CN101084407A - 多管换热器装置及其制造方法 - Google Patents

多管换热器装置及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101084407A
CN101084407A CNA2005800440443A CN200580044044A CN101084407A CN 101084407 A CN101084407 A CN 101084407A CN A2005800440443 A CNA2005800440443 A CN A2005800440443A CN 200580044044 A CN200580044044 A CN 200580044044A CN 101084407 A CN101084407 A CN 101084407A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fluid
heat exchanger
pipe
path
heat pipe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005800440443A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100523700C (zh
Inventor
小川哲矢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Publication of CN101084407A publication Critical patent/CN101084407A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100523700C publication Critical patent/CN100523700C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

本发明涉及多管换热器装置及其制造方法。在换热器(14)中，将形成第一通路(108)的多个导热管(120)设置在外壁板(92)与内壁板(122)之间。空气流动通过所述第一通路(108)。在所述导热管(120)之间形成了第二通路(110)。排气流动通过所述第二通路(110)。每个所述导热管(120)都具有限制所述第一通路(108)的通路宽度的相对的壁(120a，120b)。所述壁(120a，120b)沿渐开曲线形成。所述第二通路(110)通过沿所述渐开曲线设置相邻的导热管(120)而形成。

Description

多管换热器装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及多管换热器装置及其制造方法。该换热器装置包括主体单元和设置在该主体单元中的多个导热管。在所述导热管中形成有用于第一流体的第一通路，并且在所述导热管之间形成有用于第二流体的第二通路。
背景技术
典型地讲，固体氧化物燃料电池(SOFC)采用由诸如稳定氧化锆的离子导电固体氧化物制成的电解质。该电解质插设在阳极与阴极之间，以形成电解质电极组件(单元电池)。该电解质电极组件插设在隔板(双极板)之间。在使用中，将预定数量的单元电池和隔板堆叠在一起，以形成燃料电池组。
在该燃料电池中，向阴极提供含氧气体或空气。含氧气体中的氧在阴极与电解质之间的界面处电离，并且氧离子(O2-)通过电解质朝向阳极运动。向阳极提供诸如含氢气体或CO的燃料气体。氧离子与含氢气体中的氢起反应以生成水，或者与CO起反应以生成CO2。反应中释放出的电子通过外部电路流向阴极，以产生DC电能。
在该燃料电池中，使用换热器，用于通过与排气(消耗之后的反应气体)等进行换热来加热向阴极供应的空气。例如，作为一种类型的换热器，已知一种如日本特开平8-261679号公报中公开的多管换热器。
如图14所示，多管换热器包括多个并行设置的导热管1。所述导热管1的相对两端接合至管状板2a、2b。导热管1由管状板2a、2b支撑。每个导热管1都具有大致椭圆形截面。至少一个肋(未示出)与纵向平行地在导热管1中延伸。
在传统技术中，为了提高在导热管1内部流动的流体与在导热管1外部流动的流体之间的换热效率，或者为了增加导热表面积，必须增加导热管1的数量。然而，为了增加导热管1的数量就必须减小导热管1的直径。因此，在热导管1内部流动的流体的压力损失变大。由此，不能增加供应到导热管1中的流体的量，从而不能提高换热器装置的效率。
而且，由于空间约束，在导热管1的可以增加的数量上存在限制。在导热管1内部流动的流体与在导热管1外部流动的流体之间的体积比不恒定。因此，难以提高换热效率。
而且，随着导热管1的数量增加，导热管1的厚部的表面积增加。由此，由于导热管1的厚度过大，造成热容量增加，从而显著降低了热效率。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种可以提高换热效率的、具有简单且紧凑的结构的多管换热器装置和该多管换热器装置的制造方法。
