專利名稱：一種管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管式換熱器，具體地說是管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統(tǒng)中 的應(yīng)用，其主要是用于冷凝直接醇類燃料電池系統(tǒng)排出物中的水蒸汽，回收并循環(huán)使用冷 凝下來的液態(tài)水，排出系統(tǒng)的多余熱量，維持系統(tǒng)的水熱平衡。
背景技術(shù)：
直接醇類燃料電池是將醇類燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種化學(xué)反應(yīng)裝 置。由于醇類燃料的比能量高，燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，該類電池在便攜式移動電源 領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在直接醇類燃料電池系統(tǒng)運行過程中，一方面，由于電極反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，所以 需要對系統(tǒng)進行排熱處理以避免因系統(tǒng)過熱導(dǎo)致的電池性能降低；另一方面，為維持系統(tǒng) 的水平衡，需要對電堆陰極的排出物進行冷凝并回收其中的液態(tài)水。因此，在直接醇類燃料 電池的系統(tǒng)中，常常使用換熱器來解決上述問題以維持整個燃料電池系統(tǒng)的水熱平衡。然 而，作為便攜式移動電源，直接醇類燃料電池系統(tǒng)應(yīng)具有體積小、重量輕等特點，這就對直 接醇類燃料電池系統(tǒng)用換熱器提出了高效、輕質(zhì)的要求。目前，應(yīng)用于直接醇類燃料電池系統(tǒng)的換熱器通常有板式換熱器和管式換熱器兩 種。板式換熱器通常是由不銹鋼鋼片層疊堆積而成，當其應(yīng)用在直接醇類燃料電池系統(tǒng)中 時，陰極流出物和冷卻空氣分別通過不銹鋼鋼片的兩側(cè)，通過不銹鋼鋼片交換熱量。該種換 熱器不易于與冷卻風(fēng)扇集成為一體，需要額外的流量整形空間，從而導(dǎo)致體積增大。管式換 熱器通常是將不銹鋼管彎曲成蛇形，但是由于易產(chǎn)生壓力降，所以鋼管的長度受限，換熱器 換熱效率較低。近年來，泡沫金屬作為一種質(zhì)量輕、散熱性好、比表面積高的新型材料，它的應(yīng)用 為改善傳統(tǒng)換熱器效率低、質(zhì)量重、體積大的問題提供了一種新的解決途徑。中國專利200710135177. 0公開了一種板式換熱器，包括由換熱板和封頭構(gòu)成的 至少兩個流體流通的流體通道，流體通道內(nèi)設(shè)置有高導(dǎo)熱性的泡沫金屬。盡管該結(jié)構(gòu)的板 式換熱器與平板式換熱器相比，換熱效果增強明顯，但其較大的體積及與冷凝風(fēng)扇集成困 難等問題仍然不能滿足直接醇類燃料電池系統(tǒng)的需要。中國專利200810033289. 1公開了一種內(nèi)襯泡沫金屬的翹片管式換熱器，包括管 外金屬翹片、金屬管和填充在金屬管中的泡沫金屬。盡管該換熱器可以提高換熱器管內(nèi)換 熱性能，但多孔泡沫金屬的存在會在很大程度上增加液態(tài)水的流動阻力，從而影響系統(tǒng)中 液態(tài)水的回收和再利用。因此，這種類型的換熱器并不適合用于直接醇類燃料電池系統(tǒng)。中國專利200610105100. 6公開了一種管式換熱器，包括換熱管以及布置在換熱 管外表面的泡沫金屬和輔助換熱裝置。由于泡沫金屬附著在整個金屬管外壁上，增加了空 氣的流動阻力，使得輔助換熱裝置需要的消耗功率增大，降低了換熱效率。不適宜應(yīng)用在直 接醇類燃料電池系統(tǒng)中。綜合來看，目前針對燃料電池系統(tǒng)水熱平衡問題而采用的換熱器換熱效率不高，體積較大，難于與輔助冷卻部件集成等問題仍然是阻礙直接醇類燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的主要
