CN104160537B

CN104160537B - 用于燃料电池的湿热交换器

Info

Publication number: CN104160537B
Application number: CN201280070523.2A
Authority: CN
Inventors: 徐光德; 李在俊; 黄祯泰; 成厚基
Original assignee: Daxing Cooler Co Ltd; Posco Energy Co Ltd
Current assignee: Daxing Cooler Co ltd; Korea Fuel Cell Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN104160537A; EP2797150A1; EP2797150A4; WO2013095025A1; EP2797150B1; JP2015503209A; JP5809365B2; US20140349202A1

Abstract

根据本发明的用于燃料电池的湿热交换器包括：主体，其具有分别形成在纵向一端和纵向另一端的进气孔和排气孔；第一管道，其设置在主体内部并且沿着主体的纵向螺旋地盘绕；第二管道，其设置在主体内部，在第一管道的外侧覆盖第一管道，并且沿着主体的纵向螺旋地盘绕；供应单元，其设置在排气孔侧并且将燃料和水的混合物供应到第一管道和第二管道；以及排放单元，其设置在进气孔侧并且将混合物从第一管道和第二管道排放掉。

Description

用于燃料电池的湿热交换器

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的湿热交换器，更具体地涉及如下所述的用于燃料电池的湿热交换器：即使管道由于过热而膨胀，该湿热交换器也不容易损坏，并且该湿热交换器还能够提高热交换效率。

背景技术

燃料电池是利用电化学反应来将存储在烃类燃料中的化学能直接转化成电能的单元。也就是说，燃料电池是利用阳极的氢气氧化反应和阴极的氧化还原反应来将化学能直接转化成电能的单元。利用上述反应来产生电能的燃料电池系统可以包括燃料电池堆、机械辅机(MBOP)以及电气辅机(EBOP)。燃料电池堆可以是利用电化学反应来产生电能的单元，MBOP可以是向燃料电池堆中供应氧气和氢气的单元，EBOP可以是利用逆变器来将施加到燃料电池堆中的直流电转换成交流电的单元，以便将转换出的交流电供应到期望的单元。

然而，氢气必须被供应到燃料电池堆的阳极，以便在阳极上进行氧化反应。在诸如熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等高温燃料电池中，使用重整器将用于燃料电池的燃料(例如液化天然气(LNG))中所含有的烃重整成氢气，以便将氢气供应到阳极。这里，在重整器中发生的重整反应需要水。然而，由于液态水可能破坏重整催化剂，所以必须向重整器中供应气态水以及用于燃料电池的燃料。当气态水被供应到重整器中时，用于燃料电池的燃料可以容易地和水混合。因此，诸如MCFC等高温燃料电池包括用来使水蒸发以便使蒸发后的水与用于燃料电池的燃料混合的湿热交换器，由此供应气态水。

多管式热交换器湿热交换器类型的固定管片式热交换器被用作湿热交换器。固定管片式热交换器包括：管片12，其位于该固定管片式热交换器的纵向两端；以及管道14，其固定在管片12之间，如图4所示。然而，管片12和管道14之间的连接部可能由于根据现有技术描述的湿热交换器的上述结构而容易破裂。

具体地说，由于管道14在热交换期间过热，所以管道14沿轴向(沿管道14的纵向)膨胀。然而，由于管道14的纵向两端与管片12相连，所以管道14的膨胀被管片12限制。这样，由于管道14的膨胀被限制，应力可能集中在管片12与管道14之间的连接部。因此，根据现有技术的固定管片式热交换器可能容易在管片12与管道14之间的连接部破裂(或变形)。

发明内容

<技术问题>

因此，为了解决上述问题，本发明提供一种用于燃料电池的湿热交换器，即使管道由于过热而膨胀，这种湿热交换器也不容易损坏，并且这种湿热交换器还能够提高热交换效率。

<技术方案>

根据本发明的一方面，提供一种用于燃料电池的湿热交换器，所述湿热交换器包括：主体，其包括进气孔和排气孔，所述进气孔被限定在所述主体的纵向一端，所述排气孔被限定在所述主体的纵向另一端；第一管道，其设置在所述主体内部，所述第一管道沿着所述主体的纵向螺旋地盘绕；第二管道，其设置在所述主体内部并且沿着所述主体的纵向螺旋地盘绕，所述第二管道设置在所述第一管道外侧并包围所述第一管道；供应单元，其设置在排气孔侧，以将燃料和水的混合物供应到所述第一管道和所述第二管道；以及排放单元，其设置在进气孔侧，以将从所述第一管道和所述第二管道供应的所述混合物排放掉。

