專利名稱：熱交換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置，并特別涉及一種可應(yīng)用于燃料電池模塊的熱交換裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池具有高效率、低噪音、無污染的優(yōu)點，是符合時代趨勢的能源技術(shù)。燃料 電池可分為多種類型，常見的為質(zhì)子交換膜型燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)以及直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell, DMFC) 以直接甲 醇燃料電池為例，直接甲醇燃料電池的燃料電池模塊是由質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane)及分別設(shè)置于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陰極(cathode)與陽極(anode)所組成。與燃料電池有關(guān)的專利例如美國專利編號20070114005、臺灣專利編號 1244794,200814416,200835037以及200847516。另外，與熱管有關(guān)的專利還有臺灣專利 編號 1305823。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種熱交換裝置，其可將燃料電池模塊反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸氣回收再利用。本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點可以從本發(fā)明所公開的技術(shù)特征中得到進(jìn)一步的了解。為了達(dá)到上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本發(fā)明的一個實施例提供一 種熱交換裝置，適用于燃料電池系統(tǒng)。熱交換裝置包括一個集水槽、至少一個第一管體、至 少一個第二管體、一個氣流產(chǎn)生器以及一個外殼。集水槽具有一個液體出口，并適于連接燃 料電池系統(tǒng)的燃料混合槽。第一管體適于接收來自燃料電池系統(tǒng)的燃料電池模塊的陰極端 所產(chǎn)生的水蒸氣。第二管體連通于第一管體與集水槽之間，并經(jīng)由液體出口連接外界。氣 流產(chǎn)生器適于產(chǎn)生冷卻氣流。冷卻氣流流經(jīng)第二管體的外部，以與第二管體的內(nèi)部的水蒸 氣進(jìn)行熱交換，使部分水蒸氣冷凝為液態(tài)水而流至集水槽。外殼具有第一通道和第二通道， 其中第一管體設(shè)置于第一通道中，第二管體設(shè)置于第二通道中，流經(jīng)第一通道及第一管體 的外部的氣流適于受到第一管體的內(nèi)部的水蒸氣所加熱，以供應(yīng)至燃料電池系統(tǒng)。在本發(fā)明的上述實施例中，熱交換裝置通過冷卻氣流與第二管體的內(nèi)部的水蒸氣 進(jìn)行熱交換，使部分水蒸氣冷凝為液態(tài)水而流至集水槽。集水槽中的液態(tài)水可補充至燃料 混合槽，以達(dá)成水回收的效果。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一個實施例，并配合附圖， 作詳細(xì)說明如下。


圖1是依照本發(fā)明的一個實施例的一種應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)的熱交換裝置的方 塊圖。
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圖2是依照本發(fā)明的一個實施例的一種熱交換裝置的立體示意圖。圖3是圖2的分解圖。圖4是圖2的熱交換裝置于另一視角的立體示意圖。圖5是圖4的分解圖。圖6是圖2的熱交換裝置的俯視圖。圖7是圖6沿著A-A線的剖面圖。圖8是依照本發(fā)明另一個實施例的第二管體的剖面圖。圖9是圖6沿著B-B線的剖面圖。圖10是圖2的熱交換裝置的側(cè)視圖。圖11是圖10沿著C-C線的剖面圖。圖12是第二管體的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的示意圖。圖13是圖10沿著D-D線的剖面圖。主要組件符號說明10 燃料電池系統(tǒng)12 燃料電池模塊12a:陰極端12b:陽極端14 燃料混合槽100 熱交換裝置110:集水槽112:液體出口114:第一次集水槽116:第二次集水槽118:第三次集水槽120 第一管體120a:第一管體的內(nèi)部120b 第一管體的外部122 截段130 第二管體130a:第二管體的內(nèi)部130b 第二管體的外部132、162、172 鰭片134 毛細(xì)結(jié)構(gòu)140 氣流產(chǎn)生器142 冷卻氣流150 流道組件152 第一流道154 第二流道160 第三管體
