需极高压比的空压机设计；另一方面，高压比随之带来高温增压空气需要经过高效的冷却才可进入燃料电池进行化学反应。因为对于航空用氢燃料电池空压机中的高效冷却结构就显得尤为关键。
[0005]目前所用冷却结构较为复杂，加工难度、成本均高，且偏重于换热能力，流动阻力一般较大，导致进入燃料电池的空气压力小，空气流量不够，不能为电池电堆中提供足够的压力和氧气量，进而无法满足氢燃料电池的功率输出，同时由于冷却结构的结构特殊性，还需要注重该结构的加工，加工复杂必然会导致成本的升高。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够在氢燃料电池与空压机级间均匀换热，并提高空气流量，增加了氢燃料电池电堆端的压力和氧气量的氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置及方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置，包括空心筒体，空气涵道入口和空气涵道出口分别设置在所述空心筒体的两端，由所述空心筒体围成的通道为空气涵道，空心筒体的外侧为冷空气流通区域，由空压机出口排出的高温高压空气由空气涵道入口进入空气涵道内并与冷空气流通区域的冷空气对流换热，最终由所述的空气涵道出口排出至氢燃料电池电堆；
[0008]在所述的空气涵道内腔中设有螺旋换热增流结构，用于在高温高压空气经过空气涵道时，让高温高压空气能够在空气涵道内均匀换热并增大空气流量，从而有效降低氢燃
料电池内部的热应力，提高输出功率；
[0009]所述的螺旋换热增流结构包括至少相邻设置的两个螺旋翅片，螺旋翅片为螺旋母线绕着空气涵道内腔轴线作螺旋运动，形成的螺旋曲面翅片，螺旋翅片的螺旋延伸方向与所述高温高压空气的流动方向一致；所述螺旋翅片的螺旋外沿固连在空气涵道内腔壁上。
[0010]进一步的，所述相邻两螺旋翅片的螺旋母线位于所述空心筒体剖面的内接圆半径上，螺旋母线之间的夹角为θ，螺旋翅片的设置数量为n，则：
[0011][0012]其中，所述的夹角θ为20
°
或30
°
或60
°
或72
°
或90
°
或180
°
，所述螺旋翅片设置的数量n越多，高温高压空气与所述螺旋换热增流结构的换热面积越大，换热能力就会越强，但在θ角过小，数量n过多时会增加流动阻力，无法实现增流效果；
[0013]同时，所述螺旋翅片的厚度为δ，设置数量为n；所述空气涵道的直径为D2，轴向长度为L，则所述螺旋翅片的总重量为：
[0014][0015]即在相同质量M条件下，所述夹角θ还决定着螺旋翅片厚度δ，则厚度δ取0.02D2～0.15D2，厚度δ越大，导热能力越强，进而能提升所述螺旋换热增流结构与高温高压空气间的间质换热。
[0016]进一步的，在所述螺旋翅片的数量大于三个时，两两相邻螺旋翅片螺旋母线之间的夹角θ相同。
[0017]进一步的，所述的螺旋翅片的设置数量为六个，同时，相邻两螺旋翅片螺旋母线之间的夹角为θ为60度。
[0018]进一步的，所述螺旋翅片的螺距P用于决定翅片的螺旋程度，当所述空气涵道的轴向长度为L时，则所述的螺距P表示为：
[0019]P＝L/N，
[0020]其中，N为所述螺旋翅片沿轴向旋转的圈数，且N为1～4；随着所述螺距P的减小，所述换热装置的换热能力在逐渐增强，但当螺距P过多减小时，也会增加流动阻力，无法实现增流效果。
[0021]进一步的，所述的螺旋翅片的轴向长度与所述空心筒体的长度匹配设置。
[0022]进一步的，所述的螺旋翅片在所述空气涵道的入口处厚度为0.11D2‑
0.2D2，所述空气涵道的直径为D2，在所述空气涵道出口处厚度减小至0.01D2‑
0.99D2，用于调控空气涵道轴向的换热强度，从而达到整体换热能力的提升或筒体壁面均温的目的。
[0023]进一步的，所述的螺旋翅片为螺旋母线绕着空气涵道内腔轴线作螺旋运动，形成的连续螺旋曲面翅片。
[0024]进一步的，所述的空心筒体为圆柱状，围成的空气涵道为圆柱状空心涵道，所述的螺旋翅片的螺旋母线与所述空气涵道的剖面半径重合且相等。