根据本发明的另一方面，提供一种用于燃料电池的湿热交换器，所述湿热交换器包括：主体，其包括进气孔和排气孔，所述进气孔被限定在所述主体的纵向一端，所述排气孔被限定在所述主体的纵向另一端；第一管道，其设置在所述主体内部，所述第一管道沿着所述主体的纵向螺旋地盘绕；流扩散单元，其从所述第一管道的中心穿过并且沿着所述主体的纵向延伸；供应单元，其设置在排气孔侧，以将燃料和水的混合物供应到所述第一管道；以及排放单元，其设置在进气孔侧，以将所述混合物从所述第一管道排放掉。

<有益效果>

在根据本发明实施例的用于燃料电池的湿热交换器中，由于湿热交换器中的管道沿着主体的纵向盘绕，所以即使管道由于过热而膨胀，管道也可以吸收该膨胀，从而防止管道破裂。另外，由于一条管道包围另一条管道，或者从管道的中心穿过的流扩散单元使高温气体扩散到外侧，所以主体的热交换面积增大，从而提高了热交换效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的湿热交换器的正视图；

图2是示出图1中的湿热交换器的侧剖视图；

图3是沿着图2中的线A-A截取的剖视图；并且

图4是根据现有技术的湿热交换器的正视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来更详细地描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于这些优选实施例。

图1是根据本发明实施例的湿热交换器的正视图，图2是示出图1中的湿热交换器的侧剖视图，图3是沿着图2中的线A-A截取的剖视图。如图1和图2所示，根据本实施例的湿热交换器主要地包括主体110。主体110形成湿热交换器的外壳，并且包括：进气孔112，其被限定在主体110的纵向(图1和图2中的竖直方向)一端；以及排气孔114，其被限定在主体的纵向另一端。

进入进气孔112中的高温气体加热第一管道120(稍后描述)中的混合物(另外，如下文中所描述的，如果还设置有第二管道，则高温气体也加热第二管道中的混合物)。换句话说，进入进气孔112中并排放到排气孔114的高温气体与第一管道120中的混合物进行热交换，由此第一管道120中的混合物的温度由于热交换而升高。在这个过程中，混合物中的液态水蒸发成气态水，并且混合物中的燃料被加热到适当的温度。如上所述，加热第一管道120中的混合物(或者第一管道和第二管道中的混合物)的高温气体可以是从燃料电池堆的阴极排出的阴极废气。

例如，进气孔112和排气孔114可以分别被限定在主体110的两端，如图1和图2所示。当进气孔112和排气孔114分别被如上所述地限定在主体110的两端时，气体可以沿直线流动。因此，气体可以平稳地流动。然而，在有些情况下，进气孔112和排气孔114可以被限定在主体110的两端的外周。在这种情况下，进气孔112和排气孔114可以被限定在与主体110的纵向垂直的方向(图1和图2中的水平方向)上。

燃料和水的混合物流经第一管道120，第一管道120可以设置在主体110内部。第一管道120沿着主体110的纵向螺旋地盘绕，如图1和图2所示。由于根据本实施例的第一管道120具有螺旋形结构，所以即使管道120过热，管道120也不容易损坏。具体地说，根据本实施例的管道120具有例如弹簧形之类的形状。因此，即使根据本实施例的管道120由于过热而膨胀，管道120也可以容易地吸收管道120在主体110的纵向或者与主体110的纵向垂直的方向上的膨胀。

例如，即使根据本实施例的管道120被向内推(即，从图2中的上端或下端向内推动管道120)或者被向外拉(即，从图2中的上端或下端向外拉动管道120)，管道120也可以由于形状与弹簧类似而容易地吸收自身的膨胀。由于根据本实施例的管道120具有与弹簧类似的形状，也就是说，管道120沿着主体110的纵向螺旋地盘绕，所以即使管道120由于过热而膨胀，管道120也可以容易地变形。这样，由于管道120的膨胀受限制的部分很少，所以管道120的应力集中的部分很少，所以管道120不容易损坏。

可选地，可以设置两条管道。也就是说，根据本实施例的湿热交换器还可以包括第二管道130；第二管道130沿着主体110的纵向螺旋地盘绕，从而在第一管道120的外侧包围第一管道120。如上所述，当一条管道130围绕着另一条管道120时，可以更高效地进行热交换。具体地说，形成湿热交换器的外壳的主体110具有大致圆筒形的形状。因此，当两条管道螺旋地盘绕在圆筒形的主体110内部时，由于与仅设置一条管道的情况相比传热面积增大，所以可以更高效地进行热交换。也就是说，根据本实施例的湿热交换器具有如下结构：一条管道130包围另一条管道120，以增大传热面积，由此提高热交换效率。