障礙之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于燃料電池系統(tǒng)，特別是直接醇類 (甲醇、乙醇、乙二醇等)燃料電池系統(tǒng)的換熱器。這種換熱器由耐腐蝕管和泡沫金屬制成， 具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，質(zhì)量輕，易于與輔助換熱設(shè)備集成，制造容易等優(yōu)點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種管式換熱器。一種管式換熱器，包括耐腐蝕管和管外壁上固接的泡沫金屬構(gòu)成。所述泡沫金屬為板狀結(jié)構(gòu)，其作翅片固接于耐腐蝕管外壁上，形成翅片管式換熱 器；金屬管外側(cè)翅片由泡沫金屬制成，由于泡沫金屬具有孔隙率高、熱傳導(dǎo)性能好、質(zhì)量輕 等特點，使得這種由泡沫金屬制成的翅片結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的金屬翅片結(jié)構(gòu)在換熱器的應(yīng)用上更 有優(yōu)勢；上述泡沫金屬翅片與耐腐蝕管或通過焊接相連、或通過交聯(lián)劑相連、或通過加熱膨 脹方式連接?；蛘咚雠菽饘贋閴K狀整體結(jié)構(gòu)，耐腐蝕管穿置于塊狀泡沫金屬內(nèi)部，最好于 所述塊狀泡沫金屬上開設(shè)有通孔，以增加其換熱效果。所述泡沫金屬可為具有良好導(dǎo)熱性能的材料，如Al、Cu、Ni或上述兩種或兩種以 上金屬的合金；所述耐腐蝕管的材料可為金屬361L，金屬304L，或陶瓷材料，或管內(nèi)壁面 附著有金或銀薄膜鍍層的金屬材料。所述開孔泡沫金屬材料與耐腐蝕管的固接方式為焊接、通過具有良好導(dǎo)熱性的交 聯(lián)劑粘接、通過加熱或壓力膨脹擠壓固連為一體(即過贏配合聯(lián)接)。所述耐腐蝕管由二根或二根以上平行排列的細管構(gòu)成，細管之間依次通過與細管 相同材料的短管焊接，所有的細管依次連接形成一連通的通路；耐腐蝕管平行排列，相鄰的 金屬管之間由不銹鋼鋼管焊接連接形成一體化的流通通道，這種連接方式避免了直接彎成 蛇形管體積過大的問題；所述的管式換熱器用于直接醇類燃料電池系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的水熱平衡，用作 為水熱管理的換熱器。當其應(yīng)用在燃料電池系統(tǒng)中時，換熱器與燃料電池電堆的陰極相連 接。在燃料電池系統(tǒng)運行過程中，燃料電池陰極排出物通過金屬管通道的一端進入換熱器， 在換熱器外部風(fēng)冷裝置的作用下，金屬管中的水蒸汽冷凝為液態(tài)水，從金屬管通道的另一 端流出換熱器，進入燃料電池集成系統(tǒng)中的下一個部件。上述換熱器，其用作直接醇類燃料電池系統(tǒng)中的換熱器時，具體應(yīng)用方法為利用 電堆溫度和燃料混合腔內(nèi)液位高度或空氣濕度聯(lián)合控制冷凝風(fēng)扇的啟停，實現(xiàn)系統(tǒng)的水熱 平衡。本發(fā)明應(yīng)用在燃料電池系統(tǒng)中時具有顯著的優(yōu)點和積極的效果。由于燃料電池用 換熱器，其主要目的是排出燃料電池系統(tǒng)中的多余熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝回 收，改善系統(tǒng)的水熱平衡。因此，其急需解決的問題是在維持換熱器體積重量足夠小的同時 提高換熱器的換熱效率，而提高換熱效率就要增大換熱面積。泡沫金屬作為一種質(zhì)量輕、比 表面積大、熱傳導(dǎo)能力好的新型材料，可以滿足燃料電池用換熱器的要求。當將其用做換熱 器的翅片時，該換熱器與傳統(tǒng)金屬翅片換熱器相比，換熱器的換熱效果大幅度提高，換熱器的體積和重量明顯減小。