170第四管體
180夕卜殼
182第一通道
184第二通道
186入風(fēng)口
190儲水槽
191阻隔組件
Gl 第一管體組
G2 第二管體組
G3 第三管體組
G4 第四管體組
具體實施例方式有關(guān)本發(fā)明前述及其它技術(shù)內(nèi)容、特點與功效，在以下配合附圖的優(yōu)選實施例的 詳細(xì)說明中，將可清楚的呈現(xiàn)。以下實施例中所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、 「后」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限 制本發(fā)明的。圖1是依照本發(fā)明的一個實施例的一種應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)的熱交換裝置的方 塊圖。請參考圖1，熱交換裝置100適用于燃料電池系統(tǒng)10。燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電 池模塊12與燃料混合槽14，其中燃料電池模塊12用以執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)，而燃料混合槽14用 以儲存燃料。在本實施例中，此燃料例如是甲醇(CH3OH)水溶液。熱交換裝置100可將燃 料電池模塊12反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸氣回收再利用。圖2是依照本發(fā)明的一個實施例的一種熱交換裝置的立體示意圖，而圖3是圖2 的分解圖。圖4是圖2的熱交換裝置于另一視角的立體示意圖，而圖5是圖4的分解圖。請 參考圖1至圖5，熱交換裝置100包括一個集水槽110、至少一個第一管體120、至少一個 第二管體130、一個氣流產(chǎn)生器140以及一個外殼180。集水槽110設(shè)置于第一管體120與 第二管體130的一側(cè)，且具有液體出口 112，并且集水槽110適于連接燃料混合槽14。第一管體120適于接收來自燃料電池模塊12的陰極端12a所產(chǎn)生的水蒸氣。第 二管體130連通于第一管體120與集水槽110之間，并經(jīng)由液體出口 112連接外界。因此， 當(dāng)燃料電池模塊12反應(yīng)時，陰極端12a所產(chǎn)生的水蒸氣會依序流經(jīng)第一管體120的內(nèi)部 120a、第二管體130的內(nèi)部130a與集水槽110，并且經(jīng)由液體出口 112逸散至外界。氣流產(chǎn)生器140適于產(chǎn)生冷卻氣流142。在本實施例中，氣流產(chǎn)生器140可以是軸 流風(fēng)扇。冷卻氣流142流經(jīng)第二管體130的外部130b，并與第二管體130的內(nèi)部130a的水 蒸氣進(jìn)行熱交換。所以，第二管體130的內(nèi)部130a的水蒸氣會受到冷卻氣流142冷卻而有 部分的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，進(jìn)而流至集水槽110。此外，液態(tài)水受到重力作用而流至集水 槽110后，可流動至燃料混合槽14，以補充至燃料電池模塊12的陽極端12b，進(jìn)而可達(dá)成水 回收的效果。另一方面，冷卻氣流142流經(jīng)第二管體130的外部130b后，可被導(dǎo)引而補充至陰 極端12a。值得注意的是，冷卻氣流142會受到第二管體130的內(nèi)部130a的水蒸氣加熱而升溫。因此，陰極端12a通過接收溫度較高的冷卻氣流142作為反應(yīng)物，燃料電池模塊12 的反應(yīng)速率可有效地提升，進(jìn)而使燃料電池系統(tǒng)10具有較佳的發(fā)電效率。在本實施例中，熱交換裝置100進(jìn)一步包括流道組件150、至少一個第三管體160 及至少一個第四管體170。第三管體160經(jīng)由集水槽110連接第二管體130，且第四管體170 連通于第三管體160與集水槽110之間。流道組件150相對集水槽110設(shè)置于這些管體 120、130、160、170的另一側(cè)，此流道組件150具有一個第一流道152和一個第二流道154， 其中第一管體120可經(jīng)由第一流道152連接第二管體130，而第三管體160可經(jīng)由第二流道 154連接第四管體170。