本发明涉及一种多管换热器装置和该换热器装置的制造方法。该换热器装置包括主体单元和设置在所述主体单元中的多个导热管。在所述导热管中形成有用于第一流体的第一通路。在所述导热管之间形成有用于第二流体的第二通路。每个所述导热管都具有限制所述第一通路的通路宽度的相对的壁，并且所述壁沿渐开曲线形成。
优选的是，在所述主体单元的相对两端处设置有法兰，并且所述导热管按预定角间隔设置在所述法兰处。而且，优选的是，每个所述第二通路都通过沿所述渐开曲线设置相邻的导热管而形成。
而且，优选的是，所述导热管具有无缝连续形状。例如，利用拉制工序或挤制工序将所述导热管形成单件，以使其具有无缝连续形状。
而且，优选的是，在所述主体单元的一端处设置有第一流体入口和第二流体出口，以使所述第一流体通过所述第一流体入口流入所述第一通路，并且使所述第二流体通过所述第二流体出口从所述第二通路排出；并且在所述主体单元的另一端处设置有第一流体出口和第二流体入口，以使所述第一流体通过所述第一流体出口从所述第一通路排出，并且使所述第二流体通过所述第二流体入口流入所述第二通路。而且，优选的是，所述第二流体为排气。
根据本发明，所述导热管的相对的壁沿所述渐开曲线形成。由此，在整个所述第一通路中，通路宽度恒定。从流动通过所述第二通路的所述第二流体有效地向流动通过所述第一通路的所述第一流体传递热。由此，有效地提高了换热效率。而且，在所述第一通路中的所述第一流体不会出现不均匀流动。所述第一流体平滑地流动，从而实现了热效率的提高。
从下面结合附图的说明将更清楚本发明的上述和其它目的、特征以及优点，其中附图以例示性示例的方式示出了本发明的优选实施例。
附图说明
图1是示出包括根据本发明第一实施例的多管换热器的燃料电池系统的局部剖视图；
图2是示意性地示出燃料电池系统的燃料电池组的立体图；
图3是示出燃料电池组的燃料电池的分解立体图；
图4是示出燃料电池中的气流的局部分解立体图；
图5是示出隔板的正视图；
图6是示意性地示出燃料电池的操作的剖视图；
图7是示出燃料电池组的端板的正视图；
图8是示出燃料电池系统的载荷施加机构的局部分解立体图；
图9是示出换热器的主要构件的立体图；
图10是示出换热器的主要构件的正视图；
图11是示出换热器的导热管的图；
图12是示出用于形成导热管的拉制机的图；
图13是示出根据本发明第二实施例的多管换热器的主要构件的正视图；以及
图14是示出传统多管换热器的图。
具体实施方式
图1是示出包括根据本发明第一实施例的多管换热器装置的燃料电池系统10的局部剖视图。图2是示意性地示出燃料电池系统10的燃料电池组12的立体图。燃料电池组12通过沿箭头A所示方向堆叠多个燃料电池11而形成。
燃料电池系统10用于各种应用，包括固定应用和移动应用。例如，将燃料电池系统10安装在车辆上。如图1所示，燃料电池系统10包括燃料电池组12、换热器(多管换热器装置)14、重整器16以及外壳18。在含氧气体供应给燃料电池组12之前，换热器14将该含氧气体加热。重整器16重整燃料，以生成燃料气体。燃料电池组12、换热器14以及重整器16布置在外壳18中。
在外壳18中，在燃料电池组12的一侧上布置有至少包括换热器14和重整器16在内的流体单元19，而在燃料电池组12的另一侧上布置有用于沿箭头A所示的堆叠方向向燃料电池11施加紧固载荷的载荷施加机构21。流体单元19和载荷施加机构21均关于燃料电池组12的中心轴线对称地设置。
燃料电池11是固体氧化物燃料电池(SOFC)。如图3和图4所示，燃料电池11包括电解质电极组件26。每个电解质电极组件26都包括阴极22、阳极24以及插设在阴极22与阳极24之间的电解质(电解质板)20。例如，电解质20由诸如稳定氧化锆的离子导电固体氧化物制成。电解质电极组件26具有圆盘形状。至少在电解质电极组件26的内周缘(隔板28的中央部分)处设置有屏障层(未示出)，以防止含氧气体进入。
在一对隔板28之间插设多个(例如，八个)电解质电极组件26，以形成燃料电池11。这八个电解质电极组件26与延伸通过隔板28的中央的燃料气体供应通路30同心。
在图3中，例如，每个隔板28都包括例如由不锈合金制成的金属板或碳板。隔板28具有第一小直径端部32。燃料气体供应通路30延伸通过第一小直径端部32的中央。第一小直径端部32通过多个第一桥34与均具有相对较大直径的圆盘36成一体。第一桥34以相等的角度(间隔)从第一小直径端部32径向向外延伸。圆盘36和电解质电极组件26具有大致相同的尺寸。相邻的圆盘36通过狭缝38彼此隔开。
每个圆盘36在其与阳极24接触的表面36a上都具有第一突起48。第一突起48形成燃料气体通道46，用于沿阳极24的电极表面供应燃料气体。每个圆盘36在其与阴极22接触的表面36b上都具有第二突起52(参见图5)。第二突起52形成含氧气体通道50，用于沿阴极22的电极表面供应含氧气体。
如图6所示，第一突起48和第二突起52彼此远离地突出。第一突起48是环形突起，而第二突起52是山形突起。第二突起(山形突起)52被第一突起(环形突起)48围绕。
