CN101943525A - 一种管式换热器及其在直接醇类燃料电池系统中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管式换热器，具体地说是管式换热器及其在直接醇类燃料电池系统中的应用，采用泡沫金属作为换热器管外的换热片，与耐腐蚀管通过焊接、胶粘、膨胀连接等方式连接，利用空气对燃料电池排出的水汽进行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空气湿度控制冷凝风扇的启停，从而实现直接醇类燃料电池系统的水热平衡。本发明与现有技术相比，该方法有利于在环境湿度变化条件下维持燃料电池系统的水热平衡，换热器件换热效率高，体积小，重量轻，有利于提高系统的集成度，适用于需求高能量的应急电源、电子产品电源及动力电源。

Description

一种管式换热器及其在直接醇类燃料电池系统中的应用
技术领域
本发明涉及管式换热器，具体地说是管式换热器及其在直接醇类燃料电池系统中的应用，其主要是用于冷凝直接醇类燃料电池系统排出物中的水蒸汽，回收并循环使用冷凝下来的液态水，排出系统的多余热量，维持系统的水热平衡。
背景技术
直接醇类燃料电池是将醇类燃料中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装置。由于醇类燃料的比能量高，燃料电池系统结构简单等优点，该类电池在便携式移动电源领域具有广阔的应用前景。
在直接醇类燃料电池系统运行过程中，一方面，由于电极反应产生大量的热，所以需要对系统进行排热处理以避免因系统过热导致的电池性能降低；另一方面，为维持系统的水平衡，需要对电堆阴极的排出物进行冷凝并回收其中的液态水。因此，在直接醇类燃料电池的系统中，常常使用换热器来解决上述问题以维持整个燃料电池系统的水热平衡。然而，作为便携式移动电源，直接醇类燃料电池系统应具有体积小、重量轻等特点，这就对直接醇类燃料电池系统用换热器提出了高效、轻质的要求。
目前，应用于直接醇类燃料电池系统的换热器通常有板式换热器和管式换热器两种。板式换热器通常是由不锈钢钢片层叠堆积而成，当其应用在直接醇类燃料电池系统中时，阴极流出物和冷却空气分别通过不锈钢钢片的两侧，通过不锈钢钢片交换热量。该种换热器不易于与冷却风扇集成为一体，需要额外的流量整形空间，从而导致体积增大。管式换热器通常是将不锈钢管弯曲成蛇形，但是由于易产生压力降，所以钢管的长度受限，换热器换热效率较低。
近年来，泡沫金属作为一种质量轻、散热性好、比表面积高的新型材料，它的应用为改善传统换热器效率低、质量重、体积大的问题提供了一种新的解决途径。
中国专利200710135177.0公开了一种板式换热器，包括由换热板和封头构成的至少两个流体流通的流体通道，流体通道内设置有高导热性的泡沫金属。尽管该结构的板式换热器与平板式换热器相比，换热效果增强明显，但其较大的体积及与冷凝风扇集成困难等问题仍然不能满足直接醇类燃料电池系统的需要。
中国专利200810033289.1公开了一种内衬泡沫金属的翘片管式换热器，包括管外金属翘片、金属管和填充在金属管中的泡沫金属。尽管该换热器可以提高换热器管内换热性能，但多孔泡沫金属的存在会在很大程度上增加液态水的流动阻力，从而影响系统中液态水的回收和再利用。因此，这种类型的换热器并不适合用于直接醇类燃料电池系统。
中国专利200610105100.6公开了一种管式换热器，包括换热管以及布置在换热管外表面的泡沫金属和辅助换热装置。由于泡沫金属附着在整个金属管外壁上，增加了空气的流动阻力，使得辅助换热装置需要的消耗功率增大，降低了换热效率。不适宜应用在直接醇类燃料电池系统中。
综合来看，目前针对燃料电池系统水热平衡问题而采用的换热器换热效率不高，体积较大，难于与辅助冷却部件集成等问题仍然是阻碍直接醇类燃料电池系统应用的主要障碍之一。
发明内容
本发明针对以上现有技术的不足，提供一种用于燃料电池系统，特别是直接醇类(甲醇、乙醇、乙二醇等)燃料电池系统的换热器。这种换热器由耐腐蚀管和泡沫金属制成，具有结构紧凑，换热效率高，质量轻，易于与辅助换热设备集成，制造容易等优点。