圖1本發(fā)明所述換熱器其泡沫金屬為板狀結(jié)構(gòu)時的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明所述換熱器其泡沫金屬為塊狀整體結(jié)構(gòu)時的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明所述換熱器耐腐蝕管的連接方式示意圖；圖4本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)的流程示意圖；圖中1為泡沫金屬；2為耐腐蝕不銹鋼金屬細管；3為耐腐蝕不銹鋼金屬短管；4 為塊狀泡沫金屬上的通孔；5為燃料電池電堆陰極空氣入口 ；5為；6為燃料電池電堆陽極； 7為燃料電池電堆陰極；8為燃料電池系統(tǒng)氣液分離器；9為燃料電池系統(tǒng)換熱器；10為風(fēng) 扇；11為燃料電池系統(tǒng)氣液分離器的純甲醇入口。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細說明。
具體實施例方式傳統(tǒng)的管式換熱器一般由換熱管、增強換熱原件和輔助換熱裝置組成，其中增強 換熱元件包括換熱管外的鋁箔、翅片，換熱管內(nèi)的螺紋結(jié)構(gòu)、擾流芯子等，作用都是增強換 熱。本發(fā)明所述換熱器主要用作燃料電池系統(tǒng)中，以達到改善系統(tǒng)的水熱平衡的目 的。其實現(xiàn)方式是通過排出系統(tǒng)中的多余熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝成液態(tài)水并 回收利用。通常情況下，陰極排出物中的水量并不是很多，如果在換熱管內(nèi)增強換熱則可能 導(dǎo)致液態(tài)水流通不暢，因此增大換熱管外的換熱面積是解決上述問題的途徑之一。但如果 利用傳統(tǒng)的方式(如增加金屬翅片)來提高管外換熱面積，那么換熱器相應(yīng)的體積重量就 要大幅度的提高，而泡沫金屬作為一種質(zhì)量輕、比表面積大、熱傳導(dǎo)能力好的新型材料，可 以滿足燃料電池用換熱器翅片的要求。如圖1所示，為本發(fā)明所述換熱器其泡沫金屬為板狀結(jié)構(gòu)時的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。 該換熱器包括六根平行排布的耐腐蝕不銹鋼金屬細管2、五根不銹鋼金屬短管3以及六片 泡沫金屬板1 ；泡沫金屬板作為翅片固接于金屬細管2外壁上，其與金屬細管2軸向垂直、 并沿金屬細管2軸向平行排布；按照圖3所示的方式將六根平行金屬細管2用金屬短管3 依次焊接，使六根平行的金屬管連接成一通路；每個泡沫金屬翅片的相同位置處都設(shè)置有與平行金屬管外直徑大小相同的孔，且 每個泡沫金屬翅片上都具有的六個孔。將六個平行的金屬管依次穿過六片泡沫金屬翅片上 的六個孔，保持六根平行金屬管兩端對齊，同時保證平行金屬管的一端與金屬翅片之間，每 兩個金屬翅片之間，金屬翅片與平行金屬管的另一端的距離相等。平行金屬管與泡沫金屬 翅片之間通過導(dǎo)熱性的交聯(lián)劑連接，形成翅片管式換熱器。如圖2所示，為本發(fā)明所述換熱器其泡沫金屬為塊狀整體結(jié)構(gòu)時的外觀結(jié)構(gòu)示意 圖。該換熱器包括塊狀泡沫金屬1六根平行排布的耐腐蝕不銹鋼金屬細管2、五根不銹鋼金 屬短管3，耐腐蝕管穿置于塊狀泡沫金屬1內(nèi)部，塊狀泡沫金屬1上開設(shè)有若干個通孔4。如圖4所示，上述換熱器用在燃料電池系統(tǒng)中時，將換熱器金屬細管2的一端與燃 料電池電堆的陰極7相連接。當燃料電池系統(tǒng)運行時，燃料電池電堆陰極7的排出物通過
