CN1091955C - 热控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种热交换装置(20，25，27，29)，包括一种工作流体(26)和一种用于在工作流体和外部环境之间进行热交换的结构。该结构包括至少一个具有一个暴露于外部环境的外表面(28B)和一个暴露于工作流体的内表面(28A)的壁部件(28)，利用壁部件的热传导可在环境与工作流体之间进行热交换。该装置还包括一个用于储存工作流体的储存部件(34)和一个用于沿壁部件分配工作流体，以便在工作流体与外部环境之间提供等温热交换的分配部件。在一个实施例中，该结构可是一个具有内腔的双腔管状结构，内腔为工作流体提供储液器，在一个腔体中进行工作流体和外部环境之间的热交换。内管可是带多个孔的多孔结构，使工作流体均匀分配至外腔。

Description

热控制装置
发明背景
本发明涉及过程的热控制装置，特别是涉及高温电化学转换器和相关的热交换装置。
用于燃料电池热控制的“传统”方法是强迫作为冷却介质的液态或气态冷却剂流通过燃料电池组件。通常用冷却水冷却环境温度装置，用空气冷却高温燃料电池。在某些情况下，将用作燃料电池的氧化剂的空气也用作冷却介质。冷却剂通常以燃料电池的工作温度或以接近燃料电池的工作温度的温度进入燃料电池组件。冷却介质通过燃料电池并利用其显热热容带走热量。这种方法所需的冷却剂体积流量与冷却介质的设计温升成反比，这是由电解质的电化学过程的有限范围决定的，或由燃料电池带有受热应力限制的陶瓷的情况所决定的。
上述对冷却介质温升的限制导致了冷却剂的流速大大高于只进行电化学反应所需的流速。由于必须对较大的流量进行预热和循环，因此需要有一个专门的反应物热控制子系统。这种热控制子系统一般包括用于对过量冷却剂流进行回热加热、泵送和处理设备。这些附加的组件大大增加了系统的总成本。
为了说明清楚起见，假定采用一种适合于预热燃料电池反应物、工作温差为100℃并且传热率一般为500Btu/hr-ft2(0.13W/cm2)的再生式热交换器。另外假定电池效率为50％，并且不出现过量的冷却剂流量，并在环境压力下工作，再生器的热处理或热传递表面的面积与燃料电池电解质的表面积具有相同的数量级。假定过量的冷却剂流量需求比燃料电池反应物流量所需的数量大10倍，作为传统方法的典型数值，热交换器表面积比有效燃料电池表面积大10倍。热交换器的尺寸太大会使热交换器难以与电化学转换器整体构成一个紧凑和有效的热控制系统。
因此，这就需要更好的热控制方法，特别是用在电化学能源系统的热控制方法。尤其是，一种能更好地调节和保持电化学能源系统的工作温度的改进的热交换系统则体现了工业上的重大改进。
发明的概括
本发明提供用于在热源和冷源(heat sink)之间进行热交换的热控制系统和装置。这里所公开的热交换结构具有相等的表面温度。概括地说，本发明使用气体扩散结构分配工作流体。
在一个实施例中，本发明的热控制系统包括一个用于在热源与冷源之间进行热交换的透气结构或介质。该结构可包括至少一个具有暴露于外部环境的外表面和暴露于内部环境的内表面的壁部件，热量可在这两个表面之间交换。
例如，本发明可采用具有沿纵轴延伸的一个或多个同轴圆柱体的管状结构。该圆柱体最好具有多条贯穿其间的通道。另外，该圆柱体可以是有许多均匀分配工作流体的孔的多孔结构。
在另一个实施例中，其结构可制成一种多板结构，这种多板结构具有设在板间的多条通道或多个空隙。工作流体通过这些通道在板间流动。
在本发明的另外一个实施例中，揭示了一种具有可渗透内管的双腔结构，该内管具有贯穿内管的用于均匀地将工作流体分配到外腔的一些孔，在该外腔，工作流体和外部环境之间进行热交换。
等温装置既可用作热源也可用作冷源。当它用作热源时，工作流体的温度高于外部环境的温度。相反，当工作流体的温度低于外部环境温度时，该装置用作冷源。
下面将描述本发明的一些优选实施例。但是应当清楚，本领域的专业技术人员在不脱离本发明的精神或保护范围的情况下可对本发明进行各种变换和修改。
例如，可利用上述结构的各种组合来实现等温热交换表面。然而，虽然该结构被描述成圆柱形、管状结构，但该结构也可以是正方形、矩形或其它几何形状。(这里所用的术语“管”或“管状”是泛指具有一根纵轴和至少一个用作工作介质导管的内腔的各种长形几何结构)。对本领域的专业人员来说，用各种不同的设计部件进行替换，特别是热交换器装置和燃料电池的替换是显而易见的(例如电极和电解质的外形、气体的多样性、部件的比例和材料的选择)，并且应当理解，这里所描述的替换装置都可看作是等同物。
