用於燃料電池的熱交換器的製作方法
2023-05-11 09:29:06
專利名稱：用於燃料電池的熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於燃料電池的熱交換器，更明確地說，涉及一種可根據燃料電池產生的熱量自動控制冷卻水水位的熱交換器。
背景技術：
燃料電池是通過化學反應將燃料的化學能直接轉化為電能的設備。因此，燃料電池是一種只要提供燃料就能發電的發電體。
圖1是用傳統燃料電池發電的原理示意圖。參考圖1，將含有氧的空氣提供給陰極1和含有氫的燃料提供給陽極3時，通過電解質膜2發生的水電解作用的逆反應產生電。但是，單元電池4產生的電的電壓通常不夠高，無法使用。因此，如圖2所示，在堆疊體(stack)10中串聯連接多個單元電池4。
在電化學反應期間，不僅發電，而且還產生熱。因此，為了使燃料電池平穩地工作，必須連續地散熱。據此，如圖2所示，在燃料電池中設有熱交換器20。參考圖2，在燃料電池的每一單元電池4中形成有用於流過進行熱量交換的冷卻水的流動通道4a。冷卻水在通過流動通道4a時吸收堆疊體10的熱量。吸收了熱量的冷卻水被熱交換器20中的二次冷卻水冷卻，並且通過堆疊體10的流動通道4a再循環。這時，冷卻水的循環不是通過附加的力來實現而是通過由於從周圍吸收的熱量而使沸水溢流的水自然對流來實現。例如，如圖3所示，當在流動通道4a中注入適當水位的冷卻水時，冷卻水開始吸熱，結果，冷卻水開始沸騰和溢流。冷卻水溢流進入熱交換器20，並被二次冷卻水冷卻。之後，冷卻水在堆疊體10中再循環。
但是，在很多情況下，燃料電池在比設計負荷更低的負荷下工作。這稱為部分負荷工作狀態，其中燃料電池產生比設計功率低的功率。在這種狀態下，發熱量減少，因此，冷卻水吸收的熱量也減少。於是，由於冷卻水沸騰不夠，不足以溢流，因而無法適當地實現冷卻水的傳送。在現有技術中，為了解決這個問題，用熱傳感器30來測量進入熱交換器20中的冷卻水的溫度。如果冷卻水的溫度低於設計值，即燃料電池在部分負荷工作狀態下工作，不進行冷卻操作，直到堆疊體10中冷卻水的溫度充分上升而可以通過閉合安裝在熱交換器20的冷卻水出口處的電磁閥40來使冷卻水循環為止。
但是，在這種方法中，冷卻水不溢流，而是上下波動，換句話說，在冷卻水的溫度上升到足以循環之前，堆疊體10中的水位將上下波動。因此，一些區域的流動通道4a在一段時間內不接觸冷卻水。結果，這些區域在一段時間內暴露於過熱蒸汽中，因此大大降低堆疊體10的耐熱性。
而且，這種系統需要複雜的控制裝置，例如用於測量溫度的熱傳感器30、用於封閉和開啟流動通道4a的電磁閥40、以及用於控制這些部件的控制器(未示出)。
發明內容
本發明的目的是提供一種用於燃料電池的熱交換器，該熱交換器具有簡單的、可以確保在部分負荷工作狀態下的燃料電池堆疊體的熱安全性的結構。
根據本發明的一方面，提供一種燃料電池的熱交換器，其包括外殼、移動板和彈性件，外殼具有連接到燃料電池的堆疊體的冷卻水入口和冷卻水出口；移動板在外殼中往復移動，當移動板朝一個方向移動時，其使注入外殼中的冷卻水經冷卻水出口排到堆疊體，當移動板朝相反方向移動時，其受到通過冷卻水入口進入的蒸汽壓力；彈性件沿所述一個方向對移動板施加彈力。
熱交換器還可以包括隔離件，用於將受到蒸汽壓力的移動板上部空間與受到彈性件的彈力的移動板下部空間隔開，以防止冷卻水在上部空間和下部空間之間流動。
隔離件可以包括插入移動板的邊緣部分中以密封移動板和外殼內壁之間的間隙的O形環，和一個覆蓋受到彈力的移動板下方的空間的隔板(diaphragm)或圍繞彈性件的波紋管。
外殼可以包括流動通道和空氣孔，流動通道用於通過與在堆疊體中循環的冷卻水進行熱交換的二次冷卻水，空氣孔可以形成在外殼內的、設有彈性件的區域中，使得空氣在外殼中起作用。
外殼和移動板可以從由不鏽鋼、橡膠和聚合物組成的組中選取的一種材料形成。
彈性件可以包括第一彈簧和第二彈簧，第一彈簧沿所述一個方向在整個移動距離內對移動板施加彈力，當移動板在所述相反方向向下移動預定距離時，第二彈簧對移動板施加彈力。
