CN103883426A - 一种基于斯特林发动机的散热器 - Google Patents

Abstract

一种基于斯特林发动机的散热器，包括斯特林发动机、热交换器和阴极物料散热器；热交换器将热量传递给斯特林发动机，斯特林发动机把热能转换成动能，带动飞轮转动，飞轮上的扇叶产生的气流辅助阴极物料散热器散热。本发明所述散热器应用于直接液体燃料电池***中时利用电堆阳极出口排出的物料携带的热量，为电堆阴极排出的物料散热。本发明所述散热器应用于氢氧质子交换膜燃料电池***中时利用电堆冷却水携带的热量，为电堆阴极排出的物料散热。应用本发明所述散热器有利于燃料电池电堆阴极水的回收，还可以节省电能。

Description

一种基于斯特林发动机的散热器

技术领域

本发明涉及散热器，具体地说是基于斯特林发动机的散热器及其在质子交换膜燃料电池***中的应用，主要用于排出燃料电池***的多余热量以及冷凝***产生的水蒸气，维持***的水热平衡。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装置。在质子交换膜燃料电池***运行过程中，一方面，由于电极反应产生大量的热，所以需要对***进行排热处理以避免因***过热导致的电池性能降低；另一方面，为维持***的水平衡，需要对***产生的水蒸气进行冷凝，回收液态水。因此，在质子交换膜燃料电池的***中，散热器是重要的部件之一。目前，应用于燃料电池***的散热器主要有板式、管式、管带式三种，通常在散热器上安装依靠电力驱动的风扇，以便调节散热功率。

主板制造商微星科技在2008年的CeBIT全球计算机展中展示出了无需电源的热动能散热器，利用芯片组产生的热量，通过斯特林发动机驱动风扇进行散热。此散热器的最大好处是无需任何电力供应，以节省能源消耗。但是燃料电池***的发热情况和芯片组的发热情况不同，热量并不是集中于某个部件的表面，散热器如果直接作用于燃料电池电堆会造成电堆温度不均，容易影响电堆性能。

中国发明专利02107057.1公开了一种复合能量发生装置，采用环状的固体电解质型燃料电池围住斯特林发动机的加热器，在加热器内放置催化剂，催化燃烧燃料电池排出的未反应的气体，燃料电池产生电能，同时燃料电池的热量以及催化燃烧产生的热量通过斯特林发动机转换成机械能。虽然将燃料电池的热量进行利用，但是该装置只适用于温度较高并且燃料废气可催化燃烧的燃料电池。

综合来看，为芯片组等电子元器件散热用的热动能散热器不适用于燃料电池***，把斯特林发动机和燃料电池组合起来的方式又有很多局限性。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，提供一种用于燃料电池***，特别是子交换膜燃料电池***的基于斯特林发动机的散热器。

为实现上述目的，本发明提供一种基于斯特林发动机的散热器，主要包括斯特林发动机、热交换器、阴极物料散热器。

于斯特林发动机的加热端设有热交换器、于斯特林发动机的曲柄传动轴的一端设有飞轮，飞轮的内部和/或外部径向安装有扇叶，构成一风扇形状的飞轮；飞轮远离曲柄传动轴的一侧设有散热器，飞轮上扇叶转动时产生的气流用于阴极物料散热器散热；热交换器将热量传递给斯特林发动机，斯特林发动机把热能转换成动能，驱动飞轮转动，从而辅助阴极物料散热器散热。

所述热交换器与斯特林发动机的置换器气缸下端紧密贴接；

所述阴极物料散热器固定于热交换器上，且与斯特林发动机上的飞轮正相对。

所述斯特林发动机为低温差γ型斯特林发动机，包括一置换器气缸，置换器气缸内设有置换器，置换器上端经置换器轴活动连接有置换器连杆，

于置换器气缸上部设有动力活塞气缸，动力活塞置于动力活塞气缸内部，动力活塞上端活动连接有动力活塞连杆，置换器连杆，和动力活塞连杆分别与曲柄传动轴活动连接；置换器与动力活塞保持90度相位角；曲柄传动轴置于曲柄传动轴支架上，曲柄传动轴的一端设有飞轮，飞轮的内部和/或外部径向安装有扇叶，构成一风扇形状的飞轮；

置换器气缸的下端作为置换器底板，其为斯特林发动机的加热端，置换器气缸的上端作为置换器顶板，其为斯特林发动机的散热端，置换器顶板上设有增强散热功能的翅片。

所述热交换器包括导热板及热交换器物料通道；热交换器物料通道的两端分别为热交换器物料入口和热交换器物料出口，高温物料通过热交换器物料入口进入热交换器物料通道，并通过热交换器物料通道将物料的热量传递给导热板，降温后的物料从热交换器物料出口排出热交换器。

