CN100547839C - 用于燃料电池的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可根据燃料电池的发热量机械地自动控制冷却水水位的热交换器。该热交换器包括有连接到燃料电池的堆叠体的冷却水入口和冷却水出口的外壳；在外壳中往复移动的移动板，当其沿一个方向移动时，使注入外壳中的冷却水通过冷却水出口排到堆叠体，当其沿相反方向上移动时，受到通过冷却水入口进入的蒸汽压力；和沿所述一个方向对移动板施加弹力的弹性件。本热交换器可以在不使用如热传感器、阀或控制器之类的复杂电子设备的情况下，自动控制由于全负荷工作和部分负荷工作之间的发热量之差别引起的冷却水水位变化。当燃料电池在部分负荷状态下工作时，还可避免流动通道的区域暴露于过热蒸汽中，因而可延长燃料电池的寿命。

Description

用于燃料电池的热交换器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的热交换器，更明确地说，涉及一种可根据燃料电池产生的热量自动控制冷却水水位的热交换器。

背景技术

燃料电池是通过化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的设备。因此，燃料电池是一种只要提供燃料就能发电的发电体。

图1是用传统燃料电池发电的原理示意图。参考图1，将含有氧的空气提供给阴极1和含有氢的燃料提供给阳极3时，通过电解质膜2发生的水电解作用的逆反应产生电。但是，单元电池4产生的电的电压通常不够高，无法使用。因此，如图2所示，在堆叠体(stack)10中串联连接多个单元电池4。

在电化学反应期间，不仅发电，而且还产生热。因此，为了使燃料电池平稳地工作，必须连续地散热。据此，如图2所示，在燃料电池中设有热交换器20。参考图2，在燃料电池的每一单元电池4中形成有用于流过进行热量交换的冷却水的流动通道4a。冷却水在通过流动通道4a时吸收堆叠体10的热量。吸收了热量的冷却水被热交换器20中的二次冷却水冷却，并且通过堆叠体10的流动通道4a再循环。这时，冷却水的循环不是通过附加的力来实现而是通过由于从周围吸收的热量而使沸水溢流的水自然对流来实现。例如，如图3所示，当在流动通道4a中注入适当水位的冷却水时，冷却水开始吸热，结果，冷却水开始沸腾和溢流。冷却水溢流进入热交换器20，并被二次冷却水冷却。之后，冷却水在堆叠体10中再循环。

但是，在很多情况下，燃料电池在比设计负荷更低的负荷下工作。这称为部分负荷工作状态，其中燃料电池产生比设计功率低的功率。在这种状态下，发热量减少，因此，冷却水吸收的热量也减少。于是，由于冷却水沸腾不够，不足以溢流，因而无法适当地实现冷却水的传送。在现有技术中，为了解决这个问题，用热传感器30来测量进入热交换器20中的冷却水的温度。如果冷却水的温度低于设计值，即燃料电池在部分负荷工作状态下工作，不进行冷却操作，直到堆叠体10中冷却水的温度充分上升而可以通过闭合安装在热交换器20的冷却水出口处的电磁阀40来使冷却水循环为止。

但是，在这种方法中，冷却水不溢流，而是上下波动，换句话说，在冷却水的温度上升到足以循环之前，堆叠体10中的水位将上下波动。因此，一些区域的流动通道4a在一段时间内不接触冷却水。结果，这些区域在一段时间内暴露于过热蒸汽中，因此大大降低堆叠体10的耐热性。

而且，这种系统需要复杂的控制装置，例如用于测量温度的热传感器30、用于封闭和开启流动通道4a的电磁阀40、以及用于控制这些部件的控制器(未示出)。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃料电池的热交换器，该热交换器具有简单的、可以确保在部分负荷工作状态下的燃料电池堆叠体的热安全性的结构。

根据本发明的一方面，提供一种燃料电池的热交换器，其包括外壳、移动板和弹性件，外壳具有连接到燃料电池的堆叠体的冷却水入口和冷却水出口；移动板在外壳中往复移动，当移动板朝一个方向移动时，其使注入外壳中的冷却水经冷却水出口排到堆叠体，当移动板朝相反方向移动时，其受到通过冷却水入口进入的蒸汽压力；弹性件沿所述一个方向对移动板施加弹力。