此外，集水槽110可包括一個第一次集水槽114、一個第二次集水槽116和一個第 三次集水槽118。第一次集水槽114連接第一管體120，而第一管體120適于經(jīng)由第一次集 水槽114接收陰極端12a所產(chǎn)生的水蒸氣。第二管體130經(jīng)由第二次集水槽116連接第三 管體160，而第三次集水槽118連接第四管體170，并具有上述的液體出口 112。詳細(xì)而言，燃料電池模塊12的陰極端12a反應(yīng)所生成的水蒸氣可通過一個氣流驅(qū) 動器(未示出)所驅(qū)使而離開陰極端12a，并且進(jìn)入第一管體120中。在本實施例中，水蒸 氣可透過外殼180的一入風(fēng)口 186而流經(jīng)第一次集水槽114，并且流入第一管體120中。位 于第一管體120中的水蒸氣會依序流經(jīng)第一流道152、第二管體130、第二次集水槽116、第 三管體160、第二流道154、第四管體170、第三次集水槽118，最后經(jīng)由液體出口 112逸散至 外界。在這過程中，水蒸氣可冷凝成水來回收。在本實施例中，外殼180可具有一個第一通道182和一個第二通道184。第一管 體120設(shè)置于第一通道182中，而第二管體130、第三管體160與第四管體170都設(shè)置于第 二通道184中。第一通道182可連接第二通道184。所以，氣流產(chǎn)生器140所產(chǎn)生的冷卻氣 流142可先流經(jīng)第二通道184，并且受到第二管體130、第三管體160與第四管體170的內(nèi) 部的水蒸氣所加熱而升溫。接著，冷卻氣流142可再流經(jīng)第一通道182及第一管體120的 外部120b，并且受到第一管體120的內(nèi)部120a的水蒸氣所加熱而升溫。因此，冷卻氣流142可通過依序流經(jīng)第二通道184與第一通道182而加熱兩次。如 此一來，通過將溫度較高的冷卻氣流142供應(yīng)至陰極端12a作為反應(yīng)物，燃料電池模塊12 可具有更高的反應(yīng)效率。此外，在本實施例中，第一管體120、第二管體130、第三管體160與第四管體170 可相互平行設(shè)置，使熱交換裝置100具有較小的體積。再者，多個第一管體120、多個第二管 體130、多個第三管體160與多個第四管體170可分別組成一個第一管體組G1、一個第二管 體組G2、一個第三管體組G3和一個第四管體組G4，以增加熱交換效率。值得注意的是，為了使熱交換裝置100可達(dá)到良好的熱交換效果，本實施例的熱 交換裝置100增設(shè)了第三管體160與第四管體170，以增加與冷卻氣流142的接觸面積。因 此，位于第二管體130中的水蒸氣可通過冷卻氣流142流經(jīng)第二管體130、第三管體160與 第四管體170而被加速冷凝為液態(tài)水，進(jìn)而流至集水槽110中。另一方面，冷卻氣流142亦可額外通過流經(jīng)第三管體160與第四管體170的外部， 并受到第三管體160與第四管體170的內(nèi)部的水蒸氣所加熱而升溫，以供應(yīng)至陰極端12a。 然而，本實施例并非用以限定本發(fā)明。舉例而言，在另一個未示出的實施例中，熱交換裝置 100也可以僅具有第一管體120和第二管體130而不包括第三管體160和第四管體170，以對應(yīng)不同的設(shè)計需求。因此，用以與第三管體160以及第四管體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。圖6是圖2的熱交換裝置的俯視圖。圖7是圖6沿著A-A線的剖面圖。請參考圖 6與圖7，在本實施例中，第二管體130、第三管體160與第四管體170朝向集水槽110的一 端是平口端。圖8是依照本發(fā)明另一個實施例的第二管體的剖面圖。請參考圖8，在另一個 實施例中，第二管體130朝向集水槽110的一端可以是斜口端。因此，第二管體130中的水 蒸氣被冷卻為液態(tài)水時，液態(tài)水可迅速地流至第二次集水槽116。當(dāng)然，在其它實施例中，第 三管體160與第四管體170朝向集水槽110的一端也可以是斜口端，本發(fā)明并不對此多做 限定。圖9是圖6沿著B-B線的剖面圖。請參考圖2、圖6、圖7與圖9，在本實施例中，第 一管體120可具有多個截段122，而第一通道182依序經(jīng)過這些截段122。詳細(xì)而言，氣流產(chǎn) 生器140所產(chǎn)生的冷卻氣流142流經(jīng)第二通道184后，可通過一個風(fēng)扇或一個擋板(都未 示出)而轉(zhuǎn)向進(jìn)入第一通道182。冷卻氣流142可先流經(jīng)第一管體120上半段的截段122， 接著再流向第一管體120下半段的截段122，使第一通道182大致上形成U型通道，進(jìn)而與 第一管體120進(jìn)行多次的熱交換。