所述散阴极物料热器为管带式散热器或翅片管式散热器，包括散热器物料通道、散热翅片；散热器物料通道具有散热器物料入口和散热器物料出口，高温物料通过散热器物料入口进入散热器物料通道，在飞轮的辅助下将散热器物料通道内物料的热量散发出去，冷却后的物料从散热器物料出口排出阴极物料散热器。

所述散热器可以作为直接液体燃料电池***散热器或氢氧质子交换膜燃料电池***散热器。

所述热交换器物料通道用于传输所述直接液体燃料电池***中电堆阳极出口排出的物料，或者用于传输所述氢氧质子交换膜燃料电池***中的电堆冷却水；所述阴极物料散热器用于传输所述直接液体燃料电池***或氢氧质子交换膜燃料电池***中电堆阴极出口排出的气液混合物。

将本发明所述基于斯特林发动机的散热器用作直接液体燃料电池***或氢氧质子交换膜燃料电池***散热器时，具有如下优势：

1.本发明所述基于斯特林发动机的散热器其结合了斯特林发动机的优点，具有理论热效率高，不需要燃料燃烧，且排放不受限制；

2.本发明所述基于斯特林发动机的散热器，其辅助散热部件即斯特林发动机中的飞轮转动时不需要供电电源，节省了燃料电池***的输出电能，降低了***的内耗；

3.本发明所述基于斯特林发动机的散热器，可以利用阳极物料携带的热量或阳极冷却水携带的热量驱动带有扇叶的飞轮为阴极物料散热，有利于保持燃料电池电堆的温度稳定，同时有利于阴极水的回收。

附图说明

图1本发明所述基于斯特林发动机的散热器结构示意图。其中101为斯特林发动机，102为热交换器，103为阴极物料散热器，104为热交换器物料入口，105为热交换器物料出口，106为散热器物料入口，107为散热器物料出口，108为飞轮，内部和/或外部径向安装有扇叶，109为散热器支架。斯特林发动机101固定在热交换器102的上表面，阴极物料散热器103通过支架109固定在热交换器102上。热交换器102将通过其内部的物料的热量传递给斯特林发动机101，斯特林发动机101把热能转换成动能，带动飞轮108旋转。飞轮108正对着阴极散热器103，在飞轮108转动时产生的气流的辅助下，阴极物料散热器103为通过其内部的物料散热。

图2本发明所述基于斯特林发动机的散热器中的斯特林发动机结构示意图。其中108为飞轮，201为置换器气缸，202为置换器，203为置换器底板，是斯特林发动机的加热端，采用导热性能良好的材料制成。204为置换器顶板，也是斯特林发动机的散热端，采用导热性能良好的材料制成，上面有增强散热功能的翅片。205为置换器轴，206为置换器连杆，207为动力活塞，208为动力活塞连杆，209为曲柄传动轴，210为曲柄传动轴支架，211为动力活塞气缸。本发动机属于低温差γ型斯特林发动机，冷却方式为自然空气冷却方式。

图3本发明所述基于斯特林发动机的散热器中的热交换器结构示意图。其中301为导热板，可由导热性能良好的材料制成。302为热交换器物料通道，可选用导热性能良好且耐腐蚀的导管，也可以通过机械加工的方式加工而成，热交换器物料通道302和导热板301紧密贴接。104为热交换器物料入口，105为热交换器物料出口。

图4本发明所述基于斯特林发动机的散热器中的阴极物料散热器结构示意图。其中401为散热翅片，402为散热器物料通道，106为散热器物料入口，107为散热器物料出口，109为散热器支架，支撑散热翅片401与散热器物料通道402，并将阴极物料散热器103固定在热交换器102上面。

具体实施方式

为进一步说明本发明，列举以下实施例。

实施例1

在一个功率为100W的直接甲醇燃料电池***中，燃料电池电堆的工作温度约为72°C。燃料电池电堆阳极物料为甲醇溶液，正常运行时甲醇溶液的温度大约等于燃料电池电堆的温度。甲醇溶液在循环泵的驱动下从电堆阳极出口流出后经热交换器物料入口104进入到热交换器102中。甲醇溶液流经热交换器物料通道302时将热量传递到导热板301上，再经过热交换器物料出口105流入到下一个部件。导热板301将热量传递给上面的斯特林发动机101。斯特林发动机101带动飞轮108旋转。在空气泵的驱动下燃料电池电堆阴极出口的水蒸气、二氧化碳、未反应的废气等经散热器物料入口106进入到阴极物料散热器103中。阴极物料流经散热器物料通道402的时候，在飞轮108的辅助下，将一部分热量散发出去。阴极物料再经过散热器物料出口107流入到下一个部件。使用本发明的散热器可以利用阳极物料携带的热量驱动具有扇叶的飞轮辅助阴极物料散热，节省电能的同时也为阳极物料散去一部分热量，有利于保持燃料电池电堆的温度稳定。