[0025]一种述的氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置的低阻力均匀换热方法，是在所述的空气涵道中，高温高压空气气流冲击到所述的螺旋换热增流结构的螺旋翅片上，在所述的螺旋翅片上的气流流向发生偏转，将高温高压气流与螺旋翅片之间的附
面层变薄，增大温度梯度，提升对流换热，同时，气流流向的偏转使得高温高压空气有径向的离心力，使高温高压空气在靠近空心筒体内壁面处的流速加快，从而提升了空心筒体壁面的换热。
[0026]本专利技术的有益效果是：本专利技术筒体内部流体来自空气压缩机的高温高压空气，直接与筒体接触，外部为低温换热气流，在筒体涵道内设有螺旋换热增流结构，产生的有益效果如下：
[0027]一、本专利技术在满足换热要求的同时，本专利技术提供的螺旋换热增流结构，其阻力主要为螺旋换热增流结构与高温高压空气间的粘性阻力，形状阻力极小，所以其能起到降低流阻的作用，从而使进入燃料电池的空气压力更大、流量更足，提高氧气利用率，使氢燃料电池化学反应更充分，输出功率更大，增强电池动力；
[0028]二、螺旋换热增流结构通过增强端壁换热和间质换热，能够有效降低高温高压气体的温度，使气体温度能降到氢燃料电池的使用标准以下，相当于对高温气体进行了预冷处理，对氢燃料电池进行了热保护，并且由于独特的换热机制，预冷后的气体温度均匀性较好，能有效降低氢燃料电池内部的热应力、延长电池使用寿命；
[0029]三、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置，其特征在于，包括空心筒体(1)，空气涵道入口(4)和空气涵道出口(5)分别设置在所述空心筒体(1)的两端，由所述空心筒体(1)围成的通道为空气涵道(2)，空心筒体(1)的外侧为冷空气流通区域(3)，由空压机出口排出的高温高压空气由空气涵道入口(4)进入空气涵道(2)内并与冷空气流通区域(3)的冷空气对流换热，最终由所述的空气涵道出口(5)排出至氢燃料电池电堆；在所述的空气涵道(2)内腔中设有螺旋换热增流结构，用于在高温高压空气经过空气涵道(2)时，让高温高压空气能够在空气涵道(2)内均匀换热并增大空气流量，从而有效降低氢燃料电池内部的热应力，提高输出功率；所述的螺旋换热增流结构包括至少相邻设置的两个螺旋翅片(6)，螺旋翅片(6)为螺旋母线绕着空气涵道(2)内腔轴线作螺旋运动，形成的螺旋曲面翅片，螺旋翅片(6)的螺旋延伸方向与所述高温高压空气的流动方向一致；所述螺旋翅片(6)的螺旋外沿固连在空气涵道(2)内腔壁上。2.如权利要求1所述的氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置，其特征在于，所述相邻两螺旋翅片(6)的螺旋母线位于所述空心筒体(1)剖面的内接圆半径上，螺旋母线之间的夹角为θ，螺旋翅片(6)的设置数量为n，则：其中，所述的夹角θ为20
°
或30
°
或60
°
或72
°
或90
°
或180
°
，所述螺旋翅片(6)设置的数量n越多，高温高压空气与所述螺旋换热增流结构的换热面积越大，换热能力就会越强，但在θ角过小，数量n过多时会增加流动阻力，无法实现增流效果；同时，所述螺旋翅片(6)的厚度为δ，设置数量为n；所述空气涵道(2)的直径为D2，轴向长度为L，则所述螺旋翅片(6)的总重量为：即在相同质量M条件下，所述夹角θ还决定着螺旋翅片厚度δ，则厚度δ取0.02D2～0.15D2，厚度δ越大，导热能力越强，进而能提升所述螺旋换热增流结构与高温高压空气间的间质换热。3.如权利要求2所述的氢燃料电池与空压机级间螺旋低阻力均匀换热装置，其特征在于，在所述螺旋翅片(6)的数量大于三个时，两两相邻螺旋翅片(6)螺旋母线之间的夹角θ相同。4.如权利要求2所述的氢燃...
【专利技术属性】
技术研发人员：白晓辉，张玉碧，高渊博，辛秋睿，刘存良，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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