圖10是圖2的熱交換裝置的側(cè)視圖。圖11是圖10沿著C-C線的剖面圖。圖12 是第二管體的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的示意圖。請參考圖10、圖11與圖12，在本實施例中，第二管體130 的外表面可具有多個鰭片132，用以增加熱交換面積。同樣地，第三管體160與第四管體170 的外表面也可以分別具有多個鰭片162、172，以提升熱交換效率。此外，第二管體130的內(nèi)表面可具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)134，位于第二管體130內(nèi)的液態(tài)水 可通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)134貼附于管壁，進(jìn)而可快速地將熱量透過第二管體130而傳遞至外界，以 增加冷凝的速度。值得注意的是，第二管體130可通過毛細(xì)結(jié)構(gòu)134而增加第二管體130 的內(nèi)部表面積，進(jìn)而可以避免液態(tài)水堵塞第二管體130。此外，毛細(xì)結(jié)構(gòu)134也可以設(shè)置于 第一管體120、第三管體160與第四管體170的內(nèi)表面。再者，在本實施例中，毛細(xì)結(jié)構(gòu)134 例如是溝槽、燒結(jié)結(jié)構(gòu)、金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其組合。圖13是圖10沿著D-D線的剖面圖。請參考圖2、圖10與圖13，在本實施例中，熱 交換裝置100進(jìn)一步包括一個儲水槽190與一個阻隔組件191。儲水槽190設(shè)置于集水槽 110與燃料混合槽14(如圖1中所示)之間并位于集水槽110下方，儲水槽連接集水槽110 與燃料混合槽14，以將從集水槽110流入的液態(tài)水補充至燃料混合槽14。阻隔組件191設(shè)置于集水槽110與儲水槽190之間。在本實施例中，阻隔組件191 是設(shè)置于第二次集水槽116、第三次集水槽118與儲水槽190之間。阻隔組件191允許第二 次集水槽116與第三次集水槽118內(nèi)的液態(tài)水透過阻隔組件191而流至儲水槽190，并阻擋 第二次集水槽116與第三次集水槽118內(nèi)的水蒸氣流至儲水槽190。因此，第二次集水槽 116與第三次集水槽118內(nèi)的水蒸氣可由液體出口 112逸散至外界。此外，在本實施例中， 阻隔組件191的材質(zhì)可以是不織布。綜上所述，在本發(fā)明的上述實施例中，熱交換裝置通過冷卻氣流與第二管體的內(nèi) 部的水蒸氣進(jìn)行熱交換，使部分水蒸氣冷凝為液態(tài)水而流至集水槽。集水槽中的液態(tài)水可 補充至燃料電池模塊的陽極端作為反應(yīng)物，以達(dá)到水回收的效果。此外，冷卻氣流可通過流 經(jīng)第二通道與第一通道而加熱兩次，因而具有較高的溫度。熱交換裝置通過將高溫的冷卻氣流補充至陰極端，使陰極端接收高溫的冷卻氣流作為反應(yīng)物，進(jìn)而可提升燃料電池模塊 的反應(yīng)效率。 以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，不能以此限定本發(fā)明的實施范圍，即只 要依據(jù)本發(fā)明申請專利范圍及發(fā)明說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，都仍屬于本發(fā) 明專利涵蓋的范圍內(nèi)。另外，本發(fā)明的任一實施例或申請專利范圍不須達(dá)到本發(fā)明所公開 的全部目的或優(yōu)點或特點。此外，摘要部分和標(biāo)題僅是用來輔助專利文件搜尋，并非用來限 制本發(fā)明的權(quán)利范圍。
權(quán)利要求
一種熱交換裝置，適用于燃料電池系統(tǒng)，所述熱交換裝置包括一個集水槽，具有一個液體出口，并適于連接所述燃料電池系統(tǒng)的燃料混合槽；至少一個第一管體，適于接收來自所述燃料電池系統(tǒng)的燃料電池模塊的陰極端所產(chǎn)生的水蒸氣；至少一個第二管體，連通于所述第一管體與所述集水槽之間，并經(jīng)由所述液體出口連接外界；一個氣流產(chǎn)生器，適于產(chǎn)生冷卻氣流，所述冷卻氣流流經(jīng)所述第二管體的外部，以與所述第二管體的內(nèi)部的水蒸氣進(jìn)行熱交換，使部分水蒸氣冷凝為液態(tài)水而流至所述集水槽；以及一個外殼，具有一個第一通道和一個第二通道，其中所述第一管體設(shè)置于所述第一通道中，所述第二管體設(shè)置于所述第二通道中，而流經(jīng)所述第一通道及所述第一管體的外部的氣流適于受到所述第一管體的內(nèi)部的水蒸氣所加熱，以供應(yīng)至所述燃料電池系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述第一管體與所述第二管體相互平行設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，還包括一個流道組件，相對于所述集水槽設(shè)置于所述第一管體與所述第二管體的一側(cè)，所述 