一种管壳式气化器

技术领域

本发明涉及液氢燃料电池供氢系统或液氢的气化设备领域，具体涉及一种管壳式气化器。

背景技术

碳排放过多导致的全球性变暖如今成为全人类共同面对的问题。随着我国经济社会的发展，机动车保有量迅速增加。据统计，截至2022年8月底，全国机动车保有量达4.08亿辆，其中汽车3.12亿辆，机动车尾气排放导致的环境污染严重影响人们的身体健康。随着人们环保意识的提高和氢能的发展，氢能已经成为代替化石燃料的极佳选择。

氢能是新能源革命的重要领域，而液是氢能利用的关键领域。氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的发电装置，氢燃料电池汽车具有动力强劲、启动速度快、安全可靠、经济节能、能量转化率高、噪声低、可实现低温冷启动等优点。液氢由于具有储氢密度大、能量密度高等特点。这就使得液氢成为氢燃料电池汽车最佳供氢方式。

在液氢燃料电池汽车中，液氢进入燃料电池之前要经过气化器汽化，转化为气态氢气，参与反应。目前常见的气化器有：开架式气化器、浸没燃烧式气化器、冷却液式气化器、缠绕管式气化器、水浴式气化器、空温式气化器等等，其中开架式汽化器易腐蚀，投资大；浸没燃烧式气化器易被腐蚀，操作费用较高；空温式气化器体积质量大，翅片易结冰，不稳定，维护困难。上述气化器大多用于LNG的汽化，液氢的汽化对于气化器的要求更高，现有技术的气化器无法满足车载液氢汽化的要求。另外，现有的气化器技术对于液氢汽化产生的冷能利用不足，造成能源利用率不够高和能源浪费的现象。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种管壳式气化器，使得-253℃下的液氢经过气化器汽化满足燃料电池使用的条件，并且通过冷却液对液氢汽化过程产生的大量冷能进行回收利用。解决了现存气化器质量较大、翅片易结冰、不稳定和不易维护的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种管壳式气化器，包括壳体、折流板、液氢气化管路、传感器控制组和阀门组；

所述壳体的上下表面内交替分布若干折流板，使壳体内腔构成S型换热通道；所述换热通道与循环的冷却液连通；

所述液氢气化管路用于将液氢通过换热汽化并输出；所述液氢气化管路包括第一管路和螺旋管路；若干所述第一管路周向分布在壳体内，且若干所述第一管路分别穿过若干折流板；相邻所述第一管路的一端通过U型管连通，使若干所述第一管路构成环形的盘管；所述环形的盘管的轴线位置设有螺旋管路；

所述传感器控制组和阀门组位于各个进出口，用于控制液氢、气氢和冷却液的流入流出；所述壳体底部安装固定装置，用于固定气化器。

进一步，所述壳体分别上设有液氢进口、冷却液出口、气氢出口和冷却液进口；所述液氢进口一端与供液氢设备连接，所述液氢进口另一端设有液氢分流装置；所述液氢分流装置分别与螺旋管路进口和环形的盘管进口连接；所述螺旋管路出口和环形的盘管出口交汇后与气氢出口连接；所述冷却液进口与冷却液出口之间连通S型换热通道。

进一步，所述壳体为含有镁2.6％、锌5.7％的铝合金；所述壳体外缠绕碳纤维材料；所述冷却液为60％的乙二醇、39.6％的去离子水和0.4％的三氧化二铝混合物。

进一步，所述螺旋管路螺旋穿过若干折流板；所述螺旋管路为变螺距螺旋管。

进一步，靠近所述液氢进口的螺旋管路的螺距小于靠近所述气氢出口的螺旋管路的螺距。

进一步，靠近所述液氢进口的螺旋管路的螺距为40-50mm；靠近所述气氢出口的螺旋管路的螺距为50-60mm。

进一步，所述螺旋管路的螺旋沿液氢进口到气氢出口的方向逐渐变大。

进一步，所述阀门组包括布置在所述液氢进口的第一电磁阀和安全阀、布置在气氢出口的第二电磁阀；所述第一电磁阀用于控制壳体输入液氢的流量，所述第二电磁阀用于控制壳体输出气氢的流量；所述冷却液进口与泵连通；

