氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置及换热冷却方法

1.本发明属于氢燃料电池用空冷换热装置，尤其涉及高海拔巡航氢燃料电池用的换热冷却结构及方法。


背景技术：

2.氢气作为可再生能源的一种，其生电化学反应产物仅为水，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几十年的长足发展，在交通运输领域目前已展露出巨大的应用前景，全球各大汽车和飞机企业皆有相应的预研项目，尤其在汽车领域，本田、丰田、上汽等行业巨头皆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。
3.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。
4.一般来说，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，成本低、体积小、重量低的冷却方案就显得尤为关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种基于高海拔巡航氢燃料电池驱动的航空器的特殊工作环境，为了实现有限空间内的低流阻高效冷却，用于提供氢燃料电池所需的高压空气，并将流动和换热有机结合达到强化换热的效果的一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，包括用于连接所述空压机出口和氢燃料电池电堆的空心筒体，空心筒体的空心腔体形成的通道为空气涵道，所述空心筒体的外侧为冷空气流通区域，所述空气涵道内的高温空气在空心筒体的筒壁与冷空气流通区域对流换热；由所述空压机出口排出的高温高压空气，在所述的空气涵道内通过换热冷却桁架进入氢燃料电池电堆，为氢燃料电池电堆增压；
7.所述的换热冷却桁架包括至少两个十字桁架，两个十字桁架依次排列设置在空气涵道内，且所述十字桁架的四个连接端点与所述空心筒体的内腔固连，所述四个连接端点设置在空心筒体的同一周面上；
8.所述的十字桁架是由至少两根桁架杆组成的，且在所述的高温高压空气的流动方向上，所述的十字桁架的中心交叉点位于所述四个连接端点的后方，使所述的十字桁架为中心突出的弯折十字桁架；
9.相邻两个所述的十字桁架，以所述中心交叉点为圆心的旋转错角为γ，γ为0
°
～45
°
；若所述桁架杆的直径为d，则所述相邻两个十字桁架的中心交叉点的距离l为：
10.d≤l≤10d。
11.进一步的，所述的十字桁架是由四根桁架杆组成，四根桁架杆的一端的相交固连形成所述的中心交叉点；所述的四根桁架杆分别为第一桁架杆、第二桁架杆、第三桁架杆以及第四桁架杆，其中第一桁架杆和第三桁架杆的中心轴位于同一平面，第二桁架杆和第四桁架杆的中心轴位于同一平面。
12.进一步的，在所述四根桁架杆相交一端上设有将交叉顶点处设有弯折连接坡角，使四根桁架杆的相交端形成连接缺口，在连接缺口上点焊设有以连接坡角的顶点为球心，直径为f的焊接球体，且所述焊接球体的直径f等于所述桁架杆的直径d。
13.进一步的，设所述桁架杆的直径为d，长度为h；所述空心筒体的直径为d，所述中心交叉点与连接端点的两个相邻连线之间的夹角为θ，θ角即为所述十字桁架的弯折倾角，且θ为0
°
～45
°
，则所述桁架杆的长度h和空心筒体直径d的关系为：
14.d/2＝h
×
cosθ。
15.进一步的，所述中心交叉点与连接端点的两个相邻连线之间的夹角θ为45
°
。
16.进一步的，所述桁架杆的直径为d与空心筒体的直径d比值变化范围为：0.15～0.4。
17.进一步的，所述的旋转错角为γ为45
°
。
18.进一步的，所述的空心筒体为圆柱体，空心筒体的空心腔体为圆柱形空腔；所述十字桁架的中心交叉点设置在所述空心筒体的中心轴线上。