如图3到图5所示，在每个圆盘36中都设置有燃料气体入口54。燃料气体通过燃料气体入口54流入燃料气体通道46。燃料气体入口54的位置确定成使燃料气体可以均匀分布。例如，将燃料气体入口54设置在圆盘36的中央处。
在面向阴极22的表面上利用钎焊或激光焊接将通道部件56固定至隔板28。如图3所示，通道部件56包括第二小直径端部58。燃料气体供应通路30延伸通过第二小直径端部58的中央。八个第二桥60从第二小直径端部58径向延伸。每个第二桥60都固定至隔板28，从第一桥34到圆盘36的燃料气体入口54。
在通道部件56的第二小直径端部58上形成有多个狭缝62。在第二小直径端部58的接合到隔板28的表面上径向形成狭缝62。狭缝62连接到燃料气体供应通路30。而且，狭缝62连接到形成在第二小直径端部58的外周区域中的凹部64。凹部64防止钎焊材料的流动，并且实现燃料气体的均匀流动。燃料气体供应通道66形成在第一桥34与第二桥60之间。燃料气体供应通道66通过狭缝62和凹部64连接到燃料气体通道46。
如图6所示，含氧气体通道50连接到含氧气体供应单元67。通过电解质电极组件26的内周缘与圆盘36的内周缘之间的空间，沿箭头B所示方向供应含氧气体。含氧气体供应单元67由相应圆盘36的内侧与第一桥34之间的空间形成，并且沿堆叠方向延伸。
在隔板28之间设置有用于密封燃料气体供应通路30的绝缘密封件69。例如，绝缘密封件69由云母材料或陶瓷材料制成。在相应圆盘36的外部，排气通道68沿堆叠方向延伸通过燃料电池11。
如图1和图2所示，燃料电池组12包括多个堆叠在一起的燃料电池11、以及设置在沿堆叠方向的相对两端的端板70a、70b。端板70a具有大致圆盘形状。在端板70a的外周区域中形成有环形部72。环形部72从端板70a沿轴向突出。环绕环形部72形成有槽74。在环形部72的中央处设置有筒形突起76。筒形突起76和环形部72沿同一方向从端板70a突出。在突起76的中央处形成有孔78。
在端板70a中，沿环绕突起76的虚圆交替形成有孔80和螺纹孔82。孔80和螺纹孔82彼此隔开预定间隔(角度)。如图7所示，孔80和螺纹孔82设置在与形成于第一桥34和第二桥60之间的含氧气体供应单元67的相应空间对应的位置处。如图1所示，端板70b的直径大于端板70a的直径。端板70b是薄导电板。
外壳18包括容纳载荷施加机构21的第一外壳单元86a和容纳燃料电池组12的第二外壳单元86b。端板70b和绝缘部件夹在第一外壳单元86a与第二外壳单元86b之间。该绝缘部件设置在第二外壳单元86b的侧面上。利用螺栓88和螺母90紧固第一外壳单元86a与第二外壳单元86b之间的接合部。端板70b用作热障，用于防止来自流体单元19的热排气或热空气进入载荷施加机构21。
换热器14的环形外壁板92的一端接合至第二外壳单元86b，并且在外壁板92的另一端固定顶板94。流体单元19关于燃料电池组12的中心轴线对称地设置。具体地说，在大致环形的换热器14的内部同轴地设置大致柱形的重整器16。
壁板96固定至环绕端板70a的槽74，以形成腔室单元98。换热器14和重整器16直接连接至腔室单元98。在换热器14处加热的空气临时充入腔室单元98中的腔室98a。孔80形成为用于将临时充入腔室98a中的空气供应至燃料电池组12的开口。
燃料气体供应管100和重整气体供应管102连接至重整器16。燃料气体供应管100从顶板94向外延伸。重整气体供应管102插入端板70a的孔78中，并且连接至燃料气体供应通路30。
空气供应管104和排气管106连接至顶板94。在外壳18中设置有通过换热器14从空气供应管104延伸至腔室单元98的第一通路108、以及通过换热器14从燃料电池组12的排气通道68延伸至排气管106的第二通路110。消耗之前的空气沿箭头A1所示方向流动通过第一通路108。排气沿箭头A2所示方向在第二通路110中流动。即，空气和排气按逆流方式流动。
载荷施加机构21包括第一紧固单元112a和第二紧固单元112b，该第一紧固单元112a用于向环绕(靠近)燃料气体供应通路30的区域施加第一紧固载荷T1，而第二紧固单元112b用于向电解质电极组件26施加第二紧固载荷T2。第二紧固载荷T2小于第一紧固载荷T1(T1＞T2)。
如图1、图2和图8所示，第一紧固单元112a包括较短的第一紧固螺栓114a，该第一紧固螺栓114a拧入沿端板70a的一条对角线设置的螺纹孔82中。第一紧固螺栓114a沿燃料电池11的堆叠方向延伸，并且与第一压板116a接合。第一紧固螺栓114a设置在隔板28中的含氧气体供应单元67中。第一压板116a是一窄板，并且与隔板28的中央位置接合，以覆盖燃料气体供应通路30。
第二紧固单元112b包括较长的第二紧固螺栓114b，该第二紧固螺栓114b拧入沿端板70a的另一对角线设置的螺纹孔82中。第二紧固螺栓114b的端部延伸通过具有弯曲外部的第二压板116b。螺母117装配至第二紧固螺栓114b的端部。第二紧固螺栓114b设置在隔板28中的含氧气体供应单元67中。在第二压板116b的相应圆形部中，在与燃料电池11的圆盘36上的电解质电极组件26对应的位置处设置弹簧118和弹簧座119。例如，弹簧118是陶瓷弹簧。