5系統(tǒng)中的連接管路進入換熱器9，同時在換熱器9外部設(shè)置有風(fēng)扇10，金屬管中的水蒸汽在 風(fēng)扇10的作用下冷凝為液態(tài)水，從金屬細管2通道的另一端流出換熱器9，進入燃料電池集 成系統(tǒng)中的下一個組成部件氣液分離器8。本發(fā)明采用泡沫金屬作為換熱器管外的換熱片，與耐腐蝕管通過焊接、膠粘、膨脹 連接等方式連接，利用空氣對燃料電池排出的水汽進行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空 氣濕度控制冷凝風(fēng)扇的啟停，從而實現(xiàn)直接醇類燃料電池系統(tǒng)的水熱平衡。本發(fā)明與現(xiàn)有 技術(shù)相比，該方法有利于在環(huán)境濕度變化條件下維持燃料電池系統(tǒng)的水熱平衡，換熱器件 換熱效率高，體積小，重量輕，有利于提高系統(tǒng)的集成度，適用于需求高能量的應(yīng)急電源、電 子產(chǎn)品電源及動力電源。以上所述的實施例只是為更好地闡明本發(fā)明而給出的較優(yōu)選的具體實施方式
，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員在本方案范圍內(nèi)進行的細節(jié)、步驟、材料、部件的變化和替換都應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種管式換熱器，其特征在于包括耐腐蝕管和管外壁上固接的泡沫金屬構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述泡沫金屬為板狀結(jié)構(gòu)，其作翅片固接 于耐腐蝕管外壁上，形成翅片管式換熱器。
3.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述泡沫金屬為塊狀整體結(jié)構(gòu)，耐腐蝕管 穿置于塊狀泡沫金屬內(nèi)部。
4.如權(quán)利要求3所述的換熱器，其特征在于所述塊狀泡沫金屬上開設(shè)有通孔。
5.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述泡沫金屬為Al、Cu、Ni或上述兩種或 兩種以上金屬的合金。
6.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述耐腐蝕管的材料為金屬361L，金屬 304L，或陶瓷材料，或管內(nèi)壁面附著有金或銀薄膜鍍層的金屬材料。
7.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述開孔泡沫金屬材料與耐腐蝕管的固 接方式為焊接、通過具有良好導(dǎo)熱性的交聯(lián)劑粘接、通過加熱或壓力膨脹擠壓固連為一體。
8.如權(quán)利要求1所述的換熱器，其特征在于所述耐腐蝕管由二根或二根以上平行排 列的細管構(gòu)成，細管之間依次通過與細管相同材料的短管焊接，所有的細管依次連接形成 一連通的通路。
9.一種權(quán)利要求1所述的管式換熱器用于直接醇類燃料電池系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的水 熱平衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及管式換熱器，具體地說是管式換熱器及其在直接醇類燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用泡沫金屬作為換熱器管外的換熱片，與耐腐蝕管通過焊接、膠粘、膨脹連接等方式連接，利用空氣對燃料電池排出的水汽進行冷凝，利用溶液混合腔的液位或空氣濕度控制冷凝風(fēng)扇的啟停，從而實現(xiàn)直接醇類燃料電池系統(tǒng)的水熱平衡。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法有利于在環(huán)境濕度變化條件下維持燃料電池系統(tǒng)的水熱平衡，換熱器件換熱效率高，體積小，重量輕，有利于提高系統(tǒng)的集成度，適用于需求高能量的應(yīng)急電源、電子產(chǎn)品電源及動力電源。
文檔編號F28D1/04GK101943525SQ20091001246
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者孫公權(quán), 孫海, 趙鋼, 陳利康 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所