实施例2

在一个功率为25kW冷却水循环的氢氧燃料电池***中，阳极物料为氢气，阴极物料为空气，燃料电池电堆的工作温度约为72℃，采用冷却水循环的方式来维持热平衡。冷却水在冷却水泵的驱动下从燃料电池电堆冷却水出口经热交换器物料入口104进入到热交换器102中。冷却水流经热交换器物料通道302时将热量传递到导热板301上，再经过热交换器物料出口105流入到下一个部件。导热板301将热量传递给上面的斯特林发动机101。斯特林发动机101带动飞轮108旋转。在空气泵的驱动下燃料电池电堆阴极出口的水蒸气、未反应的废气等阴极物料经散热器物料入口106进入到阴极物料散热器103中。阴极物料流经散热器物料通道402的时候，在飞轮108的辅助下，将一部分热量散发出去。阴极物料再经过散热器物料出口107流入到下一个部件。使用本发明的散热器可以利用冷却水携带的热量驱动具有扇叶的飞轮辅助阴极物料散热，，即节省电能又有利于水的回收。

Claims (7)

1.一种基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：包括斯特林发动机（101），

于斯特林发动机（101）的加热端设有热交换器（102)、于斯特林发动机（101）的曲柄传动轴（209）的一端设有飞轮（108），飞轮（108）的内部和/或外部径向安装有扇叶，构成一风扇形状的飞轮；飞轮（108）远离曲柄传动轴的一侧设有散热器（103），飞轮（108）上扇叶转动时产生的气流用于阴极物料散热器（103）散热；热交换器（102）将热量传递给斯特林发动机（101），斯特林发动机（101）把热能转换成动能，驱动飞轮（108）转动，从而辅助阴极物料散热器（103）散热。

2.如权利要求1所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：

所述热交换器（102）与斯特林发动机（101）的置换器气缸（201）下端紧密贴接；

所述阴极物料散热器（103）固定于热交换器（102）上，且与斯特林发动机（101）上的飞轮（108）正相对。

3.如权利要求1所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：

所述斯特林发动机为低温差γ型斯特林发动机，包括一置换器气缸（201），置换器气缸（201）内设有置换器（202），置换器（202）上端经置换器轴（205）活动连接有置换器连杆（206），

于置换器气缸（201）上部设有动力活塞气缸（211），动力活塞（206）置于动力活塞气缸（211）内部，动力活塞（206）上端活动连接有动力活塞连杆（208），置换器连杆（206），和动力活塞连杆（208）分别与曲柄传动轴（209）活动连接；置换器（202）与动力活塞（206）保持90度相位角；曲柄传动轴（209）置于曲柄传动轴（210）支架上，曲柄传动轴（209）的一端设有飞轮（108），飞轮（108）的内部和/或外部径向安装有扇叶，构成一风扇形状的飞轮；

置换器气缸（201）的下端作为置换器底板（203），其为斯特林发动机的加热端，置换器气缸（201）的上端作为置换器顶板（204），其为斯特林发动机的散热端，置换器顶板（204）上设有增强散热功能的翅片。

4.如权利要求1所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：所述热交换器（102）包括导热板（301）及热交换器物料通道(302)；热交换器物料通道(302)的两端分别为热交换器物料入口（104）和热交换器物料出（105），高温物料通过热交换器物料入口（104）进入热交换器物料通道(302)，并通过热交换器物料通道(302)将物料的热量传递给导热板（301），降温后的物料从热交换器物料出口（105）排出热交换器（102）。

5.如权利要求1所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：所述散阴极物料热器（103）为管带式散热器或翅片管式散热器，包括散热器物料通道（402)、散热翅片（401）；散热器物料通道（402）具有散热器物料入口（106）和散热器物料出口（107），高温物料通过散热器物料入口（106）进入散热器物料通道（402），在飞轮（108）的辅助下将散热器物料通道（402）内物料的热量散发出去，冷却后的物料从散热器物料出口（107）排出阴极物料散热器（103）。

6.如权利要求1所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：所述散热器可以作为直接液体燃料电池***散热器或氢氧质子交换膜燃料电池***散热器。

7.如权利要求6所述基于斯特林发动机的散热器，其特征在于：所述热交换器物料通道(302)用于传输所述直接液体燃料电池***中电堆阳极出口排出的物料，或者用于传输所述氢氧质子交换膜燃料电池***中的电堆冷却水；所述阴极物料散热器（103）用于传输所述直接液体燃料电池***或氢氧质子交换膜燃料电池***中电堆阴极出口排出的气液混合物。

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