热交换器还可以包括隔离件，用于将受到蒸汽压力的移动板上部空间与受到弹性件的弹力的移动板下部空间隔开，以防止冷却水在上部空间和下部空间之间流动。

隔离件可以包括插入移动板的边缘部分中以密封移动板和外壳内壁之间的间隙的O形环，和一个覆盖受到弹力的移动板下方的空间的隔板(diaphragm)或围绕弹性件的波纹管。

外壳可以包括流动通道和空气孔，流动通道用于通过与在堆叠体中循环的冷却水进行热交换的二次冷却水，空气孔可以形成在外壳内的、设有弹性件的区域中，使得空气在外壳中起作用。

外壳和移动板可以从由不锈钢、橡胶和聚合物组成的组中选取的一种材料形成。

弹性件可以包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧沿所述一个方向在整个移动距离内对移动板施加弹力，当移动板在所述相反方向向下移动预定距离时，第二弹簧对移动板施加弹力。

附图说明

通过参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的所述和其它特点及优点将更加清晰。附图中：

图1是传统燃料电池的发电原理示意图；

图2是具有传统热交换器的燃料电池结构的透视图；

图3是图2所示的燃料电池堆叠体中的流动通道的局部透视图；

图4是具有本发明一实施方式的热交换器的燃料电池的剖切透视图；

图5A和5B的横截面图分别示出了图4所示热交换器全负荷工作和部分负荷工作的情况；

图6是本发明另一实施方式的热交换器的横截面图；

图7和8是图4所示的燃料交换器的变换形式的局部透视图。

具体实施方式

现在将参考所示出的本发明示例性实施方式中的附图更加详细地说明本发明。

图4是具有一本发明实施方式的热交换器100的燃料电池的剖切透视图。

参考图4，热交换器100包括外壳110、移动板120和弹簧130，外壳具有用于冷却水沿形成于堆叠体10中的流动通道4a循环的入口111和出口112；移动板在外壳110中往复移动；弹簧是弹性件，并对移动板120施加弹力，以使其向上移动。

移动板120用作外壳110中、装满通过入口111进入的冷却水的内部空间的底表面。移动板120的上表面受到从堆叠体10进入的蒸汽压力，而移动板120的下表面受到弹簧130的弹力和通过空气孔113的大气压力。因此，移动板120停在上表面上的蒸汽压力和作用在下表面上的弹力之间达到平衡状态的位置处。附图标记140表示O形环，该O形环是用于隔离移动板120的上下空间并密封移动板120和外壳110内壁之间的间隙的零件。

当具有用于冷却操作的热交换器100的燃料电池处于全负荷状态时，由于在堆叠体10中迅速产生热量和外壳110中的蒸汽压力提高，所以能平稳地传送冷却水。因此，如图5A所示，移动板120处于略微压缩弹簧130的平衡状态。于是，冷却水通过外壳110和堆叠体10之间的流动通道4a进行循环，并且在冷却水和通过盘管状流动通道150循环的二次冷却水之间进行热交换。

但是，在由于部分负荷工作而使堆叠体10中的发热减少时，作用于外壳110中的蒸汽压力也减小。在这种状态下，压在移动板120上的蒸汽压力相对减小，于是，如图5B所示，移动板120向上移动。因此，冷却水的高度、也就是从作为底表面的移动板120到出口112的高度减小。结果，更多的冷却水流入堆叠体10的流动通道4a。因此，在堆叠体10中的每个电池中注入的冷却水的水位上升。因此，即使在堆叠体10中产生少量的热，冷却水也很容易沸腾并溢流，于是冷却水可以流入热交换器100的外壳110中。这样，如果冷却水的循环平稳，就没有流动通道4a的区域暴露于过热蒸汽中，从而可确保堆叠体10的安全性。

换句话说，本发明的热交换器100不象现有技术中那样，通过在测量冷却水的温度之后，利用控制器来控制阀的闭合或开启来控制冷却水的循环，而是在保持蒸汽压力和弹簧130之间的机械平衡的同时，自动控制外壳110中的水位。因此，可以在不使用例如象现有技术中的热传感器30、阀和控制器的复杂电子设备的情况下，自动控制全负荷工作和部分负荷工作下产生的热量差。