为实现上述目的，本发明提供一种管式换热器。
一种管式换热器，包括耐腐蚀管和管外壁上固接的泡沫金属构成。
所述泡沫金属为板状结构，其作翅片固接于耐腐蚀管外壁上，形成翅片管式换热器；金属管外侧翅片由泡沫金属制成，由于泡沫金属具有孔隙率高、热传导性能好、质量轻等特点，使得这种由泡沫金属制成的翅片结构比传统的金属翅片结构在换热器的应用上更有优势；上述泡沫金属翅片与耐腐蚀管或通过焊接相连、或通过交联剂相连、或通过加热膨胀方式连接。
或者所述泡沫金属为块状整体结构，耐腐蚀管穿置于块状泡沫金属内部，最好于所述块状泡沫金属上开设有通孔，以增加其换热效果。
所述泡沫金属可为具有良好导热性能的材料，如Al、Cu、Ni或上述两种或两种以上金属的合金；所述耐腐蚀管的材料可为：金属361L，金属304L，或陶瓷材料，或管内壁面附着有金或银薄膜镀层的金属材料。
所述开孔泡沫金属材料与耐腐蚀管的固接方式为焊接、通过具有良好导热性的交联剂粘接、通过加热或压力膨胀挤压固连为一体(即过赢配合联接)。
所述耐腐蚀管由二根或二根以上平行排列的细管构成，细管之间依次通过与细管相同材料的短管焊接，所有的细管依次连接形成一连通的通路；耐腐蚀管平行排列，相邻的金属管之间由不锈钢钢管焊接连接形成一体化的流通通道，这种连接方式避免了直接弯成蛇形管体积过大的问题；
所述的管式换热器用于直接醇类燃料电池系统中，以改善系统的水热平衡，用作为水热管理的换热器。当其应用在燃料电池系统中时，换热器与燃料电池电堆的阴极相连接。在燃料电池系统运行过程中，燃料电池阴极排出物通过金属管通道的一端进入换热器，在换热器外部风冷装置的作用下，金属管中的水蒸汽冷凝为液态水，从金属管通道的另一端流出换热器，进入燃料电池集成系统中的下一个部件。
上述换热器，其用作直接醇类燃料电池系统中的换热器时，具体应用方法为利用电堆温度和燃料混合腔内液位高度或空气湿度联合控制冷凝风扇的启停，实现系统的水热平衡。
本发明应用在燃料电池系统中时具有显著的优点和积极的效果。由于燃料电池用换热器，其主要目的是排出燃料电池系统中的多余热量，将阴极排出物中的水蒸汽冷凝回收，改善系统的水热平衡。因此，其急需解决的问题是在维持换热器体积重量足够小的同时提高换热器的换热效率，而提高换热效率就要增大换热面积。泡沫金属作为一种质量轻、比表面积大、热传导能力好的新型材料，可以满足燃料电池用换热器的要求。当将其用做换热器的翅片时，该换热器与传统金属翅片换热器相比，换热器的换热效果大幅度提高，换热器的体积和重量明显减小。
附图说明
图1本发明所述换热器其泡沫金属为板状结构时的外观结构示意图；
图2本发明所述换热器其泡沫金属为块状整体结构时的外观结构示意图；
图3本发明所述换热器耐腐蚀管的连接方式示意图；
图4本发明所涉及的燃料电池系统的流程示意图；
图中：1为泡沫金属；2为耐腐蚀不锈钢金属细管；3为耐腐蚀不锈钢金属短管；4为块状泡沫金属上的通孔；5为燃料电池电堆阴极空气入口；5为；6为燃料电池电堆阳极；7为燃料电池电堆阴极；8为燃料电池系统气液分离器；9为燃料电池系统换热器；10为风扇；11为燃料电池系统气液分离器的纯甲醇入口。
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。
具体实施方式
传统的管式换热器一般由换热管、增强换热原件和辅助换热装置组成，其中增强换热元件包括换热管外的铝箔、翅片，换热管内的螺纹结构、扰流芯子等，作用都是增强换热。
本发明所述换热器主要用作燃料电池系统中，以达到改善系统的水热平衡的目的。其实现方式是通过排出系统中的多余热量，将阴极排出物中的水蒸汽冷凝成液态水并回收利用。通常情况下，阴极排出物中的水量并不是很多，如果在换热管内增强换热则可能导致液态水流通不畅，因此增大换热管外的换热面积是解决上述问题的途径之一。但如果利用传统的方式(如增加金属翅片)来提高管外换热面积，那么换热器相应的体积重量就要大幅度的提高，而泡沫金属作为一种质量轻、比表面积大、热传导能力好的新型材料，可以满足燃料电池用换热器翅片的要求。
