一種管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統中的應用的製作方法

2024-01-27 02:47:15 1

專利名稱：一種管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及管式換熱器，具體地說是管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統中 的應用，其主要是用於冷凝直接醇類燃料電池系統排出物中的水蒸汽，回收並循環使用冷 凝下來的液態水，排出系統的多餘熱量，維持系統的水熱平衡。
背景技術：
直接醇類燃料電池是將醇類燃料中的化學能直接轉化為電能的一種化學反應裝 置。由於醇類燃料的比能量高，燃料電池系統結構簡單等優點，該類電池在可攜式移動電源 領域具有廣闊的應用前景。在直接醇類燃料電池系統運行過程中，一方面，由於電極反應產生大量的熱，所以 需要對系統進行排熱處理以避免因系統過熱導致的電池性能降低；另一方面，為維持系統 的水平衡，需要對電堆陰極的排出物進行冷凝並回收其中的液態水。因此，在直接醇類燃料 電池的系統中，常常使用換熱器來解決上述問題以維持整個燃料電池系統的水熱平衡。然 而，作為可攜式移動電源，直接醇類燃料電池系統應具有體積小、重量輕等特點，這就對直 接醇類燃料電池系統用換熱器提出了高效、輕質的要求。目前，應用於直接醇類燃料電池系統的換熱器通常有板式換熱器和管式換熱器兩 種。板式換熱器通常是由不鏽鋼鋼片層疊堆積而成，當其應用在直接醇類燃料電池系統中 時，陰極流出物和冷卻空氣分別通過不鏽鋼鋼片的兩側，通過不鏽鋼鋼片交換熱量。該種換 熱器不易於與冷卻風扇集成為一體，需要額外的流量整形空間，從而導致體積增大。管式換 熱器通常是將不鏽鋼管彎曲成蛇形，但是由於易產生壓力降，所以鋼管的長度受限，換熱器 換熱效率較低。近年來，泡沫金屬作為一種質量輕、散熱性好、比表面積高的新型材料，它的應用 為改善傳統換熱器效率低、質量重、體積大的問題提供了一種新的解決途徑。中國專利200710135177. 0公開了一種板式換熱器，包括由換熱板和封頭構成的 至少兩個流體流通的流體通道，流體通道內設置有高導熱性的泡沫金屬。儘管該結構的板 式換熱器與平板式換熱器相比，換熱效果增強明顯，但其較大的體積及與冷凝風扇集成困 難等問題仍然不能滿足直接醇類燃料電池系統的需要。中國專利200810033289. 1公開了一種內襯泡沫金屬的翹片管式換熱器，包括管 外金屬翹片、金屬管和填充在金屬管中的泡沫金屬。儘管該換熱器可以提高換熱器管內換 熱性能，但多孔泡沫金屬的存在會在很大程度上增加液態水的流動阻力，從而影響系統中 液態水的回收和再利用。因此，這種類型的換熱器並不適合用於直接醇類燃料電池系統。中國專利200610105100. 6公開了一種管式換熱器，包括換熱管以及布置在換熱 管外表面的泡沫金屬和輔助換熱裝置。由於泡沫金屬附著在整個金屬管外壁上，增加了空 氣的流動阻力，使得輔助換熱裝置需要的消耗功率增大，降低了換熱效率。不適宜應用在直 接醇類燃料電池系統中。綜合來看，目前針對燃料電池系統水熱平衡問題而採用的換熱器換熱效率不高，體積較大，難於與輔助冷卻部件集成等問題仍然是阻礙直接醇類燃料電池系統應用的主要
障礙之一。

發明內容
本發明針對以上現有技術的不足，提供一種用於燃料電池系統，特別是直接醇類 (甲醇、乙醇、乙二醇等)燃料電池系統的換熱器。這種換熱器由耐腐蝕管和泡沫金屬製成， 具有結構緊湊，換熱效率高，質量輕，易於與輔助換熱設備集成，製造容易等優點。為實現上述目的，本發明提供一種管式換熱器。一種管式換熱器，包括耐腐蝕管和管外壁上固接的泡沫金屬構成。所述泡沫金屬為板狀結構，其作翅片固接於耐腐蝕管外壁上，形成翅片管式換熱 器；金屬管外側翅片由泡沫金屬製成，由於泡沫金屬具有孔隙率高、熱傳導性能好、質量輕 等特點，使得這種由泡沫金屬製成的翅片結構比傳統的金屬翅片結構在換熱器的應用上更 有優勢；上述泡沫金屬翅片與耐腐蝕管或通過焊接相連、或通過交聯劑相連、或通過加熱膨 脹方式連接。或者所述泡沫金屬為塊狀整體結構，耐腐蝕管穿置於塊狀泡沫金屬內部，最好於 所述塊狀泡沫金屬上開設有通孔，以增加其換熱效果。