通過參考附圖對本發明的示例性實施方式進行詳細說明，本發明的所述和其它特點及優點將更加清晰。附圖中圖1是傳統燃料電池的發電原理示意圖；圖2是具有傳統熱交換器的燃料電池結構的透視圖；圖3是圖2所示的燃料電池堆疊體中的流動通道的局部透視圖；圖4是具有本發明一實施方式的熱交換器的燃料電池的剖切透視圖；圖5A和5B的橫截面圖分別示出了圖4所示熱交換器全負荷工作和部分負荷工作的情況；圖6是本發明另一實施方式的熱交換器的橫截面圖；圖7和8是圖4所示的燃料交換器的變換形式的局部透視圖。
具體實施例方式
現在將參考所示出的本發明示例性實施方式中的附圖更加詳細地說明本發明。
圖4是具有一本發明實施方式的熱交換器100的燃料電池的剖切透視圖。
參考圖4，熱交換器100包括外殼110、移動板120和彈簧130，外殼具有用於冷卻水沿形成於堆疊體10中的流動通道4a循環的入口111和出口112；移動板在外殼110中往復移動；彈簧是彈性件，並對移動板120施加彈力，以使其向上移動。
移動板120用作外殼110中、裝滿通過入口111進入的冷卻水的內部空間的底表面。移動板120的上表面受到從堆疊體10進入的蒸汽壓力，而移動板120的下表面受到彈簧130的彈力和通過空氣孔113的大氣壓力。因此，移動板120停在上表面上的蒸汽壓力和作用在下表面上的彈力之間達到平衡狀態的位置處。附圖標記140表示O形環，該O形環是用於隔離移動板120的上下空間並密封移動板120和外殼110內壁之間的間隙的零件。
當具有用於冷卻操作的熱交換器100的燃料電池處於全負荷狀態時，由於在堆疊體10中迅速產生熱量和外殼110中的蒸汽壓力提高，所以能平穩地傳送冷卻水。因此，如圖5A所示，移動板120處於略微壓縮彈簧130的平衡狀態。於是，冷卻水通過外殼110和堆疊體10之間的流動通道4a進行循環，並且在冷卻水和通過盤管狀流動通道150循環的二次冷卻水之間進行熱交換。
但是，在由於部分負荷工作而使堆疊體10中的發熱減少時，作用於外殼110中的蒸汽壓力也減小。在這種狀態下，壓在移動板120上的蒸汽壓力相對減小，於是，如圖5B所示，移動板120向上移動。因此，冷卻水的高度、也就是從作為底表面的移動板120到出口112的高度減小。結果，更多的冷卻水流入堆疊體10的流動通道4a。因此，在堆疊體10中的每個電池中注入的冷卻水的水位上升。因此，即使在堆疊體10中產生少量的熱，冷卻水也很容易沸騰並溢流，於是冷卻水可以流入熱交換器100的外殼110中。這樣，如果冷卻水的循環平穩，就沒有流動通道4a的區域暴露於過熱蒸汽中，從而可確保堆疊體10的安全性。
換句話說，本發明的熱交換器100不象現有技術中那樣，通過在測量冷卻水的溫度之後，利用控制器來控制閥的閉合或開啟來控制冷卻水的循環，而是在保持蒸汽壓力和彈簧130之間的機械平衡的同時，自動控制外殼110中的水位。因此，可以在不使用例如象現有技術中的熱傳感器30、閥和控制器的複雜電子設備的情況下，自動控制全負荷工作和部分負荷工作下產生的熱量差。
可以利用以下方程式計算在全負荷工作和部分負荷工作之間移動板120的移動距離ΔX。
ΔF＝kΔX＝A(Ph-Patm)其中F是作用力，k是彈簧130的彈性係數，A是移動板120的面積，Ph是蒸汽壓力，Patm是大氣壓。
外殼110和移動板120可以由如不鏽鋼、橡膠或聚合物之類的具有高耐熱性的材料形成。
圖6是本發明另一實施方式的熱交換器100′的橫截面圖。相同的附圖標記用於表示與圖4到5B所示的相同的零件。
本實施方式的熱交換器100′具有與熱交換器100基本相同的結構，即通過分別作用在移動板120的兩側上的蒸汽壓力和彈性件的彈力之間的平衡來控制水位。但是，圖6中的彈性件具有與前面實施方式不同的雙結構，其中組合了第一和第二彈簧131和132。也就是說，第一彈簧131象前面的實施方式那樣，在整個移動區域內對移動板120提供彈力。安裝第二彈簧132，從而在移動板120向下移動一定的距離時，即在移動板120由於蒸汽壓力增加而下降預定的距離時，對移動板120提供彈力。這是因為外殼110中的蒸汽壓力隨著堆疊體10中發熱增加而增加不是線性的，而呈拋物線形。在這種情況下，當蒸汽壓力由於堆疊體10中發熱的增加而迅速增加時，第二彈簧132的彈力加到第一彈簧131上。因此，可以避免移動板120的位置由於蒸汽壓力增加而快速改變。該結構的其餘部分和工作原理和前面的實施方式相同，因此不再贅述。