19.进一步的，在所述空心筒体的空气入口段或者中间段或者出口段，所述的十字桁架在空心筒体内呈周期布置，布置周期距离为2l。根据实际工程需要，即可以根据所述的周期距离对十字结构进行加密布置，使各段换热能力不一致，从而提高温度均匀性。
20.本发明还提供一种所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置的换热冷冷却方法，
21.在所述的高温空气涵道中，高温高压空气气流直接冲击所述的桁架杆，在所述的桁架杆上气流发生扰动，形成绕柱气流，绕柱气流受到所述十字桁架的弯折倾角θ的影响，向空心筒体的内壁面偏转，将气流内部的热负荷带至壁面；
22.同时，所述的高温高压空气通过十字桁架与空心筒体的筒壁换热，也带走一部分热负荷，气流绕过桁架杆后产生湍流，增强热负荷的传递。
23.本发明的有益效果是：本发明筒体内部流动来自空气压缩机的高温高压空气，直接与主流高温空气接触，外部为正常换热气流，在筒体涵道内设有的错角弯折的十字桁架结构，一方面，可以对高温高压空气产生扰动，同时引导冷却空气贴向通道壁面，与壁面进行充分的换热，强化对流换热，起到降低流动阻力的作用，从而提高冷气利用效率；另一方面，阻隔了高温高压空气直接进入氢燃料电池反应堆，相当于对高温气体做了一部分预处理。同时，错角前弯十字架组合结构可以有效固定冷却通道，使得冷却结构具有较好的力学
性能，使得筒体对压缩后的高温高压空气的承载能力有相应的提升，增强其结构性能，提高空气压缩机和氢燃料电池之间高温空气通道的寿命和可靠性；
24.具体的两两十字桁架结构呈一定交错角度组合，直接作用即改变通道中高温流体的流动方向，引导其形成沿流动方向的旋流结构(longitudinal dispersion)，提高换热效果，可根据筒体入口处肋效率高，筒体出口处肋效率低的特点，能够快速冷却或快速加热的需要灵活设置，在所述入口处或在出口处增加固体率，可以增大设置密度，来达到均温的目的或换热最大化的目的；
25.同时，本发明基于高海拔巡航氢燃料电池驱动的航空器的特殊工作环境，基于强化流动和强化换热的特点，通过改变结构特点，将流动和换热有机结合达到强化换热的效果。此前没有针对于高海拔燃料电池空压机级间冷却的设计和方案；其次，错角前弯十字架组合结构也属于新型结构，此种错角组合形式也从未被提出；另外，冷却结构的功能梯度排列的冷却效果方面，仍比较缺乏研究，目前公开文献较少。通过数值计算，已证实本发明的结构具有非常显著的强化换热效果。
附图说明
26.图1为本发明的设置位置示意图；
27.图2为本发明十字桁架结构单元及其阵列示意图；
28.图3为本发明十字桁架结构单元结构示意图；
29.图4为本发明十字桁架结构单元剖视结构示意图；
30.图5为本发明空心筒体空腔内设有十字桁架的结构示意图；
31.图6为本发明十字桁架冷却结构剖面示意图；
32.图7为本发明十字桁架冷却结构局部耦合作用示意图；
33.图8为本发明十字桁架冷却结构内部空气流动结构图；
34.图9为本发明十字桁架冷却结构中间截面温度分布图；
35.图10为本发明实施例2十字桁架冷却结构的冷却效果云图。
36.图中：1.十字桁架；11.中心交叉点；12.连接端点；2桁架杆；21.第一桁架杆；22.第二桁架杆；23.第三桁架杆；24.第四桁架杆、25.弯折连接坡角；26.连接缺口；3.空心筒体；4.空气涵道；5.冷空气流通区域。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
38.为了实现上述目的，本发明提供一下具体实施方式：
39.实施例1：如图1-图6所示，一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，包括用于连接所述空压机出口和氢燃料电池电堆的空心筒体3，空心筒体3的空心腔体形成的通道为空气涵道4，所述空心筒体3的外侧为冷空气流通区域5，所述空气涵道4内的高温空气在空心筒体3的筒壁与冷空气流通区域5对流换热；由所述空压机出口排出的高温高压空气，在所述的空气涵道4内通过换热冷却桁架进入氢燃料电池电堆，为氢燃料电池电堆增压；