附图的简要说明
图1是本发明热控制装置的方框图；
图2是使用多孔结构进行温度控制的一种装置的侧剖视图；
图3是使用多块板进行温度控制的另一种装置的侧剖视图；
图4是本发明具有等温反应物分配装置的燃料电池的侧剖视图；
图5是本发明另一种装置的端面剖视图；
图5A是图4的装置的侧剖视图；
图6是使用一个探头状等温热交换器和多个燃料电池组件的热控制系统的简化等角图；
图7是使用一个环状等温热交换器和一个燃料电池组件的热控制系统的另一个简化等角图。
详细描述
图1表示热控制系统10的方框图，该系统包括一个具有空气和燃料反应物输入端的热源(燃料电池组件)12和一个使用工作流体的冷源(heat sink)(热交换器)20。该燃料电池组件12将热辐射到热交换器20(如波形箭头所示)。
燃料电池组件12可具有一个电化学电池单元组，如1986年12月16日授权的、申请人为Hsu的美国专利US4,629,537所示，并且该文献作为本说明书的参考文献。在电化学电池组中的电池单元可包括一个电解质/电极夹层和一个互接板。该互接板用作相邻电解质板之间的电连接器和用作燃料16和氧化剂14气体之间的隔板，以及提供沿电极表面和延续到该板的外缘的热传导通路。为了取得最佳工作状态，燃料电池组件也应用于等温工作过程，以便与热交换器的等温特性相匹配。术语“电化学电池单元”包括一个能以电解电池模式(即冷源)、燃料电池模式(即热源)工作的电化学转换器，并用作一个燃烧器。
热交换器20用于从燃料电池组件12取走热能或给燃料电池组件补充热能。热交换器20与燃料电池12之间的热传递取决于热辐射。辐射热耦(radiative thermal coupling)可以是高热流。它提供了机械去耦并从而放宽了设计上的限制和对热交换器部件的材料选择。普通专业技术人员也可理解到，热交换器可设置在与燃料电池相接触的地方或与燃料电池实际上做成一个整体，以便通过热传导而不是热辐射进行传热。
热交换器20和燃料电池12可以各种不同的方式设置，例如，热交换器20可以是如1989年8月1日授权的、发明人为Hsu的美国专利US4,853,100所示和所述的那样与燃料电池组件12互相交叉的，该文献作为本说明书的参考文献。该热交换器可以作为使用再循环(或再生)工作流体的闭式循环工作，它也可以是以使用用作热交换器流体的燃料电池废反应物的开式增压模式工作。
图2表示本发明等温结构(热交换器)的一个实施例。热交换器27具有接收来自环境(例如来自附近的燃料电池)辐射热的多孔结构28。工人流体26从内部通道或从储液器34流到这里并径向地向外渗透，直至达到介质的外表面28B。可设置一根外导管，以便收集加热后的工作流体26并将其输送到能源系统的其它部分。为了确保工作流体26的流速在轴向和水平方向上的均匀性，应使工作流体透过结构28时的径向压降保持在大大高于工作流体26流过储液器34时的压力上。还可增设一根内流分配管，以提高流动的均匀。
本发明的热交换器装置还可使用如图3所示的多块板。热交换器29包括一组如图所示那样上下叠置的板42，同时在板间留有使工作流体26流通的空间。工作流体26流过连接热交换器板42的储液器34。板42可大致排列成如图所示的圆柱形或者也可以排列成其它几何形状的管状体。
图3的实施例专用于等温燃料电池的结构中。例如，可通过在电池单元间使用间隔开的层叠部件实现反应物的均匀流动。
图4表示出本发明的等温热源是如何构成的。如图所示，燃料电池70由一组层叠的单元构成，每个单元都包括互接板72和电解质/电极夹层74。该夹层结构包括第一电极76、透气电解质78和第二电极80。各单元之间为气体通路82A，82B。密封件83确保将燃料和氧化剂气流引到夹层结构74的相对侧。(由于层叠部件的环状特性，气体将沿圆周循环以充满整个空腔。)在另一个实施例中，可通过内导管输送燃料并输送来自外部环境的空气或另一种氧化剂。互接板端部的伸出部分84用于吸取热量并从而有利于热控制。虽然图中所示的该系统以一种气体沿径向朝外方向分配的方式工作，但也同样可以相反的(即径向朝内)的方式工作。
图5表示用于图1所示系统内的热交换器20的另一个实施例的端面剖视图。该热交换器20包括三个同轴的管状结构，这三个管状结构最好是轴向隔开的。内腔30具有多条在内表面30A和外表面30B之间延伸的通路36。套筒结构28包围内管30并具有一个内表面28A和一个外表面28B。套筒28的内表面28A紧贴着内管30的外表面，以使横向通路36与多孔套筒28流体相通。横向通路36是等距相隔的。
