CN101931087B

CN101931087B - 热交换装置

Info

Publication number: CN101931087B
Application number: CN200910149689A
Authority: CN
Inventors: 王正
Original assignee: Young Green Energy Co
Current assignee: Young Green Energy Co
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: CN101931087A

Abstract

一种热交换装置，适用于燃料电池系统。该热交换装置包括：一个集水槽、至少一个第一管体、至少一个第二管体、一个气流产生器和一个外壳。集水槽具有一个液体出口，并适于连接燃料电池系统的燃料混合槽。第一管体适于接收来自燃料电池系统的燃料电池模块的阴极端所产生的水蒸气。第二管体连通于第一管体与集水槽之间，并经由液体出口连接外界。气流产生器适于产生冷却气流，冷却气流流经第二管体的外部以与其内部的水蒸气进行热交换。外壳具有一个第一通道和一个第二通道，其中第一管体设置于第一通道中，第二管体设置于第二通道中。

Description

热交换装置

技术领域

本发明涉及一种热交换装置，并特别涉及一种可应用于燃料电池模块的热交换装置。

背景技术

燃料电池具有高效率、低噪音、无污染的优点，是符合时代趋势的能源技术。燃料电池可分为多种类型，常见的为质子交换膜型燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)以及直接甲醇燃料电池(directmethanol fuel cell，DMFC)。以直接甲醇燃料电池为例，直接甲醇燃料电池的燃料电池模块是由质子交换膜(proton exchange membrane)及分别设置于质子交换膜两侧的阴极(cathode)与阳极(anode)所组成。

与燃料电池有关的专利例如：美国专利编号20070114005、台湾专利编号I244794、200814416、200835037以及200847516。另外，与热管有关的专利还有：台湾专利编号I305823。

发明内容

本发明提出一种热交换装置，其可将燃料电池模块反应所产生的水蒸气回收再利用。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。

为了达到上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的一个实施例提供一种热交换装置，适用于燃料电池系统。热交换装置包括：一个集水槽、至少一个第一管体、至少一个第二管体、一个气流产生器、一个流道组件以及一个外壳。集水槽具有一个液体出口，并适于连接燃料电池系统的燃料混合槽。第一管体适于接收来自燃料电池系统的燃料电池模块的阴极端所产生的水蒸气。第二管体连通于第一管体与集水槽之间，并经由液体出口连接外界。气流产生器适于产生冷却气流。冷却气流流经第二管体的外部，以与第二管体的内部的水蒸气进行热交换，使部分水蒸气冷凝为液态水而流至集水槽。流道组件相对于所述集水槽设置于所述第一管体与所述第二管体的一侧，所述流道组件具有一个第一流道，而所述第一管体经由所述第一流道连接所述第二管体。外壳具有第一通道和第二通道，其中第一管体设置于第一通道中，第二管体设置于第二通道中，流经第一通道及第一管体的外部的气流适于受到第一管体的内部的水蒸气所加热，以供应至燃料电池系统。

在本发明的上述实施例中，热交换装置通过冷却气流与第二管体的内部的水蒸气进行热交换，使部分水蒸气冷凝为液态水而流至集水槽。集水槽中的液态水可补充至燃料混合槽，以达成水回收的效果。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举一个实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一个实施例的一种应用于燃料电池系统的热交换装置的方块图。

图2是依照本发明的一个实施例的一种热交换装置的立体示意图。

图3是图2的分解图。

图4是图2的热交换装置于另一视角的立体示意图。

图5是图4的分解图。

图6是图2的热交换装置的俯视图。

图7是图6沿着A-A线的剖面图。

图8是依照本发明另一个实施例的第二管体的剖面图。

图9是图6沿着B-B线的剖面图。

图10是图2的热交换装置的侧视图。

图11是图10沿着C-C线的剖面图。

图12是第二管体的毛细结构的示意图。

图13是图10沿着D-D线的剖面图。

主要组件符号说明

10：燃料电池系统

12：燃料电池模块

12a：阴极端

12b：阳极端

14：燃料混合槽

100：热交换装置

110：集水槽

112：液体出口

114：第一次集水槽

116：第二次集水槽

118：第三次集水槽

120：第一管体

120a：第一管体的内部

120b：第一管体的外部

122：截段

130：第二管体

130a：第二管体的内部

130b：第二管体的外部

132、162、172：鳍片

134：毛细结构

140：气流产生器

142：冷却气流

150：流道组件

152：第一流道

154：第二流道

160：第三管体

170：第四管体

180：外壳

182：第一通道

184：第二通道

186：入风口

190：储水槽

191：阻隔组件

G1：第一管体组

G2：第二管体组

G3：第三管体组

G4：第四管体组

具体实施方式

有关本发明前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图的优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的。