40.所述的换热冷却桁架包括至少两个十字桁架1，所述的十字桁架1是由四根桁架杆
2组成，四根桁架杆2的一端的相交固连形成所述的中心交叉点11；所述的空心筒体3为圆柱体，空心筒体3的空心腔体为圆柱形空腔；所述十字桁架1的中心交叉点11设置在所述空心筒体3的中心轴线上；
41.所述的四根桁架杆2分别为第一桁架杆21、第二桁架杆22、第三桁架杆23以及第四桁架杆24，其中第一桁架杆21和第三桁架杆23的中心轴位于同一平面，第二桁架杆22和第四桁架杆24的中心轴位于同一平面；两个十字桁架1依次排列设置在空气涵道4内，且所述十字桁架1的四个连接端点12与所述空心筒体3的内腔固连，所述四个连接端点12设置在空心筒体3的同一周面上；如图4所示，在所述四根桁架杆2相交一端上设有将交叉顶点处设有弯折连接坡角25，使四根桁架杆2的相交端形成连接缺口26，在连接缺口26上点焊设有以连接坡角25的顶点为球心，直径为f的焊接球体，且所述焊接球体的直径f等于所述桁架杆2的直径d。所述桁架杆2的直径为d与空心筒体3的直径d比值变化范围为：0.15～0.4。
42.所述的十字桁架1是由至少两根桁架杆2组成的，且在所述的高温高压空气的流动方向上，所述的十字桁架1的中心交叉点11位于所述四个连接端点12的后方，使所述的十字桁架1为中心突出的弯折十字桁架；
43.相邻两个所述的十字桁架1，以所述中心交叉点11为圆心的旋转错角为γ，γ为0
°
～45
°
；若所述桁架杆2的直径为d，则所述相邻两个十字桁架1的中心交叉点11的距离l为：
44.d≤l≤10d。
45.设所述桁架杆2的直径为d，长度为h；所述空心筒体3的直径为d，所述中心交叉点11与连接端点12的两个相邻连线之间的夹角为θ，θ角即为所述十字桁架1的弯折倾角，且θ为0
°
～45
°
，则所述桁架杆2的长度h和空心筒体3直径d的关系为：
46.d/2＝h
×
cosθ。
47.所述的十字桁架1和空心筒体3共同构成了空压机和氢燃料电池电堆之间的冷却结构：所述的十字桁架1按照布置周期沿流向布置排列，在冷却结构入口附近或者出口附近按照实际需求对错角前弯十字架组合结构进行加密或者稀疏。
48.参阅图1、图2、图4，来自空气压缩机的高温空气a的流动通道，外侧为冷空气流通区域5。空心筒体3内部均匀或功能梯度排列十字桁架1结构，每个十字桁架1与空心筒体3要求紧密相接，采取面接触的焊接形式固定，十字桁架1与空心筒体3的内壁固定，形成结构完整的一体化结构。
49.图2还展示了十字桁架1结构单元和阵列结构的排列方式，虚线框中为前十字桁架1的结构单元，由四根桁架杆交于一点，交点处处存在的缺口以交叉顶点为球心，补充为直径为d的球体，从而将四根桁架杆连接为一个整体。一般情况下，四根桁架杆具有相同的倾斜角度、长度和直径，构成前弯十字架结构，该结构也可以看作是其中一根桁架杆绕筒体中心线旋转而来。十字桁架1结构的末端与空心筒体3内壁相连，顶点位于空心筒体3中心线上，下一个十字桁架1结构由上一个十字桁架1结构旋转一定错角γ之后，沿空心筒体中心线平移得到，相邻前弯十字架结构在中心线上的间距l非恒定值。
50.随着其角度的变化，桁架杆2长度变化，导热能力变化，对流体的流动阻力也发生变化；直径的增加或减小影响了固体率以及与流体接触面积的变化，直径影响了流动阻力和换热性能的变化。阵列结构的疏密程度可以由十字桁架1单体的间距l来控制，当其间距为恒定值时，前弯十字架组合结构阵列即为规则的结构，而当阵列结构的形式发生变化时，
其对冲击射流的扰动混合也发生变化，导致内冷结构冷却效率的变化和冷气用量的变化。