外管32或壁部件设置在套筒28和内管30外围，从而形成一个大致同轴的几何形状。外管32有一个内表面32A和一个外表面32B。内管30的内腔构成一个细长形的用于储存工作流体26的中央通路34(如图5A所示)。外管内表面32A和套筒外表面28B之间形成一个细长形的第二通路38，它与中央通路34大致平行。
内管30和外管32最好用相同的材料，例如金属或陶瓷制成。多孔套筒结构28可以是陶瓷的。套筒28用于使工作流体从内腔扩散到外腔。
参照图5A，工作流体26流过用作储液器并沿纵轴40延伸的细长形中央通路34。当工作流体26通过储液器34时，迫使工作流体穿过横向通路36。套筒28覆盖住横向通路36，以便接收流过通路36的那部分工作流体26。工作流体26径向地向外透过多孔套筒28并进入外腔38，在外腔38，该流体由外部热源，例如由需要冷却的燃料电池组件或其它系统加热。容纳在外腔38内的工作流体26沿外管32的内表面流动，并吸收从外表面32B传导给它的热量。可通过将外管的外表面32B放置在与燃料电池组件12直接接触的地方或通过将该外管的外表面32B辐射式地连接到燃料电池12上来对它加热。沿外管32的内表面32A分配工作流体26可有效地在工作流体26与外部环境之间传递热量。通过有选择地沿内管30设置横向通路36，可使聚集在第二通路38内的工作流体26的温度保持恒定。等温工作流体26沿内表面32A的均匀分配可沿外管的外表面32B形成等温状态。通路的尺寸和间隔的大小取决于外管32和内管30的直径。
上述的热交换器25是作为冷源工作的。普通专业人员可理解到，热交换器25也可作为热源工作。例如，工作流体26可以是热流体而不是冷却剂。当热流体通过储液器34时，热从外管的外表面32B传递到外部环境中。
也就理解到，通过利用沿燃料电池堆长度方向均匀分配反应物的类似结构，本发明的原理也可用于构成等温燃料电池(以及其它电化学转换器)。从整体上说，该燃料电池堆可以调节，并在需要的时候可变成等温的。
图6表示使用了多个作为等温热源的燃料电池堆12和作为等温冷源的柱状热交换器52的热控制系统50。该柱状热交换器52包括一个外壳54、一个套筒结构28和多条逆流通路34，56。热交换器52和燃料电池堆12是互相交叉排列而组合在一起的，这与前文提到的和描述过的作为本说明书参考文献的美国专利US4,853,100相类似。热传导介质28具有大致贯穿该介质的中央通路34。多条大致平行于储液器34的细长形逆流通路56位于介质28周围。工作流体26沿黑色箭头所指的方向流过储液器34。当工作流体由燃料电池堆12产生的热能加热时，它基本上沿径向向外渗透。工作流体26因受到由外壳54施加其上的约束力而聚集在逆流通路56内。热流体26均匀地分配在介质28的周围，因而在外壳54处形成了大体均匀的等温表面。
图7表示出使用等温热交换器62的热控制系统60的另一个实施例。热交换器62大体呈环状并包围燃料电池堆12(如图所示)。该热交换器62具有一个外壳68和一个内热传导介质28。介质28在邻近热交换器62的内外壁处具有多条通路64，66。工作流体26流过入口通路64并聚集在出口通路66。
如波线所示，利用燃料电池堆12，通过热辐射对热交换器内表面62A进行加热，或者通过使热交换器内表面62A与相邻的燃料电池堆12或其它热源直接接触来对它进行加热。因此，介质28被加热，然后再将热提供给工作流体26。
工作流体26从包围热交换器62外圆周的通路64一端或两端进入该通路。当由燃料电池12产生的热使工作流体26径向地向内渗透时，介质26聚集在逆流通路66内。因此，冷却剂流体可传送到热交换器62外部，以便用于利用工作废热发电系统或其它各种应用中。

Claims (35)

1.一种热控制系统，包括：
热控制装置，具有等温表面温度，所述装置包括：
透气热传导介质；
用于在所述介质内形成热梯度的装置，所述热梯度大致垂直于限定在所述介质的一个表面上的等温界面；
用于产生工作流体流过所述介质的流动的装置，所述流动大致沿热梯度的方向以形成等温界面。
2.如权利要求1的热控制系统，还包括与所述热控制装置热连结的电化学转换器，该电化学转换器能作为热源工作。
3.如权利要求1或2的热控制系统，还包括相关联的冷源(heatsink)、热交换器和热交换表面中的至少一个，以通过辐射或与所述冷源相接触而由传导介质传递热能。
4.如权利要求1或2的热控制系统，还包括用于接收通过所述介质的工作流体的收容导管。