使用本發明的這種熱交換器100′可以在全負荷工作和部分負荷工作之間發熱量有差別的情況下自動控制水位，並且還可以防止移動板120的位置由於蒸汽壓力增加而快速改變，因而可進一步確保穩定控制。
在所述實施方式中，O形環140用作使蒸汽壓力區域和彈力區域隔開的零件，但是本發明不限於此。換句話說，可以使用圖7所示的隔板141或者圖8所示的波紋管142代替O形環140。
本發明的熱交換器具有以下優點。
第一，可以在不使用例如象現有技術中的熱傳感器、閥或控制器的複雜電子設備的情況下，控制由於在全負荷工作和部分負荷工作的發熱量之間的差別引起的水位變化。
第二，當燃料電池在部分負荷狀態下工作時，可以避免流動通道的區域暴露於過熱蒸汽中，因而可延長燃料電池的壽命。
儘管已參考示例性實施方式具體示出和說明了本發明，但是本領域技術人員可以理解，在不超出所附權利要求限定的本發明構思和保護範圍的前提下，可在形式和細節方面作出各種變。
權利要求
1.一種用於燃料電池的熱交換器，包括外殼，該外殼具有連接到所述燃料電池的堆疊體的冷卻水入口和冷卻水出口；移動板，該移動板在所述外殼中往復移動，當它沿一個方向移動時，注入所述外殼中的冷卻水通過所述冷卻水出口排到所述堆疊體中，而當沿相反方向上移動時，其受到通過所述冷卻水入口進入的蒸汽壓力；及彈性件，其沿所述一個方向對所述移動板施加彈力。
2.如權利要求1所述的熱交換器，其中，還包括將施加有蒸汽壓力的所述移動板的上部空間與施加有所述彈性件的彈力的所述移動板下部空間隔開的隔離件，以防止冷卻水在上部空間和下部空間之間流動。
3.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述隔離件包括O形環，該O形環被插入所述移動板的邊緣部分中，並密封所述移動板和外殼內壁之間的間隙。
4.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述隔離件包括隔板，該隔板覆蓋施加有彈力的所述移動板下方的空間。
5.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述隔離件是圍繞所述彈性件的波紋管。
6.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述外殼包括用於通過與在所述堆疊體中循環的冷卻水進行熱交換的二次冷卻水的流動通道。
7.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述外殼內在設置所述彈性件的區域中形成空氣孔，使空氣在外殼中起作用。
8.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述外殼和移動板從由不鏽鋼、橡膠和聚合物所組成的組中選取的一種材料構成。
9.如權利要求1所述的熱交換器，其中，所述彈性件包括第一彈簧和第二彈簧，該第一彈簧沿所述一個方向在整個移動距離內對所述移動板施加彈力，當所述移動板沿所述相反方向向下移動預定距離時，所述第二彈簧對所述移動板施加彈力。
全文摘要
本發明公開了一種可根據燃料電池的發熱量機械地自動控制冷卻水水位的熱交換器。該熱交換器包括有連接到燃料電池的堆疊體的冷卻水入口和冷卻水出口的外殼；在外殼中往復移動的移動板，當其沿一個方向移動時，使注入外殼中的冷卻水通過冷卻水出口排到堆疊體，當其沿相反方向上移動時，受到通過冷卻水入口進入的蒸汽壓力；和沿所述一個方向對移動板施加彈力的彈性件。本熱交換器可以在不使用如熱傳感器、閥或控制器之類的複雜電子設備的情況下，自動控制由於全負荷工作和部分負荷工作之間的發熱量之差別引起的冷卻水水位變化。當燃料電池在部分負荷狀態下工作時，還可避免流動通道的區域暴露於過熱蒸汽中，因而可延長燃料電池的壽命。
文檔編號H01M8/04GK101083328SQ20061015370
公開日2007年12月5日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年6月2日
發明者宋泰元, 李承宰 申請人:三星Sdi株式會社