在根据第一实施例的换热器14中，如图9和图10所示，多个导热管120设置在外壁板92与内壁板122之间。即，导热管120设置在换热器14的主体单元中。导热管120按预定角间隔隔开。第一通路108形成在导热管120中，第二通路110形成在导热管120之间。沿渐开曲线形成导热管120的限制第一通路108的通路宽度的相对两壁120a、120b。外壁板92的端部没有与内壁板122的端部对准，以形成用于第二通路110的排气入口(第二流体入口)130和排气出口(第二流体出口)128。因为沿渐开曲线形成第一通路108，所以第二通路110具有与渐开曲线对应的通路宽度。
导热管120的相对两端插入法兰124a、124b中。导热管120的外周表面和内周表面接合至外壁板92和内壁板122。相邻的导热管120沿渐开曲线设置。由此，在导热管120之间形成第二通路110。
具体地说，如图11所示，环绕中心O形成渐开曲线IV1。在与渐开曲线IV1隔开角度α1°的位置处形成渐开曲线IV2。同样，在与渐开曲线IV2隔开角度α2°的位置处形成渐开曲线IV3。此后，采用相同的方式形成其它渐开曲线，直到形成预定渐开曲线IVn。
应注意到，角度α1°等于角度α2°(α1°＝α2°)，以使第一通路108的壁的表面积变得等于第二通路110的壁的表面积。例如，假定第一通路108的数量为六个，并且第二通路110的数量为六个，则角度α1°和角度α2°为30°(α1°＝α2°＝30°)。在这种情况下，设置六个导热管，以使第一通路108和第二通路110沿渐开曲线IV1到IV12交替形成。在第一实施例中，如图9和图10所示，导热管120的数量为18个。
如图1所示，导热管120的入口侧连接至形成在顶板94内部的腔室(第一流体入口)126。通过在靠近腔室126的位置处切割内壁板122来形成排气出口128。第二通路110的出口侧连接至排气出口128。作为第一流体出口的腔室98a与腔室126相对地设置。第一通路108的出口侧连接至腔室98a。靠近腔室98a设置排气入口130。第二通路110的入口侧连接至排气入口130。
例如，导热管120由耐热不锈材料制成，并且利用拉制工序或挤制工序形成具有无缝连续形状的单件。图12示出了拉制机140。拉制机140包括模具142和插塞144。将环状材料146拉拔通过模具142与插塞144之间的间隙148，以形成单件导热管120。
可以不利用上述冷拉制工序来形成导热管120。尽管未示出，但可以将加热后的材料充入挤制机中，以通过挤制工序形成单件导热管120。
下面，对燃料电池系统10的操作进行说明。
如图3所示，在组装燃料电池系统10时，首先，将隔板28在其面对阴极22的表面上接合至通道部件56。因此，在隔板28与通道部件56之间形成连接至燃料气体供应通路30的燃料气体供应通道66。燃料气体供应通道66通过燃料气体入口54连接至燃料气体通道46(参见图6)。环形绝缘密封件69环绕燃料气体供应通路30设置在每个隔板28上。
以这种方式制作了隔板28。八个电解质电极组件26插设在隔板28之间以形成燃料电池11。如图3和图4所示，电解质电极组件26插设在一个隔板28的表面36a与另一隔板28的表面36b之间。圆盘36的燃料气体入口54位于每个阳极24的中央处。
沿箭头A所示的方向堆叠多个燃料电池11，将端板70a、70b设置在沿堆叠方向的相对两端。如图1、图2和图8所示，第一紧固单元112a的第一压板116a设置在燃料电池11的中央处。
在这种状态下，将较短的第一紧固螺栓114a朝向端板70a插入穿过第一压板116a和端板70b。将第一紧固螺栓114a的顶端拧入并装配至沿端板70a的其中一条对角线形成的螺纹孔82。将第一紧固螺栓114a的头部与第一压板116a接合。将第一紧固螺栓114a拧入螺纹孔82，以调节第一压板116a的表面压力。以这种方式，在燃料电池组12中，将第一紧固载荷T1施加至靠近燃料气体供应通路30的区域。
接着，将弹簧118和弹簧座119与在圆盘36的相应位置处的电解质电极组件26轴向对准。将第二紧固单元112b的第二压板116b与设置在弹簧118的一端处的弹簧座119接合。
接着，将较长的第二紧固螺栓114b朝向端板70a插入穿过第二压板116b和端板70b。将第二紧固螺栓114b的顶端拧入并装配至沿端板70a的另一对角线形成的螺纹孔82。将螺母117装配至第二紧固螺栓114b的头部。因此，通过调节螺母117与第二紧固螺栓114b之间的螺纹接合状态，通过相应弹簧118的弹力将第二紧固载荷T2施加至电解质电极组件26。
将燃料电池组12的端板70b夹在外壳18的第一外壳单元86a与第二外壳单元86b之间。将绝缘部件插设在第二外壳单元86b与端板70b之间，并且通过螺栓88和螺母90将第一外壳单元86a和第二外壳单元86b固定在一起。将流体单元19安装在第二外壳单元86b中。使流体单元19的壁板96附着于环绕端板70a的槽74。由此，在端板70a与壁板96之间形成腔室单元98。
接下来，如图1所示，在燃料电池系统10中，从燃料气体供应管100供应燃料(甲烷、乙烷、丙烷等)并且在必要时供应水，并从空气供应管104供应含氧气体(下文中称为“空气”)。