图1是依照本发明的一个实施例的一种应用于燃料电池系统的热交换装置的方块图。请参考图1，热交换装置100适用于燃料电池系统10。燃料电池系统10包括燃料电池模块12与燃料混合槽14，其中燃料电池模块12用以执行化学反应，而燃料混合槽14用以储存燃料。在本实施例中，此燃料例如是甲醇(CH₃OH)水溶液。热交换装置100可将燃料电池模块12反应所产生的水蒸气回收再利用。

图2是依照本发明的一个实施例的一种热交换装置的立体示意图，而图3是图2的分解图。图4是图2的热交换装置于另一视角的立体示意图，而图5是图4的分解图。请参考图1至图5，热交换装置100包括：一个集水槽110、至少一个第一管体120、至少一个第二管体130、一个气流产生器140以及一个外壳180。集水槽110设置于第一管体120与第二管体130的一侧，且具有液体出口112，并且集水槽110适于连接燃料混合槽14。

第一管体120适于接收来自燃料电池模块12的阴极端12a所产生的水蒸气。第二管体130连通于第一管体120与集水槽110之间，并经由液体出口112连接外界。因此，当燃料电池模块12反应时，阴极端12a所产生的水蒸气会依序流经第一管体120的内部120a、第二管体130的内部130a与集水槽110，并且经由液体出口112逸散至外界。

气流产生器140适于产生冷却气流142。在本实施例中，气流产生器140可以是轴流风扇。冷却气流142流经第二管体130的外部130b，并与第二管体130的内部130a的水蒸气进行热交换。所以，第二管体130的内部130a的水蒸气会受到冷却气流142冷却而有部分的水蒸气冷凝为液态水，进而流至集水槽110。此外，液态水受到重力作用而流至集水槽110后，可流动至燃料混合槽14，以补充至燃料电池模块12的阳极端12b，进而可达成水回收的效果。

另一方面，冷却气流142流经第二管体130的外部130b后，可被导引而补充至阴极端12a。值得注意的是，冷却气流142会受到第二管体130的内部130a的水蒸气加热而升温。因此，阴极端12a通过接收温度较高的冷却气流142作为反应物，燃料电池模块12的反应速率可有效地提升，进而使燃料电池系统10具有较佳的发电效率。

在本实施例中，热交换装置100进一步包括流道组件150、至少一个第三管体160及至少一个第四管体170。第三管体160经由集水槽110连接第二管体130，且第四管体170连通于第三管体160与集水槽110之间。流道组件150相对集水槽110设置于这些管体120、130、160、170的另一侧，此流道组件150具有一个第一流道152和一个第二流道154，其中第一管体120可经由第一流道152连接第二管体130，而第三管体160可经由第二流道154连接第四管体170。

此外，集水槽110可包括一个第一次集水槽114、一个第二次集水槽116和一个第三次集水槽118。第一次集水槽114连接第一管体120，而第一管体120适于经由第一次集水槽114接收阴极端12a所产生的水蒸气。第二管体130经由第二次集水槽116连接第三管体160，而第三次集水槽118连接第四管体170，并具有上述的液体出口112。

详细而言，燃料电池模块12的阴极端12a反应所生成的水蒸气可通过一个气流驱动器(未示出)所驱使而离开阴极端12a，并且进入第一管体120中。在本实施例中，水蒸气可透过外壳180的一入风口186而流经第一次集水槽114，并且流入第一管体120中。位于第一管体120中的水蒸气会依序流经第一流道152、第二管体130、第二次集水槽116、第三管体160、第二流道154、第四管体170、第三次集水槽118，最后经由液体出口112逸散至外界。在这过程中，水蒸气可冷凝成水来回收。

在本实施例中，外壳180可具有一个第一通道182和一个第二通道184。第一管体120设置于第一通道182中，而第二管体130、第三管体160与第四管体170都设置于第二通道184中。第一通道182可连接第二通道184。所以，气流产生器140所产生的冷却气流142可先流经第二通道184，并且受到第二管体130、第三管体160与第四管体170的内部的水蒸气所加热而升温。接着，冷却气流142可再流经第一通道182及第一管体120的外部120b，并且受到第一管体120的内部120a的水蒸气所加热而升温。