所述传感器控制组包括布置在所述冷却液出口的第一温度传感器、布置在所述气氢出口的第二温度传感器和压力传感器和控制器；控制器根据第一温度传感器的测量值，通过控制泵的转速，用于控制所述冷却液进口的流量；所述控制器根据第二温度传感器和压力传感器的测量值，通过控制第二电磁阀，用于控制所述气氢出口的流量。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的管壳式气化器，相较于以往传统的的气化器，在壳体内设有环形的盘管和螺旋管路，这样液氢汽化更加充分，具有汽化换热效果好、使用寿命长、质量轻、防腐蚀、工作稳定、安全性高和维护方便等优点。

2.本发明所述的管壳式气化器，实现了液氢汽化过程中冷能的高效利用，提高了燃料电池热效率，实现冷能和热管理系统交互。

3.本发明所述的管壳式气化器，采用钛合金(含铁量为0.095％、含氧量为0.08％、含氢量为0.0009％、含氮量为0.0062％)、高强度铝合金(镁2.6％、锌5.7％)、碳纤维和锌铬涂层，实现了气化器轻量化和防腐蚀，本发明所采用的的冷却液为60％的乙二醇、39.6％的去离子水和0.4％的三氧化二铝混合物，可以满足换热和能量交互需求，并且冷却液的性能也有提高。

4.本发明所述的管壳式气化器，采用并联双层双管的汽化管组布置形式，强化了传热效率，比传统气化器的换热效率提高50％，体积减少60％，所述的折流板布置形式，在强化冷却液与液氢充分均匀换热的同时，对汽化直管和气化器壳起到支撑作用，保证了气化器稳定工作，延长了气化器寿命。

5.本发明所述的管壳式气化器，通过环形的盘管和螺旋管路，由于螺旋管路位于环形的盘管中心内，环形的盘管的管路比螺旋管路长，这样环形的盘管内的液氢可以充分汽化，而螺旋管路虽然短，但是流速较快，会导致旋管路中存在未完全汽化的液氢，因此在环形的盘管和螺旋管路末端设有混合室，可以利用环形的盘管内充分汽化的液氢进一步汽化螺旋管路中输出的未完全汽化的液氢。而且通过控制器控制环形的盘管和螺旋管路内的流量不同，确保混合室输出的是完全汽化的液氢。此外所述螺旋管路的螺旋沿液氢进口到气氢出口的方向逐渐变大，或者靠近所述液氢进口的螺旋管路的螺距小于靠近所述气氢出口的螺旋管路的螺距，其目的是可以使螺旋管路末端的流速变慢，为了充分汽化螺旋管路内的液氢，减少未完全汽化的液氢。

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作简单地介绍，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的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的管壳式冷却液气化器工作原理图。

图2为本发明所述的上折流板侧视图。

图3为本发明所述的下折流板侧视图。

图4为本发明所述的液氢汽化管路工作原理图。

图5为本发明所述的液氢汽化管路直管连接原理图。

图6为本发明所述的液氢汽化管路直管与螺旋管工作原理图。

图中：

1-液氢；2-液氢进口；3-1-上折流板；3-2-下折流板；4-壳体；5-冷却液出口；6-换热后冷却液；7-气氢出口；8-气氢；9-冷却液进口；10-冷却液；11-1-第一管路；11-2-螺旋管路；12-固定装置；13-汽化管路接头；14-直管固定装置。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图3所示，本发明所述的管壳式气化器，包括壳体4、上折流板3-1、下折流板3-2、液氢气化管路、传感器控制组和阀门组；