流道組件具有一個第一流道，而所述第一管體經(jīng)由所述第一流道連接所述第二管體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述集水槽包括一個第一次集水槽，連接所述第一管體，而所述第一管體適于經(jīng)由所述第一次集水槽 接收所述陰極端所產(chǎn)生的水蒸氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述第一管體具有多個截段，而所述第一 通道依序經(jīng)過這些截段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述第一通道連接所述第二通道，以接收 所述第二管體所加熱的氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，其中所述第二管體的外表面具有多個鰭片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，還包括至少一個第三管體，經(jīng)由所述集水槽連接所述第二管體；以及 至少一個第四管體，連通于所述第三管體與所述集水槽之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換裝置，其中所述第一管體、所述第二管體、第三管體與 所述第四管體相互平行設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換裝置，還包括一個流道組件，相對于所述集水槽設(shè)置于所述第一管體、所述第二管體、所述第三管體 與所述第四管體的一側(cè)，所述流道組件具有一個第一流道與一個第二流道，所述第一管體 經(jīng)由所述第一流道連接所述第二管體，而所述第三管體經(jīng)由所述第二流道連接所述第四管 體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換裝置，其中所述集水槽包括一個第二次集水槽，所述第二管體經(jīng)由所述第二次集水槽連接所述第三管體；以及 一個第三次集水槽，連接所述第四管體，并具有所述液體出口。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換裝置，其中所述第三管體及所述第四管體設(shè)置于所述第二通道中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱交換裝置，其中所述第一通道連接所述第二通道，以接 收所述第二管體、所述第三管體與所述第四管體所加熱的氣流。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換裝置，還包括一個儲水槽，設(shè)置于所述集水槽與所述燃料混合槽之間，并位于所述集水槽下方，所述 儲水槽連接所述集水槽與所述燃料混合槽。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱交換裝置，還包括一個阻隔組件，設(shè)置于所述集水槽與所述儲水槽之間，以允許所述集水槽內(nèi)的液態(tài)水 透過所述阻隔組件而流至所述儲水槽，并阻擋所述集水槽內(nèi)的水蒸氣流至所述儲水槽。
全文摘要
一種熱交換裝置，適用于燃料電池系統(tǒng)。該熱交換裝置包括一個集水槽、至少一個第一管體、至少一個第二管體、一個氣流產(chǎn)生器和一個外殼。集水槽具有一個液體出口，并適于連接燃料電池系統(tǒng)的燃料混合槽。第一管體適于接收來自燃料電池系統(tǒng)的燃料電池模塊的陰極端所產(chǎn)生的水蒸氣。第二管體連通于第一管體與集水槽之間，并經(jīng)由液體出口連接外界。氣流產(chǎn)生器適于產(chǎn)生冷卻氣流，冷卻氣流流經(jīng)第二管體的外部以與其內(nèi)部的水蒸氣進(jìn)行熱交換。外殼具有一個第一通道和一個第二通道，其中第一管體設(shè)置于第一通道中，第二管體設(shè)置于第二通道中。
文檔編號H01M8/04GK101931087SQ200910149689
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者王正 申請人:揚光綠能股份有限公司