燃料在经过重整器16时被重整，以生成燃料气体(含氢气体)。将该燃料气体供应至燃料电池组12的燃料气体供应通路30。燃料气体沿箭头A所示的堆叠方向运动，并且在每个燃料电池11的隔板28中通过狭缝62流入燃料气体供应通道66(参见图6)。
燃料气体沿第一桥34与第二桥60之间的燃料气体供应通道66流动，并且从圆盘36的燃料气体入口54流入燃料气体通道46。燃料气体入口54形成在与电解质电极组件26的阳极24的中央区域对应的位置处。由此，燃料气体从燃料气体入口54供应至阳极24的大致中央位置，并且沿燃料气体通道46从阳极24的中央区域向外流动。
如图1所示，来自空气供应管104的空气流动通过换热器14的第一通路108，并且临时流入腔室98a。空气流动通过连接至腔室98a的孔80，并且供应至设置在燃料电池11的大致中央处的含氧气体供应单元67。这时，在换热器14中，如下所述，因为排至排气通道68的排气流动通过第二通路110，所以在排气与供应至燃料电池11之前的空气之间进行热交换。因此，预先将空气加热至期望的燃料电池工作温度。
供应至含氧气体供应单元67的含氧气体沿箭头B所示的方向流入电解质电极组件26的内周缘与圆盘36的内周缘之间的空间，并且流向含氧气体通道50。如图6所示，在含氧气体通道50中，空气从电解质电极组件26的阴极22的内周缘(隔板28的中央区域)向外周缘(隔板28的外部区域)流动，即从阴极22的外周区域的一端向另一端流动。
由此，在电解质电极组件26中，燃料气体从阳极24的中央区域向外周区域流动，而空气在阴极22的电极表面上沿箭头B所示的一个方向流动。这时，氧离子朝向阳极24流动通过电解质20，用于通过电化学反应产生电。
排至相应的电解质电极组件26的外部的排气沿堆叠方向流动通过排气通道68。当排气流动通过换热器14的第二通路110时，在排气与空气之间进行热交换。接着，将排气排入排气管106中。
在第一实施例中，如图9到图11所示，形成用于反应之前的空气的第一通路108的导热管120具有限制第一通路108的通路宽度的相对的壁120a、120b，并且壁120a、120b沿渐开曲线形成。
由此，第一通路108的通路宽度从内壁板122到外壁板92恒定，从而在第一通路108中不会出现空气的不均匀流动。因此，空气沿第一通路108平滑流动。从流动通过第二通路110的排气向空气有效地传递热，从而有效地实现换热效率的提高。
而且，相邻的导热管120沿渐开曲线设置，以形成第二通路110。由此，第二通路110的通路宽度从内壁板122到外壁板92恒定。因此，从第二通路110向导热管120有效地传递热，从而实现换热效率的提高。
而且，因为第一通路108和第二通路110分别沿渐开曲线形成，所以，第一通路108和第二通路110的通路宽度恒定，从而第一通路108和第二通路110的导热表面积相同。在第一通路108和第二通路110之间等效地进行换热。由此，实现导热效率和换热效率的提高。而且，可以获得具有高换热性能的换热器14，并且减小换热器14的尺寸。
而且，通过沿渐开曲线形成导热管120，与使用圆管的情况相比，在实现了与圆管情况下相同的导热表面积的同时，减少了管的数量。由此，该结构变得紧凑，并且降低了压力损失。可以制造具有高换热效率的小型换热器14。
而且，通过拉制工序或挤制工序将每个导热管120都形成具有无缝连续形状的单件。由此，含氧气体和排气在导热管120内部以及环绕导热管120平滑流动。不会出现不均匀的气体流动，并且实现了导热管120的抗蚀特征的改进。从而，有效地改进了换热器14的耐久性。而且，因为导热管120具有无缝结构，所以不需要焊接用于制作导热管120的接缝。即，有利地减少了制作导热管120所需的时间和成本。
而且，空气流动通过第一通路108，而排气按逆流方式流动通过第二通路110。由此，有效地提高了排气与空气之间的换热效率。这时，因为利用了排气的热能(卡路里)，所以理想地整体提高了燃料电池系统10的热效率。
图13是示出根据本发明第二实施例的换热器(多管换热器装置)160的主要构件的图。与根据第一实施例的换热器14相同的构成元件标有相同的附图标记，并将省略对其的描述。
在换热器160中，导热管120以相对较大的角度彼此远离地隔开。在导热管120之间形成有均具有相对较大的通路宽度的第二通路162。第二通路162通过沿渐开曲线设置导热管120而形成。根据流动通过第一通路108的空气的体积和流动通过第二通路162的排气的体积，来调节第一通路108的通路宽度和第二通路162的通路宽度。
由此，在第二实施例中，考虑到流入换热器160的第一通路108的空气的体积与流入第二通路162的排气的体积之间的差来布置导热管120。例如，假定空气体积是排气体积的两倍，则增加导热管120的数量，使得第一通路108的导热表面积变为第二通路110的导热表面积的两倍。采用这种方式，可以实现空气与排气之间的优化换热效率。由此，有效地实现了燃料电池的热效率的提高。
已经参照优选实施例具体示出并说明了本发明，应当理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行改变和修改。