这里，第一管道120和第二管道130可以沿彼此相反的方向盘绕，如图2所示，以进一步提高热交换效率。例如，如果第一管道120沿逆时针方向盘绕，则第二管道130可以沿顺时针方向盘绕，以提高热交换效率。具体地说，进入进气孔112中的高温气体流动得越不规则，热交换效率提高得越多。这是由于当高温气体不规则地流动时，高温气体和管道之间的接触的可能性提高。换句话说，当高温气体规则地流动时(例如，沿直线流动或分层地流动)，排入排气孔114中的高温气体不与管道接触的可能性增大。

因此，该湿热交换器可以使高温气体不规则地流动(例如，湍流)，以提高热交换效率。第一管道120和第二管道130可以沿彼此相反的方向盘绕，以使高温气体不规则地流动。当第一管道120和第二管道130沿彼此相反的方向盘绕时，由于与第一管道120及第二管道130沿同一方向盘绕的情况相比，对气体的流动施加更多限制，所以高温气体会更不规则地流动。

由于根据本实施例的湿热交换器具有两条沿彼此相反的方向盘绕的管道120和130，所以进入进气孔112中的气体可以不规则地流动，因而与管道120和130的接触面积更大，从而提高了热交换效率。

另外，根据本实施例的湿热交换器包括供应单元140，供应单元140将染料和水的混合物供应到第一管道120和第二管道130。供应单元140包括：燃料供应部142，经由燃料供应部142供应燃料；水供应部144，经由水供应部144供应水；以及混合部146，从燃料供应部142供应来的燃料和从水供应部144供应来的水在混合部146中混合。混合部146内部可以足以具有用于使燃料和水混合的空间。例如，即使混合部146具有如下结构：该结构使得内部有燃料在流动的管道与内部有水在流动的管道简单地相连，内部有燃料在流动的管道与内部有水在流动的管道相接触的部分也可以是某种混合部件。

第一管道120和第二管道130与混合部146相连。第一管道120和第二管道130可以直接地连接到混合部146，或者经由其它管道间接地连接到混合部146。这样，从燃料供应部142供应来的燃料和从水供应部144供应来的水可以在混合部146中混合，然后被供应到第一管道120和第二管道130。

从供应单元140供应到管道120和130的燃料和水的混合物与主体110中的高温气体进行热交换，然后经由排放单元150排放到主体110的外部。排放单元150包括收集管道152和排放管道154。收集管道152是收集来自第一管道120和第二管道130的混合物的管道；排放管道154是与收集管道152相连的管道，用于将收集管道152中收集的混合物排放到主体110的外部。然而，收集管道152内部可以足以具有与上述混合部146类似的空间，以便将来自第一管道120和第二管道130的混合物收纳在该空间中。例如，即使收集管道152具有使第一管道及第二管道与排放管道简单地相连的结构，排放管道与第一管道及第二管道相接触的部分也可以是某种收集管道。

供应单元140和排放单元150可以分别设置在与进气孔112及排气孔114相反的侧部。即，在本实施例中，如图2所示，供应单元140设置在排气孔114侧，而排放单元150设置在进气孔112侧。这样，从供应单元140流向排放单元150的低温流体(燃料和水的混合物)和从进气孔112流向排气孔114的高温流体(高温气体)可以沿彼此相反的方向流动。在本实施例的湿热交换器中，高温流体(高温气体)和低温流体(燃料和水的混合物)沿彼此相反的方向流动。

第一管道120在供应单元140侧与主体110相连，第二管道130在排放单元150侧与收集管道152相连，如图2所示。利用上述连接结构，管道120和130不容易由于过热而损坏。具体地说，由于过热所导致的膨胀在管道的连接部处受到限制，所以应力可能集中在管道120和130的连接部。

然而，当如本实施例所述地将连接部设置在纵向两端处时，在应力集中到连接部之前，弹簧形的管道可以吸收膨胀。也就是说，由于弹簧形的管道设置在连接部之间来吸收由于过热而导致的大部分膨胀，所以施加到连接部的应力可以是微小的。因此，如本实施例所述，当管道在供应单元140侧连接到主体110并且在排放单元150侧连接到收集管道152时，该管道可以不会仅仅由于过热而损坏。