51.本发明提供的错角前弯十字架组合结构的冷却结构，在实施时，一般用于高海拔巡航氢燃料电池驱动的航空器的空气压缩机和氢燃料电池反应堆之间，用于替换传统的空气压缩机压缩后的高压空气通道，尤其是本技术方案更适合压缩空气通道的高温段，因为采用了十字桁架1组合结构，一方面可以通过该结构产生扰流效果，强化了对流换热，提高了冷却效率；另一方面，均匀或功能梯度排列的前弯十字架结构在筒体内部，增强了筒体的结构性能，有效延长管道的使用时限。
52.实施例2：如图10所示，与实施例1相同，不同的是所述中心交叉点11与连接端点12的两个相邻连线之间的夹角θ为45
°
；所述的旋转错角为γ为45
°
；所述的夹角θ为45
°
时，可以更好的引导中心气流流向壁面，旋转错角γ为45
°
时，两个相邻十字前弯结构可以更均匀的扰动气流，且在所述空心筒体3的空气入口段或者中间段或者出口段，所述的十字桁架1在空心筒体3内呈周期布置，布置周期距离为2l，即根据所述的周期距离对十字结构进行加密布置，使各段换热能力不一致，从而提高温度均匀性。图10所示为壁面较低恒定温度下，热流体通过圆管而被降温的过程。可以看出，在主流高温空气的流动方向上，空心筒体3内通过十字桁架1结构，通过掺混内部流动结构有效降低了局部温度，并最终降低了出口处高温空气的温度。采用此结构的流动换热数据结果，给定条件：主流高温气体流速55m/s，温度150℃，壁面温度-40℃，获得出口气体温度约115℃，出入口压力差1.59kpa。
53.实施例3：如图7、图8、图9所示，本发明还提供一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置的换热冷却方法，在所述的高温空气涵道中，高温高压空气气流c1直接冲击所述的桁架杆，在所述的桁架杆上气流发生扰动，形成绕柱气流c2，绕柱气流c2受到所述十字桁架的弯折倾角θ的影响，向空心筒体的内壁面偏转，将气流内部的热负荷带至壁面；同时，所述的高温高压空气通过十字桁架与空心筒体的筒壁换热，也带走一部分热负荷，气流绕过桁架杆后产生湍流c3，增强热负荷的传递，在图7中可以看到，十字桁架1后边空气流线方向混乱，即为湍流c3；同时由图9中看出，沿着空心筒体3内的空气涵道4的流动方向上，压缩后的空气，在遇到本发明提供的装置后，温度逐渐降低，即有效安全的为氢燃料电池电堆使用的空气增压和降温。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，包括用于连接所述空压机出口和氢燃料电池电堆的空心筒体(3)，空心筒体(3)的空心腔体形成的通道为空气涵道(4)，所述空心筒体(3)的外侧为冷空气流通区域(5)，所述空气涵道(4)内的高温空气在空心筒体(3)的筒壁与冷空气流通区域(5)对流换热；由所述空压机出口排出的高温高压空气，在所述的空气涵道(4)内通过换热冷却桁架进入氢燃料电池电堆，为氢燃料电池电堆增压；所述的换热冷却桁架包括至少两个十字桁架(1)，两个十字桁架(1)依次排列设置在空气涵道(4)内，且所述十字桁架(1)的四个连接端点(12)与所述空心筒体(3)的内腔固连，所述四个连接端点(12)设置在空心筒体(3)的同一周面上；所述的十字桁架(1)是由至少两根桁架杆(2)组成的，且在所述的高温高压空气的流动方向上，所述的十字桁架(1)的中心交叉点(11)位于所述四个连接端点(12)的后方，使所述的十字桁架(1)为中心突出的弯折十字桁架；相邻两个所述的十字桁架(1)，以所述中心交叉点(11)为圆心的旋转错角为γ，γ为0
°
～45
°
