一种车载板壳式液氢汽化器

本发明涉及氢燃料电池汽车车载液氢储供系统中液氢的气化设备领域，具体涉及一种车载板壳式液氢汽化器。

背景技术：

1、氢能是双碳战略背景下重要的可再生能源，氢燃料电池汽车作为氢能的重要应用场景，也是新能源汽车发展的重要技术方向，具有车辆使用阶段“零排放”、能源利用率高、续驶里程长等优势。利用可再生能源制氢，燃料电池汽车能实现全生命周期零碳排放，因此燃料电池汽车逐渐成为解决交通领域减碳任务的重要手段。

2、液氢具有能量密度大、纯度高、适合长距离运输等优势，-253℃下的液氢密度为70.85kg/m3，约为标准状态下气态氢密度的800倍，约为70mpa、20℃状态下高压氢气1.7倍。液氢储运的储重比可超过10％，高于高压氢储运，在物流车、重卡及客车等长期规律运行且需要供氢量大的商用氢燃料电池车上，更适合采用车载液氢供氢系统。

3、目前的车载液氢汽化器多采用管壳式的设计思路，存在换热效率低、体积占用大等弊端，不适用于车载情况。然而传统的板壳式汽化器无法实现避免将未汽化的液氢输出，这样导致后期管路输送中存在安全隐患。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种车载板壳式液氢汽化器，使得-253℃下的液氢汽化后满足燃料电池使用的条件，解决了车载管壳式液氢汽化器空间占用大、承压能力差、可靠性低和不易维护的问题。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种车载板壳式液氢汽化器，所述气化器的壳体内包括换热流道和液氢汽化通道；所述液氢汽化通道包括横向通道和纵向通道，若干横向通道之间通过纵向通道连通；所述横向通道沿流向间隔设有若干凸起换热板壳腔，使横向通道流向的横截面积交替变化；所述液氢汽化通道的周边设有换热流道；所述换热流道与凸起换热板壳腔连通；在与出口连通的横向通道下方的液氢汽化通道中设有挡流板，用于阻止液氢进入与出口连通的横向通道，且气态氢气可通过挡流板进入与出口连通的横向通道。

4、进一步，所述换热流道与凸起换热板壳腔交汇处设有扰流凸台，通过使内部循环水的产生扰动，从而加强循环水与板壳腔内的氢气换热，提升换热效率。

5、进一步，所述扰流凸台为梯形凸台。

6、进一步，所述气化器的壳体一侧分别设有氢气出口和液氢进口，所述横向通道包括第一横向通道和第二横向通道；所述第一横向通道与液氢进口连通；所述第二横向通道与氢气出口连通；在所述第一横向通道与第二横向通道之间间隔设有若干纵向通道，若干所述纵向通道中设有挡流板；所述第一横向通道的壁面和第二横向通道的壁面分别沿流向间隔设有若干凸起换热板壳腔。

7、进一步，相邻所述纵向通道之间的距离沿第二横向通道的流向逐渐增大，有助于多段式分离气流，降低板壳内峰值气体压力，提升换热器稳定性。

8、进一步，在第一横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔形成的流通面积沿流向逐渐增大；在第二横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔形成的流通面积沿流向逐渐减小，符合气体温度流场分布规律，最大程度使板壳腔内氢气与外部循环水进行换热，升高板壳腔内氢气温度。最大程度升高出口处氢气的温度，降低出口处的最大氢气流速，提高换热器的效率和稳定。

9、进一步，所述挡流板为百叶形挡板结构，所述挡流板材料为有机高分子抗氢材料，有机高分子抗氢材料耐低温且不会增加过多重量，百叶形挡板结构能有效避免板壳腔内液氢未汽化就流向出口，鳞片开角30°，最大程度的预热板壳内汽化的氢气，因车载液氢储供系统中，汽化器后会连接高效换热器对氢气进行二次升温，故此处板壳式汽化器不用完全预热氢气，挡流版只需阻止液氢向上流出无需完全阻止氢气向上流动。

10、进一步，所述气化器的壳体外包裹树脂基碳纤维材料涂层，保护汽化器不会因为汽车震动发生意外磕碰，造成汽化器损坏，同时能够承受较高压力，提升汽化器安全性。

11、进一步，构成换热流道和液氢汽化通道的壁面材料为铜合金，防止发生氢脆的同时最大限度减小换热主体的热阻，提高汽化器的换热效率；所述换热流道和液氢汽化通道表面均涂覆达克罗涂层。

12、进一步，所述达克罗涂层由质量分数为0.3％的超细鳞片状锌、质量分数为0.2％的超细鳞片状铝、质量分数为98.2％的乙二醇溶剂、质量分数为0.7％的铬酸和质量分数为0.6％的增粘纤维素粉末组成，在不影响换热的情况下提升换热主体的抗氢抗腐蚀能力，同时能够防止换热主体发生氢气泄露。同时该涂层能沟将板壳腔内壁面表面粗糙度控制在0.5mm以内，有助于提升汽化器换热性能及稳定性。

13、一种车载液氢汽化系统，包括车载板壳式液氢汽化器、液氢储罐、安全阀、第一电磁阀、第二电磁阀、缓冲罐、循环水箱、循环水泵和燃料电池堆；所述板壳式液氢汽化器的换热流道与循环水箱、循环水泵构成闭环；所述液氢储罐依次通过安全阀、第一电磁阀与液氢进口连通；所述氢气出口连通二次换热器，所述二次换热器出口依次连通第二电磁阀、缓冲罐和燃料电池堆。