根据本实施例的湿热交换器包括流扩散单元160，流扩散单元160穿过第一管道120的中心并沿着主体110的纵向延伸。如上所述，根据本实施例的湿热交换器包括位于第一管道120外侧的第二管道130，以便充分地确保传热面积。然而，即使湿热交换器中还设置有第二管道130，仍可能难以防止因高温气体从第一管道120的中心穿过而产生的热损耗。根据本实施例的湿热交换器设置有位于第一管道120的中心处的流扩散单元160，以防止发生热损耗。当设置有流扩散单元160时，因为高温气体不从第一管道120的中心穿过，所以可以有更多量的高温气体接触第一管道120和第二管道130，也就是说，高温气体被流扩散单元160扩散到外侧。

这里，流扩散单元160的重量要尽可能地轻。这是因为较重的流扩散单元160会导致安装和维护更困难。在本实施例中，流扩散单元160可以具有空心圆筒形的形状，以减小自身的重量。然而，当设置具有上述形状的流扩散单元160时，流扩散单元160中的空气可能由于高温气体而膨胀，由此导致流扩散单元160破裂。因此，根据本实施例的流扩散单元160中可以限定有排放孔(未示出)，以防止流扩散单元160破裂。当流扩散单元160中限定有排放孔时，流扩散单元160中的空气可以排放到外部，从而防止了流扩散单元160由于膨胀而破裂。

排放孔可以限定在流扩散单元160的位于排气孔114侧的端部(图2中的流扩散单元160的上部)。当排放孔限定在流扩散单元160的上端时，流扩散单元160中的空气可以更自然地排放到外部。另外，当排放孔限定在流扩散单元160的上端时，流动的扩散可以不受限制。也就是说，当排放孔限定在流扩散单元160的下部(图2中的下侧)时，高温气体可能进入排放孔中而不是像最初预计的那样扩散开。

<工业实用性>

本发明涉及一种用于燃料电池的湿热交换器，即使管道由于过热而膨胀，该湿热交换器也不容易损坏，并且该湿热交换器能够提高热交换效率。

Claims

1.一种用于燃料电池的湿热交换器，包括：

主体，所述主体包括：进气孔，其被限定在所述主体的纵向一端；以及排气孔，其被限定在所述主体的纵向另一端；

第一管道，其设置在所述主体内部，所述第一管道沿着所述主体的纵向螺旋地盘绕；

流扩散单元，其沿着所述主体的纵向延伸并从所述第一管道的中心穿过；

供应单元，其设置在排气孔侧，以将燃料和水的混合物供应到所述第一管道；以及

排放单元，其设置在进气孔侧，以将所述混合物从所述第一管道排放掉，

其中，由所述进气孔引入的气体不从所述第一管道的中心穿过，而被所述流扩散单元扩散到外侧。

2.根据权利要求1所述的湿热交换器，还包括：

第二管道，其设置在所述主体内部并且沿着所述主体的纵向螺旋地盘绕，所述第二管道设置在所述第一管道外侧并包围所述第一管道，

其中，所述供应单元将所述混合物供应到所述第一管道和所述第二管道中，所述排放单元将所述混合物从所述第一管道和所述第二管道排放掉。

3.根据权利要求2所述的湿热交换器，其中，

所述供应单元包括：

燃料供应部，经由所述燃料供应部供应燃料；

水供应部，经由所述水供应部供应水；以及

混合部，从所述燃料供应部供应来的燃料和从所述水供应部供应来的水在所述混合部中混合，所述混合部连接到所述第一管道和所述第二管道。

4.根据权利要求2所述的湿热交换器，其中，

所述排放单元包括：

收集管道，从所述第一管道供应来的混合物和从所述第二管道供应来的混合物被收集到所述收集管道中；以及

排放管道，其与所述收集管道相连，以将所述混合物排放到外部。

5.根据权利要求4所述的湿热交换器，其中，

所述第一管道和所述第二管道在供应单元侧连接到所述主体，并且在排放单元侧连接到所述收集管道。

6.根据权利要求1所述的湿热交换器，其中，

所述流扩散单元具有空心圆筒形的形状。

7.根据权利要求6所述的湿热交换器，其中，

所述流扩散单元包括排放孔，所述排放孔被限定在所述排气孔侧的一端，以排放所述流扩散单元中的气体。

8.根据权利要求2所述的湿热交换器，其中，

所述第二管道沿着与所述第一管道相反的方向盘绕。