所述泡沫金屬可為具有良好導熱性能的材料，如Al、Cu、Ni或上述兩種或兩種以 上金屬的合金；所述耐腐蝕管的材料可為金屬361L，金屬304L，或陶瓷材料，或管內壁面 附著有金或銀薄膜鍍層的金屬材料。所述開孔泡沫金屬材料與耐腐蝕管的固接方式為焊接、通過具有良好導熱性的交 聯劑粘接、通過加熱或壓力膨脹擠壓固連為一體(即過贏配合聯接)。所述耐腐蝕管由二根或二根以上平行排列的細管構成，細管之間依次通過與細管 相同材料的短管焊接，所有的細管依次連接形成一連通的通路；耐腐蝕管平行排列，相鄰的 金屬管之間由不鏽鋼鋼管焊接連接形成一體化的流通通道，這種連接方式避免了直接彎成 蛇形管體積過大的問題；所述的管式換熱器用於直接醇類燃料電池系統中，以改善系統的水熱平衡，用作 為水熱管理的換熱器。當其應用在燃料電池系統中時，換熱器與燃料電池電堆的陰極相連 接。在燃料電池系統運行過程中，燃料電池陰極排出物通過金屬管通道的一端進入換熱器， 在換熱器外部風冷裝置的作用下，金屬管中的水蒸汽冷凝為液態水，從金屬管通道的另一 端流出換熱器，進入燃料電池集成系統中的下一個部件。上述換熱器，其用作直接醇類燃料電池系統中的換熱器時，具體應用方法為利用 電堆溫度和燃料混合腔內液位高度或空氣溼度聯合控制冷凝風扇的啟停，實現系統的水熱 平衡。本發明應用在燃料電池系統中時具有顯著的優點和積極的效果。由於燃料電池用 換熱器，其主要目的是排出燃料電池系統中的多餘熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝回 收，改善系統的水熱平衡。因此，其急需解決的問題是在維持換熱器體積重量足夠小的同時 提高換熱器的換熱效率，而提高換熱效率就要增大換熱面積。泡沫金屬作為一種質量輕、比 表面積大、熱傳導能力好的新型材料，可以滿足燃料電池用換熱器的要求。當將其用做換熱 器的翅片時，該換熱器與傳統金屬翅片換熱器相比，換熱器的換熱效果大幅度提高，換熱器的體積和重量明顯減小。


圖1本發明所述換熱器其泡沫金屬為板狀結構時的外觀結構示意圖；圖2本發明所述換熱器其泡沫金屬為塊狀整體結構時的外觀結構示意圖；圖3本發明所述換熱器耐腐蝕管的連接方式示意圖；圖4本發明所涉及的燃料電池系統的流程示意圖；圖中1為泡沫金屬；2為耐腐蝕不鏽鋼金屬細管；3為耐腐蝕不鏽鋼金屬短管；4 為塊狀泡沫金屬上的通孔；5為燃料電池電堆陰極空氣入口 ；5為；6為燃料電池電堆陽極； 7為燃料電池電堆陰極；8為燃料電池系統氣液分離器；9為燃料電池系統換熱器；10為風 扇；11為燃料電池系統氣液分離器的純甲醇入口。下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明。
具體實施例方式傳統的管式換熱器一般由換熱管、增強換熱原件和輔助換熱裝置組成，其中增強 換熱元件包括換熱管外的鋁箔、翅片，換熱管內的螺紋結構、擾流芯子等，作用都是增強換 熱。本發明所述換熱器主要用作燃料電池系統中，以達到改善系統的水熱平衡的目 的。其實現方式是通過排出系統中的多餘熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝成液態水並 回收利用。通常情況下，陰極排出物中的水量並不是很多，如果在換熱管內增強換熱則可能 導致液態水流通不暢，因此增大換熱管外的換熱面積是解決上述問題的途徑之一。但如果 利用傳統的方式(如增加金屬翅片)來提高管外換熱面積，那麼換熱器相應的體積重量就 要大幅度的提高，而泡沫金屬作為一種質量輕、比表面積大、熱傳導能力好的新型材料，可 以滿足燃料電池用換熱器翅片的要求。如圖1所示，為本發明所述換熱器其泡沫金屬為板狀結構時的外觀結構示意圖。 該換熱器包括六根平行排布的耐腐蝕不鏽鋼金屬細管2、五根不鏽鋼金屬短管3以及六片 泡沫金屬板1 ；泡沫金屬板作為翅片固接於金屬細管2外壁上，其與金屬細管2軸向垂直、 並沿金屬細管2軸向平行排布；按照圖3所示的方式將六根平行金屬細管2用金屬短管3 依次焊接，使六根平行的金屬管連接成一通路；每個泡沫金屬翅片的相同位置處都設置有與平行金屬管外直徑大小相同的孔，且 每個泡沫金屬翅片上都具有的六個孔。將六個平行的金屬管依次穿過六片泡沫金屬翅片上 的六個孔，保持六根平行金屬管兩端對齊，同時保證平行金屬管的一端與金屬翅片之間，每 兩個金屬翅片之間，金屬翅片與平行金屬管的另一端的距離相等。平行金屬管與泡沫金屬 翅片之間通過導熱性的交聯劑連接，形成翅片管式換熱器。如圖2所示，為本發明所述換熱器其泡沫金屬為塊狀整體結構時的外觀結構示意 圖。該換熱器包括塊狀泡沫金屬1六根平行排布的耐腐蝕不鏽鋼金屬細管2、五根不鏽鋼金 屬短管3，耐腐蝕管穿置於塊狀泡沫金屬1內部，塊狀泡沫金屬1上開設有若干個通孔4。如圖4所示，上述換熱器用在燃料電池系統中時，將換熱器金屬細管2的一端與燃 料電池電堆的陰極7相連接。當燃料電池系統運行時，燃料電池電堆陰極7的排出物通過