14、本发明的有益效果在于：

15、1.本发明所述的车载板壳式液氢汽化器，所述液氢汽化通道的周边设有换热流道；所述换热流道与凸起换热板壳腔连通；在与出口连通的横向通道下方的液氢汽化通道中设有挡流板，用于阻止液氢进入与出口连通的横向通道，且气态氢气可通过挡流板进入与出口连通的横向通道。

16、2.本发明所述的车载板壳式液氢汽化器，所述换热流道与凸起换热板壳腔交汇处设有扰流凸台，通过使内部循环水的产生扰动，从而加强循环水与板壳腔内的氢气换热，提升换热效率。

17、3.本发明所述的车载板壳式液氢汽化器，外壳为高强度铝合金，满足汽化器要求的同时减轻汽化器的重量，换热通道由铜合金焊接而成，内部涂有防氢脆防漏涂层，延长汽化器寿命。

18、4.本发明所述的车载板壳式液氢汽化器，能够实现液氢与循环水的高效换热，并能够良好的解决液氢相变后导致汽化器内管道压力过高导致换热器稳定性、安全性低的问题，同时占用空间小，且拆装简便，具有很强的实用和安全性能。

19、5.本发明所述的车载板壳式液氢汽化器，在第一横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔形成的流通面积沿流向逐渐增大；在第二横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔形成的流通面积沿流向逐渐减小，符合气体温度流场分布规律，最大程度使板壳腔内氢气与外部循环水进行换热，升高板壳腔内氢气温度。最大程度升高出口处氢气的温度，降低出口处的最大氢气流速，提高换热器的效率和稳定。

技术特征：

1.一种车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述汽化器的壳体内包括换热流道和液氢汽化通道；所述液氢汽化通道包括横向通道和纵向通道，若干横向通道之间通过纵向通道连通；所述横向通道沿流向间隔设有若干凸起换热板壳腔(14)，使横向通道流向的横截面积交替变化；所述液氢汽化通道的周边设有换热流道；所述换热流道与凸起换热板壳腔(14)连通；在与出口连通的横向通道下方的液氢汽化通道中设有挡流板(3)，用于阻止液氢进入与出口连通的横向通道，且气态氢气可通过挡流板(3)进入与出口连通的横向通道。

2.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述换热流道与凸起换热板壳腔(14)交汇处设有扰流凸台(7)，通过使内部循环水的产生扰动，用于提升换热效率。

3.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述扰流凸台(7)为梯形凸台。

4.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述气化器的壳体一侧分别设有氢气出口(5)和液氢进口(2)，所述横向通道包括第一横向通道和第二横向通道；所述第一横向通道与液氢进口(2)连通；所述第二横向通道与氢气出口(5)连通；在所述第一横向通道与第二横向通道之间间隔设有若干纵向通道，若干所述纵向通道中设有挡流板(3)；所述第一横向通道的壁面和第二横向通道的壁面分别沿流向间隔设有若干凸起换热板壳腔(14)。

5.根据权利要求4所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，相邻所述纵向通道之间的距离沿第二横向通道的流向逐渐增大。

6.根据权利要求4所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，在第一横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔(14)形成的流通面积沿流向逐渐增大；在第二横向通道内壁面的所述凸起换热板壳腔(14)形成的流通面积沿流向逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述挡流板(3)为百叶形挡板结构，所述挡流板(3)材料为有机高分子抗氢材料。

8.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，所述气化器的壳体外包裹树脂基碳纤维材料涂层。

9.根据权利要求1所述的车载板壳式液氢汽化器，其特征在于，构成换热流道和液氢汽化通道的壁面材料为铜合金；所述换热流道和液氢汽化通道表面均涂覆达克罗涂层；所述达克罗涂层由质量分数为0.3％的超细鳞片状锌、质量分数为0.2％的超细鳞片状铝、质量分数为98.2％的乙二醇溶剂、质量分数为0.7％的铬酸和质量分数为0.6％的增粘纤维素粉末组成。

10.一种车载液氢汽化系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的车载板壳式液氢汽化器(16)、液氢储罐(17)、安全阀(19)、第一电磁阀(20)、第二电磁阀(24)、缓冲罐(18)、循环水箱(23)、循环水泵(22)和燃料电池堆(21)；所述板壳式液氢汽化器(16)的换热流道与循环水箱(23)、循环水泵(22)构成闭环；所述液氢储罐(17)依次通过安全阀(19)、第一电磁阀(20)与液氢进口(2)连通；所述氢气出口(5)连通二次换热器(12)，所述二次换热器(12)出口依次连通第二电磁阀(24)、缓冲罐(18)和燃料电池堆(21)。

技术总结
本发明提供了一种车载板壳式液氢汽化器，所述气化器的壳体内包括换热流道和液氢汽化通道；所述液氢汽化通道包括横向通道和纵向通道，若干横向通道之间通过纵向通道连通；所述横向通道沿流向间隔设有若干凸起换热板壳腔，使横向通道流向的横截面积交替变化；所述液氢汽化通道的周边设有换热流道；所述换热流道与凸起换热板壳腔连通；在与出口连通的横向通道下方的液氢汽化通道中设有挡流板，用于阻止液氢进入与出口连通的横向通道，且气态氢气可通过挡流板进入与出口连通的横向通道。本发明解决了车载管壳式液氢汽化器空间占用大、承压能力差、可靠性低和不易维护的问题。

技术研发人员：尹必峰,邱豪,解玄,董非,贾和坤
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15