Claims (9)

1、一种多管换热器装置，该多管换热器装置包括主体单元、设置在所述主体单元中的多个导热管(120)、形成在所述导热管(120)中的用于第一流体的第一通路(108)、形成在所述导热管(120)之间的用于第二流体的第二通路(110)，其中，
每个所述导热管(120)都具有限制所述第一通路(108)的通路宽度的相对的壁(120a，120b)，所述壁(120a，120b)沿渐开曲线形成。
2、根据权利要求1所述的多管换热器装置，其中，在所述主体单元的相对两端处设置有法兰(124a，124b)，所述导热管(120)按预定角间隔设置在所述法兰(124a，124b)处；并且
每个所述第二通路(110)都通过沿所述渐开曲线设置相邻的导热管(120)而形成。
3、根据权利要求1所述的多管换热器装置，其中，所述导热管(120)具有无缝连续形状。
4、根据权利要求1所述的多管换热器装置，其中，在所述主体单元的一端处设置有第一流体入口(126)和第二流体出口(128)，以使所述第一流体通过所述第一流体入口(126)流入所述第一通路(108)，并且使所述第二流体通过所述第二流体出口(128)从所述第二通路(110)排出；并且
在所述主体单元的另一端处设置有第一流体出口(98a)和第二流体入口(130)，以使所述第一流体通过所述第一流体出口(98a)从所述第一通路(108)排出，并且使所述第二流体通过所述第二流体入口(130)流入所述第二通路(110)。
5、根据权利要求4所述的多管换热器装置，其中，所述第一流体流动通过所述第一通路(108)，而所述第二流体以逆流方式流动通过所述第二通路(110)。
6、根据权利要求1所述的多管换热器装置，其中，所述第二流体是排气。
7、一种多管换热器装置的制造方法，该多管换热器装置具有主体单元、设置在所述主体单元中的多个导热管(120)、形成在所述导热管(120)中的第一通路(108)和形成在所述导热管(120)之间的第二通路(110)，所述制造方法包括以下步骤：
沿渐开曲线形成每个所述导热管(120)的相对的壁(120a，120b)，所述壁(120a，120b)限制所述第一通路(108)的通路宽度。
8、根据权利要求7所述的制造方法，其中，所述导热管(120)通过拉制工序或挤制工序而形成为具有无缝连续形状的单件。
9、根据权利要求7所述的制造方法，其中，相邻的导热管(120)沿所述渐开曲线设置，以形成所述第二通路(110)。
CNB2005800440443A 2004-12-22 2005-12-22 多管换热器装置及其制造方法 Expired - Fee Related CN100523700C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004370868A JP4654021B2 (ja) 2004-12-22 2004-12-22 多管式熱交換装置及びその製造方法
JP370868/2004 2004-12-22
PCT/JP2005/024181 WO2006068320A2 (en) 2004-12-22 2005-12-22 Multi-pipe heat exchanger apparatus and method of producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101084407A true CN101084407A (zh) 2007-12-05
CN100523700C CN100523700C (zh) 2009-08-05