5.如权利要求1或2的热控制系统，其中流体从所述传导介质流入一个空间。
6.如权利要求1或2的热控制系统，其中所述可渗透热传导介质包括一组平板、导槽板、波纹板和盘旋板中的至少一种，并在板间形成能使流体从中流过的通路。
7.如权利要求1或2的热控制系统，其中所述等温界面构成等截面或变截面的圆柱形和圆环形表面中的至少一种表面。
8.如权利要求2的热控制系统，其中工作流体包括多种不同的燃料和氧化剂流。
9.如权利要求2的热控制系统，其中电化学转换器起一个燃烧器的作用，流体包括燃气，燃烧是在流体流出介质时进行的。
10.如权利要求2的热控制系统，其中电化学转换器包括从固体电解质燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池组成的组中选择的转换器。
11.如权利要求1或2的热控制系统，其中利用辅助环状流体分配管均匀地沿轴向和水平方向分配流体流，该分配管最好是电绝缘体，并且它在传导介质中形成径向压力降，明显大于由于所述流体流入和/或流出装置时引起的轴向压力降。
12.如权利要求1的热控制系统，还包括与热控制装置热结合的电化学转换器，该电化学转换器能作为热源或冷源工作。
13.如权利要求1或12的热控制系统，还包括相关的热源，热交换器和热交换表面中的至少一种，传导介质通过辐射或接触从其接受热能。
14.如权利要求1或12的热控制系统，还包括接收流过所述传导介质后的工作流体的收容导管(confined duct)。
15.如权利要求1或12的热控制系统，其中流体从传导介质流入一个空间。
16.如权利要求1或12的热控制系统，其中等温界面构成等截面或变截面的圆柱形和圆环形表面中的至少一种表面。
17.如权利要求1或12的热控制系统，其中等温界面构成导槽、波纹和盘旋表面中的至少一种，使之位于与收容流管或热交换表面相接触。
18.如权利要求1或12的热控制系统，其中所述流体至少部分地径向通过所述介质，它位于约束所述热传导可渗透介质的两同轴表面之间。
19.如权利要求1或12的热控制系统，其中利用辅助环状流体分配管均匀地沿轴向和水平方向分配流体流，该分配管经过所述介质产生径向压力降，它明显大于所述流体流入和/或流出该装置引起的所有轴向压力降。
20.如权利要求1或12的热控制系统，其中所述流体自可渗透传导介质径向向外流动。
21.如权利要求1或12的热控制系统，还包括环绕该系统的圆柱形热传导壳体，所述壳体与所述装置同轴布置。
22.如权利要求1或12的热控制系统，其中所述系统设置在辐射热源附近，用于从所述热源吸取热能。
23.如权利要求1或12的热控制系统，其中所述流体相对于所述传导介质径向向内流动。
24.如权利要求1或12的热控制系统，其中系统被环状、圆柱形壳体环绕，该壳体带有热传导内表面。
25.如权利要求1或12的热控制装置，其中系统环绕热源以从中吸取热能。
26.如权利要求1或12的热控制系统，其中所述可渗透热传导介质由平板、导槽板、波纹板和盘旋板中的至少一种组成，并在板间形成能使流体从中流过的通路。
27.如权利要求12的热控制系统，其中所述传导介质板是电化学转换器的互接板的延续部分。
28.如权利要求12的热控制系统，其中所述装置用于预热进入电化学转换器的氧化剂或燃料。
29.如权利要求26的热控制系统，其中传导介质板涂有燃料重整催化剂。
30.如权利要求27的热控制系统，其中传导介质板是电化学转换器互接板外周边的延续部分。
31.如权利要求1的热控制系统，还包括与所述热控制装置热结合的电化学转换器，该电化学转换器能从热交换器、热交换表面和其它热源中的至少一个吸收热能而作为热源工作。
32.如权利要求31的热控制系统，其中热能是从一组包括燃烧、太阳能聚集、核裂变和聚变过程中的至少一种热产生过程中获得的。
33.如权利要求1，2，11或31的热控制系统，还包括围绕所述传导介质设置并与之紧密面接触的管状结构，所述管状结构用于收集流出管状结构之前的通过所述传导介质的工作流体。
34.如权利要求1，2，11或31的热控制装置，还包括围绕所述传导介质设置并与之紧密面接触的管状结构，所述管状结构用于分配通过所述传导介质的工作流体的进入流。
35.如权利要求1，2，11或31的热控制系统，还包括围绕所述传导介质设置并与之紧密面接触的环状管结构，所述环状结构用于分配进入和/或流出所述传导热控制装置的工作流体。
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