；若所述桁架杆(2)的直径为d，则所述相邻两个十字桁架(1)的中心交叉点(11)的距离l为：d≤l≤10d。2.如权利要求1所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，所述的十字桁架(1)是由四根桁架杆(2)组成，四根桁架杆(2)的一端的相交固连形成所述的中心交叉点(11)；所述的四根桁架杆(2)分别为第一桁架杆(21)、第二桁架杆(22)、第三桁架杆(23)以及第四桁架杆(24)，其中第一桁架杆(21)和第三桁架杆(23)的中心轴位于同一平面，第二桁架杆(22)和第四桁架杆(24)的中心轴位于同一平面。3.如权利要求2所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，在所述四根桁架杆(2)相交一端上设有将交叉顶点处设有弯折连接坡角(25)，使四根桁架杆(2)的相交端形成连接缺口(26)，在连接缺口(26)上点焊设有以连接坡角(25)的顶点为球心，直径为f的焊接球体，且所述焊接球体的直径f等于所述桁架杆(2)的直径d。4.如权利要求1所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，设所述桁架杆(2)的直径为d，长度为h；所述空心筒体(3)的直径为d，所述中心交叉点(11)与连接端点(12)的两个相邻连线之间的夹角为θ，θ角即为所述十字桁架(1)的弯折倾角，且θ为0
°
～45
°
，则所述桁架杆(2)的长度h和空心筒体(3)直径d的关系为：d/2＝h
×
cosθ。5.如权利要求4所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，所述中心交叉点(11)与连接端点(12)的两个相邻连线之间的夹角θ为45
°
。6.如权利要求4所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，所述桁架杆(2)的直径为d与空心筒体(3)的直径d比值变化范围为：0.15～0.4。7.如权利要求1-6任一所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，所述的旋转错角为γ为45
°
。8.如权利要求1-6任一所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，所述的空心筒体(3)为圆柱体，空心筒体(3)的空心腔体为圆柱形空腔；所述十字桁架(1)的中心交叉点(11)设置在所述空心筒体(3)的中心轴线上。
9.如权利要求1-6任一所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，其特征在于，在所述空心筒体(3)的空气入口段或者中间段或者出口段，所述的十字桁架(1)在空心筒体(3)内呈周期布置，布置周期距离为2l。10.如权利要求1-9所述的氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置的换热冷冷却方法，其特征在于，在所述的高温空气涵道(4)中，高温高压空气气流(c1)直接冲击所述的桁架杆(2)，在所述的桁架杆(2)上气流发生扰动，形成绕柱气流(c2)，绕柱气流(c2)受到所述十字桁架(1)的弯折倾角θ的影响，向空心筒体(3)的内壁面偏转，将气流内部的热负荷带至壁面；同时，所述的高温高压空气通过十字桁架(1)与空心筒体(3)的筒壁换热，也带走一部分热负荷，气流绕过桁架杆(2)后产生湍流(c3)，增强热负荷的传递。

技术总结
本发明属于一种氢燃料电池与空压机级间的换热冷却装置，包括用于连接所述空压机出口和氢燃料电池电堆的空心筒体，由所述空压机出口排出的高温高压空气，在所述的空气涵道内通过换热冷却桁架进入氢燃料电池电堆，为氢燃料电池电堆增压；本发明提供的换热冷却桁架可以对高温高压空气产生扰动，同时引导冷却空气贴向通道壁面，与壁面进行充分的换热，强化对流换热，起到降低流动阻力的作用，从而提高冷气利用效率；同时，冷却结构具有较好的力学性能，使得筒体对压缩后的高温高压空气的承载能力有相应的提升，增强其结构性能，提高空气压缩机和氢燃料电池之间高温空气通道的寿命和可靠性。靠性。靠性。


技术研发人员：白晓辉 刘存良 徐慎忍 高渊博 张玉碧
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8