Family

ID=36143737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005800440443A Expired - Fee Related CN100523700C (zh) 2004-12-22 2005-12-22 多管换热器装置及其制造方法

Country Status (9)

Country Link
US (1) US7322405B2 (zh)
EP (1) EP1828699B1 (zh)
JP (1) JP4654021B2 (zh)
KR (1) KR100887908B1 (zh)
CN (1) CN100523700C (zh)
AT (1) ATE519087T1 (zh)
AU (1) AU2005319933C1 (zh)
CA (1) CA2588875A1 (zh)
WO (1) WO2006068320A2 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109997267A (zh) * 2016-08-31 2019-07-09 欧奈科学股份公司 通过将水转化为氢气和氧气来产生电力的系统、装置和方法
WO2022246988A1 (zh) * 2021-05-25 2022-12-01 国家能源投资集团有限责任公司 一种用于燃料电池堆塔的密封结构

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4598509B2 (ja) * 2004-12-22 2010-12-15 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US12038994B2 (en) 2005-01-11 2024-07-16 Content Directions, Inc. Integrated, information-engineered and self- improving advertising, e-commerce and online customer interactions apparatuses, processes and system
DE102007033864B4 (de) * 2006-07-20 2017-03-02 Modine Manufacturing Co. Verfahren zum Betreiben einer Festoxidbrennstoffzellenanlage, Wärmetauscher für eine Festoxidbrennstoffzellenanlage und Festoxidbrennstoffzellenanlage
US8048583B2 (en) 2006-07-20 2011-11-01 Modine Manufacturing Company Compact air preheater for solid oxide fuel cell systems
JP5383051B2 (ja) * 2008-01-21 2014-01-08 本田技研工業株式会社 燃料電池及び燃料電池スタック
US20100193168A1 (en) * 2009-02-02 2010-08-05 Johnson Jr Alfred Leroy Heat exchanger
US10334760B1 (en) * 2018-01-12 2019-06-25 Jed A. Darland System and method for helical cooling tower for efficient cooling
US11557775B2 (en) * 2019-12-20 2023-01-17 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Apparatus including electrochemical devices and heat exchanger