可以利用以下方程式计算在全负荷工作和部分负荷工作之间移动板120的移动距离ΔX。

ΔF＝kΔX＝A(P_h-P_atm)

其中F是作用力，k是弹簧130的弹性系数，A是移动板120的面积，P_h是蒸汽压力，P_atm是大气压。

外壳110和移动板120可以由如不锈钢、橡胶或聚合物之类的具有高耐热性的材料形成。

图6是本发明另一实施方式的热交换器100′的横截面图。相同的附图标记用于表示与图4到5B所示的相同的零件。

本实施方式的热交换器100′具有与热交换器100基本相同的结构，即通过分别作用在移动板120的两侧上的蒸汽压力和弹性件的弹力之间的平衡来控制水位。但是，图6中的弹性件具有与前面实施方式不同的双结构，其中组合了第一和第二弹簧131和132。也就是说，第一弹簧131象前面的实施方式那样，在整个移动区域内对移动板120提供弹力。安装第二弹簧132，从而在移动板120向下移动一定的距离时，即在移动板120由于蒸汽压力增加而下降预定的距离时，对移动板120提供弹力。这是因为外壳110中的蒸汽压力随着堆叠体10中发热增加而增加不是线性的，而呈抛物线形。在这种情况下，当蒸汽压力由于堆叠体10中发热的增加而迅速增加时，第二弹簧132的弹力加到第一弹簧131上。因此，可以避免移动板120的位置由于蒸汽压力增加而快速改变。该结构的其余部分和工作原理和前面的实施方式相同，因此不再赘述。

使用本发明的这种热交换器100′可以在全负荷工作和部分负荷工作之间发热量有差别的情况下自动控制水位，并且还可以防止移动板120的位置由于蒸汽压力增加而快速改变，因而可进一步确保稳定控制。

在所述实施方式中，O形环140用作使蒸汽压力区域和弹力区域隔开的零件，但是本发明不限于此。换句话说，可以使用图7所示的隔板141或者图8所示的波纹管142代替O形环140。

本发明的热交换器具有以下优点。

第一，可以在不使用例如象现有技术中的热传感器、阀或控制器的复杂电子设备的情况下，控制由于在全负荷工作和部分负荷工作的发热量之间的差别引起的水位变化。

第二，当燃料电池在部分负荷状态下工作时，可以避免流动通道的区域暴露于过热蒸汽中，因而可延长燃料电池的寿命。

尽管已参考示例性实施方式具体示出和说明了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不超出所附权利要求限定的本发明构思和保护范围的前提下，可在形式和细节方面作出各种变。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的热交换器，包括：

外壳，该外壳具有连接到所述燃料电池的堆叠体的冷却水入口和冷却水出口；

移动板，该移动板在所述外壳中往复移动，当它沿一个方向移动时，注入所述外壳中的冷却水通过所述冷却水出口排到所述堆叠体中，而当沿相反方向上移动时，其受到通过所述冷却水入口进入的蒸汽压力；及

弹性件，其沿所述一个方向对所述移动板施加弹力。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中，还包括将施加有蒸汽压力的所述移动板的上部空间与施加有所述弹性件的弹力的所述移动板下部空间隔开的隔离件，以防止冷却水在上部空间和下部空间之间流动。

3.如权利要求2所述的热交换器，其中，所述隔离件包括O形环，该O形环被插入所述移动板的边缘部分中，并密封所述移动板和外壳内壁之间的间隙。

4.如权利要求2所述的热交换器，其中，所述隔离件包括隔板，该隔板覆盖施加有弹力的所述移动板下方的空间。

5.如权利要求2所述的热交换器，其中，所述隔离件是围绕所述弹性件的波纹管。

6.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述外壳包括用于通过与在所述堆叠体中循环的冷却水进行热交换的二次冷却水的流动通道。

7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述外壳内在设置所述弹性件的区域中形成空气孔，使空气在外壳中起作用。

8.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述外壳和移动板从由不锈钢、橡胶和聚合物所组成的组中选取的一种材料构成。

9.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述弹性件包括第一弹簧和第二弹簧，该第一弹簧沿所述一个方向在整个移动距离内对所述移动板施加弹力，当所述移动板沿所述相反方向向下移动预定距离时，所述第二弹簧对所述移动板施加弹力。

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