因此，冷却气流142可通过依序流经第二通道184与第一通道182而加热两次。如此一来，通过将温度较高的冷却气流142供应至阴极端12a作为反应物，燃料电池模块12可具有更高的反应效率。

此外，在本实施例中，第一管体120、第二管体130、第三管体160与第四管体170可相互平行设置，使热交换装置100具有较小的体积。再者，多个第一管体120、多个第二管体130、多个第三管体160与多个第四管体170可分别组成一个第一管体组G1、一个第二管体组G2、一个第三管体组G3和一个第四管体组G4，以增加热交换效率。

值得注意的是，为了使热交换装置100可达到良好的热交换效果，本实施例的热交换装置100增设了第三管体160与第四管体170，以增加与冷却气流142的接触面积。因此，位于第二管体130中的水蒸气可通过冷却气流142流经第二管体130、第三管体160与第四管体170而被加速冷凝为液态水，进而流至集水槽110中。

另一方面，冷却气流142亦可额外通过流经第三管体160与第四管体170的外部，并受到第三管体160与第四管体170的内部的水蒸气所加热而升温，以供应至阴极端12a。然而，本实施例并非用以限定本发明。举例而言，在另一个未示出的实施例中，热交换装置100也可以仅具有第一管体120和第二管体130而不包括第三管体160和第四管体170，以对应不同的设计需求。因此，用以与第三管体160以及第四管体170搭配的第二流道154、第二次集水槽116、第三次集水槽118也可以省略。

图6是图2的热交换装置的俯视图。图7是图6沿着A-A线的剖面图。请参考图6与图7，在本实施例中，第二管体130、第三管体160与第四管体170朝向集水槽110的一端是平口端。图8是依照本发明另一个实施例的第二管体的剖面图。请参考图8，在另一个实施例中，第二管体130朝向集水槽110的一端可以是斜口端。因此，第二管体130中的水蒸气被冷却为液态水时，液态水可迅速地流至第二次集水槽116。当然，在其它实施例中，第三管体160与第四管体170朝向集水槽110的一端也可以是斜口端，本发明并不对此多做限定。

图9是图6沿着B-B线的剖面图。请参考图2、图6、图7与图9，在本实施例中，第一管体120可具有多个截段122，而第一通道182依序经过这些截段122。详细而言，气流产生器140所产生的冷却气流142流经第二通道184后，可通过一个风扇或一个挡板(都未示出)而转向进入第一通道182。冷却气流142可先流经第一管体120上半段的截段122，接着再流向第一管体120下半段的截段122，使第一通道182大致上形成U型通道，进而与第一管体120进行多次的热交换。

图10是图2的热交换装置的侧视图。图11是图10沿着C-C线的剖面图。图12是第二管体的毛细结构的示意图。请参考图10、图11与图12，在本实施例中，第二管体130的外表面可具有多个鳍片132，用以增加热交换面积。同样地，第三管体160与第四管体170的外表面也可以分别具有多个鳍片162、172，以提升热交换效率。

此外，第二管体130的内表面可具有毛细结构134，位于第二管体130内的液态水可通过毛细结构134贴附于管壁，进而可快速地将热量透过第二管体130而传递至外界，以增加冷凝的速度。值得注意的是，第二管体130可通过毛细结构134而增加第二管体130的内部表面积，进而可以避免液态水堵塞第二管体130。此外，毛细结构134也可以设置于第一管体120、第三管体160与第四管体170的内表面。再者，在本实施例中，毛细结构134例如是沟槽、烧结结构、金属网状结构及其组合。

图13是图10沿着D-D线的剖面图。请参考图2、图10与图13，在本实施例中，热交换装置100进一步包括一个储水槽190与一个阻隔组件191。储水槽190设置于集水槽110与燃料混合槽14(如图1中所示)之间并位于集水槽110下方，储水槽连接集水槽110与燃料混合槽14，以将从集水槽110流入的液态水补充至燃料混合槽14。