所述壳体4的上下表面内交替分布若干上折流板3-1和下折流板3-2，使壳体4内腔构成S型换热通道；所述换热通道与循环的冷却液10连通；所述液氢气化管路用于将液氢通过换热汽化并输出；所述液氢气化管路包括第一管路11-1和螺旋管路11-2；若干所述第一管路11-1周向分布在壳体4内，且若干所述第一管路11-1分别穿过若干上折流板3-1和下折流板3-2；相邻所述第一管路11-1的一端通过U型管连通，使若干所述第一管路11-1构成环形的盘管；所述环形的盘管的轴线位置设有螺旋管路11-2，且所述螺旋管路11-2穿过若干上折流板3-1和下折流板3-2；所述壳体4底部安装固定装置12，用于固定气化器。液氢储罐的液氢1通过输送管道从液氢进口2进入气化器，通过液氢气化管路与提前进入的流动冷却液进行换热并汽化，达到汽化标准后经过气氢出口7输送到缓冲罐，进行压力和温度调整，使其达到燃料电池所需的压力和温度，从而供给燃料电池使用；所述的冷却液10流动在气化器的壳体4内，其经过换热后具有冷能从冷却液出口5输出，接入整车的热管理系统，实现换热和冷能利用；所述固定装置12与壳体4连接，将气化器稳定固定在安装的位置，保证气化器稳定运行；所述传感器控制组安装在各个进出口，通过其控制冷却液和液氢的流量温度，以满足气化器运行要求，满足汽化氢气和冷却液输出条件。

所述壳体4分别上设有液氢进口2、冷却液出口5、气氢出口7和冷却液进口9；所述液氢进口2一端与供液氢设备连接，所述液氢进口2另一端设有液氢分流装置；所述液氢分流装置分别与螺旋管路11-2进口和环形的盘管进口连接；所述螺旋管路11-2出口和环形的盘管出口交汇后与气氢出口7连接；所述冷却液进口9与冷却液出口5之间连通S型换热通道。第一管路11-1通过直管固定装置14连接在上折流板3-1和下折流板3-2上，螺旋管路11-2焊接在上折流板3-1和下折流板3-2上。

所述壳体4为含有镁2.6％、锌5.7％的铝合金，可在满足要求的情况下降低了气化器质量，增强了气化器结构强度；所述壳体4外缠绕碳纤维材料，防止外部物品的意外碰撞和腐蚀，很好的保护气化器；所述冷却液10为60％的乙二醇、39.6％的去离子水和0.4％的三氧化二铝混合物。

所述螺旋管路11-2螺旋穿过若干折流板；所述螺旋管路11-2为变螺距螺旋管。靠近所述液氢进口2的螺旋管路11-2的螺距小于靠近所述气氢出口7的螺旋管路11-2的螺距。靠近所述液氢进口2的螺旋管路11-2的螺距为40-50mm；靠近所述气氢出口7的螺旋管路11-2的螺距为50-60mm。还可以所述螺旋管路11-2的螺旋沿液氢进口2到气氢出口7的方向逐渐变大。所述螺旋管路11-2的螺旋沿液氢进口到气氢出口的方向逐渐变大，或者靠近所述液氢进口的螺旋管路11-2的螺距小于靠近所述气氢出口的螺旋管路11-2的螺距，其目的是可以使螺旋管路11-2末端的流速变慢，为了充分汽化螺旋管路11-2内的液氢，减少未完全汽化的液氢。

由于螺旋管路11-2位于环形的盘管中心内，环形的盘管的管路比螺旋管路11-2长，这样环形的盘管内的液氢可以充分汽化，而螺旋管路11-2虽然短，但是流速较快，会导致螺旋管路11-2中存在未完全汽化的液氢，因此所述环形的盘管出口与螺旋管路11-2的出口在混合室内交汇，可以利用环形的盘管内充分汽化的液氢进一步汽化螺旋管路11-2中输出的未完全汽化的液氢。而且通过控制器控制环形的盘管和螺旋管路11-2内的流量不同，确保混合室输出的是完全汽化的液氢。