如图1所示，为本发明所述换热器其泡沫金属为板状结构时的外观结构示意图。该换热器包括六根平行排布的耐腐蚀不锈钢金属细管2、五根不锈钢金属短管3以及六片泡沫金属板1；泡沫金属板作为翅片固接于金属细管2外壁上，其与金属细管2轴向垂直、并沿金属细管2轴向平行排布；按照图3所示的方式将六根平行金属细管2用金属短管3依次焊接，使六根平行的金属管连接成一通路；
每个泡沫金属翅片的相同位置处都设置有与平行金属管外直径大小相同的孔，且每个泡沫金属翅片上都具有的六个孔。将六个平行的金属管依次穿过六片泡沫金属翅片上的六个孔，保持六根平行金属管两端对齐，同时保证平行金属管的一端与金属翅片之间，每两个金属翅片之间，金属翅片与平行金属管的另一端的距离相等。平行金属管与泡沫金属翅片之间通过导热性的交联剂连接，形成翅片管式换热器。
如图2所示，为本发明所述换热器其泡沫金属为块状整体结构时的外观结构示意图。该换热器包括块状泡沫金属1六根平行排布的耐腐蚀不锈钢金属细管2、五根不锈钢金属短管3，耐腐蚀管穿置于块状泡沫金属1内部，块状泡沫金属1上开设有若干个通孔4。
如图4所示，上述换热器用在燃料电池系统中时，将换热器金属细管2的一端与燃料电池电堆的阴极7相连接。当燃料电池系统运行时，燃料电池电堆阴极7的排出物通过系统中的连接管路进入换热器9，同时在换热器9外部设置有风扇10，金属管中的水蒸汽在风扇10的作用下冷凝为液态水，从金属细管2通道的另一端流出换热器9，进入燃料电池集成系统中的下一个组成部件气液分离器8。
本发明采用泡沫金属作为换热器管外的换热片，与耐腐蚀管通过焊接、胶粘、膨胀连接等方式连接，利用空气对燃料电池排出的水汽进行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空气湿度控制冷凝风扇的启停，从而实现直接醇类燃料电池系统的水热平衡。本发明与现有技术相比，该方法有利于在环境湿度变化条件下维持燃料电池系统的水热平衡，换热器件换热效率高，体积小，重量轻，有利于提高系统的集成度，适用于需求高能量的应急电源、电子产品电源及动力电源。
以上所述的实施例只是为更好地阐明本发明而给出的较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本方案范围内进行的细节、步骤、材料、部件的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种管式换热器，其特征在于：包括耐腐蚀管和管外壁上固接的泡沫金属构成。
2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述泡沫金属为板状结构，其作翅片固接于耐腐蚀管外壁上，形成翅片管式换热器。
3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述泡沫金属为块状整体结构，耐腐蚀管穿置于块状泡沫金属内部。
4.如权利要求3所述的换热器，其特征在于：所述块状泡沫金属上开设有通孔。
5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述泡沫金属为Al、Cu、Ni或上述两种或两种以上金属的合金。
6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述耐腐蚀管的材料为：金属361L，金属304L，或陶瓷材料，或管内壁面附着有金或银薄膜镀层的金属材料。
7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述开孔泡沫金属材料与耐腐蚀管的固接方式为焊接、通过具有良好导热性的交联剂粘接、通过加热或压力膨胀挤压固连为一体。
8.如权利要求1所述的换热器，其特征在于：所述耐腐蚀管由二根或二根以上平行排列的细管构成，细管之间依次通过与细管相同材料的短管焊接，所有的细管依次连接形成一连通的通路。
9.一种权利要求1所述的管式换热器用于直接醇类燃料电池系统中，以改善系统的水热平衡。
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