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US721310A (en) * 1902-01-20 1903-02-24 Hugo Junkers Surface condenser.
US1762465A (en) * 1926-01-25 1930-06-10 Metalcraft Heater Corp Combined muffler and heater for vehicles
US2006649A (en) * 1930-12-15 1935-07-02 Modine Mfg Co Radiator core
US2421371A (en) * 1944-04-29 1947-06-03 Herman Nelson Corp Heat exchanger
US2439775A (en) * 1944-06-17 1948-04-13 Barber Colman Co Heat exchanger
US3055641A (en) * 1960-05-03 1962-09-25 United Aircraft Corp Heat exchanger
AT266887B (de) * 1964-04-06 1968-12-10 Waagner Biro Ag Wärmetauscher
GB1462804A (en) * 1974-03-21 1977-01-26 Coal Ind Heat exchanger assemblies
US4063589A (en) * 1974-03-21 1977-12-20 Coal Industry (Patents) Limited Heat exchanger assemblies
JPS62176066A (ja) 1986-01-28 1987-08-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温作動型燃料電池
US4836276A (en) * 1987-03-09 1989-06-06 Nippondenso Co., Ltd. Heat exchanger for engine oil
DE3816242A1 (de) * 1987-05-15 1988-12-01 Aisin Seiki Motorkuehler fuer kraftfahrzeuge
JPH0419967A (ja) 1990-05-15 1992-01-23 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置
JPH07103160A (ja) 1993-10-05 1995-04-18 Sanyo Electric Co Ltd スクロール圧縮機
JPH08261679A (ja) * 1995-03-28 1996-10-11 Ngk Insulators Ltd 多管式熱交換器及びその製造方法
US6033793A (en) 1996-11-01 2000-03-07 Hydrogen Burner Technology, Inc. Integrated power module
US5851689A (en) 1997-01-23 1998-12-22 Bechtel Corporation Method for operating a fuel cell assembly
KR20010076243A (ko) 2000-01-25 2001-08-11 요트 루나우 액체 연료용 연료 전지
US6964296B2 (en) * 2001-02-07 2005-11-15 Modine Manufacturing Company Heat exchanger
JP3774843B2 (ja) 2001-05-25 2006-05-17 マルヤス工業株式会社 多管式熱交換器
JP2003183003A (ja) 2001-12-13 2003-07-03 Sanyo Electric Co Ltd 多管式反応器
JP4056770B2 (ja) 2002-02-05 2008-03-05 東京瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池システム
JP3739044B2 (ja) * 2002-07-04 2006-01-25 本田技研工業株式会社 熱交換器及びそれを利用した熱交換式反応器
US6991023B2 (en) * 2003-04-24 2006-01-31 Sunpower, Inc. Involute foil regenerator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109997267A (zh) * 2016-08-31 2019-07-09 欧奈科学股份公司 通过将水转化为氢气和氧气来产生电力的系统、装置和方法
WO2022246988A1 (zh) * 2021-05-25 2022-12-01 国家能源投资集团有限责任公司 一种用于燃料电池堆塔的密封结构

Also Published As

Publication number Publication date
ATE519087T1 (de) 2011-08-15
CA2588875A1 (en) 2006-06-29
JP2006177608A (ja) 2006-07-06
KR100887908B1 (ko) 2009-03-12
EP1828699B1 (en) 2011-08-03
US7322405B2 (en) 2008-01-29
AU2005319933A1 (en) 2006-06-29
US20060131008A1 (en) 2006-06-22
KR20070086570A (ko) 2007-08-27
WO2006068320A3 (en) 2006-10-19
AU2005319933C1 (en) 2009-11-26
AU2005319933B2 (en) 2009-05-07
WO2006068320A2 (en) 2006-06-29
CN100523700C (zh) 2009-08-05
EP1828699A2 (en) 2007-09-05
JP4654021B2 (ja) 2011-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101084407A (zh) 多管换热器装置及其制造方法
CN100546090C (zh) 燃料电池系统
CN101351919A (zh) 燃料电池和燃料电池组
CN100492734C (zh) 燃料电池和燃料电池组
CN101351917B (zh) 燃料电池和燃料电池组
CN100527504C (zh) 燃料电池系统
CN100533829C (zh) 燃料电池系统
US8980498B2 (en) Fuel cell stack
US8283086B2 (en) Fuel cell and fuel cell stack
EP1851816B1 (en) Fuel cell system
US20110209859A1 (en) Recuperative Heat Exchanger, Fuel Cell System Including Recuperative Heat Exchanger, and Method of Operating Same
WO2006137578A1 (en) Fuel cell and fuel cell stack
US8652701B2 (en) Fuel cell
US20240204214A1 (en) Separator for fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090805

Termination date: 20111222