阻隔组件191设置于集水槽110与储水槽190之间。在本实施例中，阻隔组件191是设置于第二次集水槽116、第三次集水槽118与储水槽190之间。阻隔组件191允许第二次集水槽116与第三次集水槽118内的液态水透过阻隔组件191而流至储水槽190，并阻挡第二次集水槽116与第三次集水槽118内的水蒸气流至储水槽190。因此，第二次集水槽116与第三次集水槽118内的水蒸气可由液体出口112逸散至外界。此外，在本实施例中，阻隔组件191的材质可以是不织布。

综上所述，在本发明的上述实施例中，热交换装置通过冷却气流与第二管体的内部的水蒸气进行热交换，使部分水蒸气冷凝为液态水而流至集水槽。集水槽中的液态水可补充至燃料电池模块的阳极端作为反应物，以达到水回收的效果。此外，冷却气流可通过流经第二通道与第一通道而加热两次，因而具有较高的温度。热交换装置通过将高温的冷却气流补充至阴极端，使阴极端接收高温的冷却气流作为反应物，进而可提升燃料电池模块的反应效率。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明的实施范围，即只要依据本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，都仍属于本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达到本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims

1.一种热交换装置，适用于燃料电池系统，所述热交换装置包括：

一个集水槽，具有一个液体出口，并适于连接所述燃料电池系统的燃料混合槽；

至少一个第一管体，适于接收来自所述燃料电池系统的燃料电池模块的阴极端所产生的水蒸气；

至少一个第二管体，连通于所述第一管体与所述集水槽之间，并经由所述液体出口连接外界；

一个气流产生器，适于产生冷却气流，所述冷却气流流经所述第二管体的外部，以与所述第二管体的内部的水蒸气进行热交换，使部分水蒸气冷凝为液态水而流至所述集水槽；

一个流道组件，相对于所述集水槽设置于所述第一管体与所述第二管体的一侧，所述流道组件具有一个第一流道，而所述第一管体经由所述第一流道连接所述第二管体；以及

一个外壳，具有一个第一通道和一个第二通道，其中所述第一管体设置于所述第一通道中，所述第二管体设置于所述第二通道中，而流经所述第一通道及所述第一管体的外部的气流适于受到所述第一管体的内部的水蒸气所加热，以供应至所述燃料电池系统。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一管体与所述第二管体相互平行设置。

3.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述集水槽包括：

一个第一次集水槽，连接所述第一管体，而所述第一管体适于经由所述第一次集水槽接收所述阴极端所产生的水蒸气。

4.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一管体具有多个截段，而所述第一通道依序经过这些截段。

5.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第一通道连接所述第二通道，以接收所述第二管体所加热的气流。

6.根据权利要求1所述的热交换装置，其中所述第二管体的外表面具有多个鳍片。

7.根据权利要求1所述的热交换装置，还包括：

至少一个第三管体，经由所述集水槽连接所述第二管体；以及

至少一个第四管体，连通于所述第三管体与所述集水槽之间。

8.根据权利要求7所述的热交换装置，其中所述第一管体、所述第二管体、第三管体与所述第四管体相互平行设置。

9.根据权利要求7所述的热交换装置，还包括：

一个流道组件，相对于所述集水槽设置于所述第一管体、所述第二管体、所述第三管体与所述第四管体的一侧，所述流道组件具有一个第一流道与一个第二流道，所述第一管体经由所述第一流道连接所述第二管体，而所述第三管体经由所述第二流道连接所述第四管体。

10.根据权利要求7所述的热交换装置，其中所述集水槽包括：

一个第二次集水槽，所述第二管体经由所述第二次集水槽连接所述第三管体；以及

一个第三次集水槽，连接所述第四管体，并具有所述液体出口。

11.根据权利要求7所述的热交换装置，其中所述第三管体及所述第四管体设置于所述第二通道中。

12.根据权利要求11所述的热交换装置，其中所述第一通道连接所述第二通道，以接收所述第二管体、所述第三管体与所述第四管体所加热的气流。

13.根据权利要求1所述的热交换装置，还包括：

一个储水槽，设置于所述集水槽与所述燃料混合槽之间，并位于所述集水槽下方，所述储水槽连接所述集水槽与所述燃料混合槽。

14.根据权利要求13所述的热交换装置，还包括：

一个阻隔组件，设置于所述集水槽与所述储水槽之间，以允许所述集水槽内的液态水透过所述阻隔组件而流至所述储水槽，并阻挡所述集水槽内的水蒸气流至所述储水槽。