5系統中的連接管路進入換熱器9，同時在換熱器9外部設置有風扇10，金屬管中的水蒸汽在 風扇10的作用下冷凝為液態水，從金屬細管2通道的另一端流出換熱器9，進入燃料電池集 成系統中的下一個組成部件氣液分離器8。本發明採用泡沫金屬作為換熱器管外的換熱片，與耐腐蝕管通過焊接、膠粘、膨脹 連接等方式連接，利用空氣對燃料電池排出的水汽進行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空 氣溼度控制冷凝風扇的啟停，從而實現直接醇類燃料電池系統的水熱平衡。本發明與現有 技術相比，該方法有利於在環境溼度變化條件下維持燃料電池系統的水熱平衡，換熱器件 換熱效率高，體積小，重量輕，有利於提高系統的集成度，適用於需求高能量的應急電源、電 子產品電源及動力電源。以上所述的實施例只是為更好地闡明本發明而給出的較優選的具體實施方式
，本 領域的技術人員在本方案範圍內進行的細節、步驟、材料、部件的變化和替換都應包含在本 發明的保護範圍內。
權利要求
一種管式換熱器，其特徵在於包括耐腐蝕管和管外壁上固接的泡沫金屬構成。
2.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述泡沫金屬為板狀結構，其作翅片固接 於耐腐蝕管外壁上，形成翅片管式換熱器。
3.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述泡沫金屬為塊狀整體結構，耐腐蝕管 穿置於塊狀泡沫金屬內部。
4.如權利要求3所述的換熱器，其特徵在於所述塊狀泡沫金屬上開設有通孔。
5.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述泡沫金屬為Al、Cu、Ni或上述兩種或 兩種以上金屬的合金。
6.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述耐腐蝕管的材料為金屬361L，金屬 304L，或陶瓷材料，或管內壁面附著有金或銀薄膜鍍層的金屬材料。
7.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述開孔泡沫金屬材料與耐腐蝕管的固 接方式為焊接、通過具有良好導熱性的交聯劑粘接、通過加熱或壓力膨脹擠壓固連為一體。
8.如權利要求1所述的換熱器，其特徵在於所述耐腐蝕管由二根或二根以上平行排 列的細管構成，細管之間依次通過與細管相同材料的短管焊接，所有的細管依次連接形成 一連通的通路。
9.一種權利要求1所述的管式換熱器用於直接醇類燃料電池系統中，以改善系統的水 熱平衡。
全文摘要
本發明涉及管式換熱器，具體地說是管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統中的應用，採用泡沫金屬作為換熱器管外的換熱片，與耐腐蝕管通過焊接、膠粘、膨脹連接等方式連接，利用空氣對燃料電池排出的水汽進行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空氣溼度控制冷凝風扇的啟停，從而實現直接醇類燃料電池系統的水熱平衡。本發明與現有技術相比，該方法有利於在環境溼度變化條件下維持燃料電池系統的水熱平衡，換熱器件換熱效率高，體積小，重量輕，有利於提高系統的集成度，適用於需求高能量的應急電源、電子產品電源及動力電源。
文檔編號F28D1/04GK101943525SQ20091001246
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月10日 優先權日2009年7月10日
發明者孫公權, 孫海, 趙鋼, 陳利康 申請人:中國科學院大連化學物理研究所