如图4、5、6所示，所述阀门组包括布置在所述液氢进口2的第一电磁阀和安全阀、布置在气氢出口7的第二电磁阀；在氢气泄露的情况下及时通过安全阀切断供氢；所述第一电磁阀用于控制壳体4输入液氢的流量，所述第二电磁阀用于控制壳体4输出气氢的流量；所述冷却液进口9与泵连通；所述传感器控制组包括布置在所述冷却液出口5的第一温度传感器、布置在所述气氢出口7的第二温度传感器和压力传感器和控制器；控制器根据第一温度传感器的测量值，通过控制泵的转速，用于控制所述冷却液进口9的流量；所述控制器根据第二温度传感器和压力传感器的测量值，通过控制第二电磁阀，用于控制所述气氢出口7的流量。

实施例1，如图1、图4、图5和图6所示，所述气化器尺寸为长1210mm、直径300mm、壳厚5mm的高强度铝合金(镁2.6％、锌5.7％)；所述固定装置12由不锈钢材料制成，所述的冷却液10为60％的乙二醇、39.6％的去离子水和0.4％的三氧化二铝混合物。所述第一管路11-1设置在Φ210mm的同心圆周布6条直径14mm、管厚2mm直管，相邻直管圆心角为60°，相邻所述第一管路11-1一端通过U型管连接，同时采用加固的钛合金U型管，从而避免腐蚀，同时，同心圆布置可以降低湍流对换热管振动的作用，增加气化器使用寿命；所述环形的盘管的连接顺序为：A(进)-B-C-D-E-F-G(出)；所述螺旋管路11-2的直径：160mm，管径：14mm，管厚：2mm，螺旋角：10°，设置20个螺距的螺旋管，前10个螺旋管路的螺距40-50mm，后10个螺旋管路的螺距50-60mm。所述螺旋管路11-2由钛合金制成，并内涂锌铬涂层，可以在保证换热和减轻质量的情况下，防止氢脆现象，延长了气化器寿命；所述汽化管路接头13和液氢分流装置接头都采用双卡套全金属接头，防止氢气泄露和氢脆。所述环形的盘管的G出口与螺旋管路11-2的出口在混合室内交汇，然后由气氢出口7输出气氢8。

工作原理为，液氢1从液氢进口2进入后，经液氢分流装置均匀进入并联的螺旋管路11-2和环形的盘管，外层为环形的盘管：从A进入经过一个U型管到B，再经过一个U型管到U依次到B-C-D-E-F-G然后到混合室；内层为螺旋管路11-2：沿着螺旋管路从左到右，并联的汽化管路在混合室汇合，在第二电磁阀的控制下将换热汽化后的气氢通过气氢出口7输出；由于液氢1在进入环形的盘管之后，可在较短距离便可以汽化为氢气，体积增加约为840倍，采用并联双管式的汽化管路，可以降低体积突然增大造成的压力，延长气化器使用寿命，而且保证了供氢充分。

如图2、3所示，所述上折流板3-1和下折流板3-2将壳体内划分为多个连通小空间，提高了冷却液的流速和换热效率；所述上折流板3-1、下折流板3-2和直管固定装置14都由铝合金制成并外涂锌铬涂层，减轻质量而且防止冷却液的腐蚀。所述折流板焊接在气化器壳上，上下分别均匀布置三个折流板3，保证了液氢1和冷却液10的充分换热汽化；折流板规格为Φ292mm×6mm，缺口高度h为70mm，保证冷却液10和液氢充分换热，避免在折流板和壳体4的相接处出现流速过慢而腐蚀设备的情况。

所述阀门组包括布置在所述液氢进口2的第一电磁阀和安全阀，气氢出口7的第二电磁阀，冷却液进口9的泵，第一电磁阀用于控制输入的流量，安全阀用于氢气泄漏时及时切断供氢，第二电磁阀用于控制输出的流量；所述冷却液进口9的泵，用于控制输入气化器壳程冷却液10的流量。

为了通过控制器控制环形的盘管和螺旋管路11-2内的流量不同，所述环形的盘管的进口设有第三电磁阀，所述螺旋管路11-2进口设有第四电磁阀，通过控制器控制第三电磁阀和第四电磁阀的开度，用于保证气氢出口7出口输出的充分汽化的液氢。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。