專利名稱：熱交換元件及使用其的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換元件，且特別涉及一種適用于燃料電池系統(tǒng)(foel cell system)的熱交換元件及使用此熱交換元件的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池具有高效率、低噪音、無污染等優(yōu)點，是符合時代趨勢的能源 技術(shù)。燃料電池可區(qū)分成多種類型，常見的為質(zhì)子交換膜型燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)以及直接曱醇燃料電池(direct methanol fuel cell, DMFC)。以直接曱醇燃料電池為例，其膜電極組(membrane electrode assembly, MEA)主要是由陰極(cathode)、陽極(anode)及位于陰極與陽極之間 的質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane)所組成。供應(yīng)至陽才及的燃料(曱醇) 與催化劑反應(yīng)產(chǎn)生氫離子與電子。陽極的半反應(yīng)式如下
CH3OH+H20 — C02+6lT+6e-
此外，陽極反應(yīng)生成的電子經(jīng)由電路流至陰極，而氫離子則穿透質(zhì)子交 換膜到達陰極，并與電子及氧氣反應(yīng)生成水。陰極的半反應(yīng)式如下 6H++6e-+3/2 02 —3H20
在燃料電池的技術(shù)中，由多個膜電極組組成的燃料電池堆(ftid cell stack) 的反應(yīng)溫度愈高，則燃料電池的反應(yīng)效率愈高。因此，已知技術(shù)有回收熱能 的設(shè)計。此外，在已知技術(shù)中，亦會回收陰極反應(yīng)所生成的水，以供陽極反 應(yīng)所需。
圖1是已知一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的示意圖。請參照圖1，已知燃 料電池系統(tǒng)100包括燃料電池堆110、熱交換元件120、導(dǎo)流單元130及離 心扇(blower) 140,其中導(dǎo)流單元130連接燃料電池堆110、熱交換元件120 及離心扇140。離心扇140用以提供風(fēng)流50,導(dǎo)流單元130用以導(dǎo)引風(fēng)流50， 使風(fēng)流50依序流經(jīng)熱交換元件120及燃料電池堆110,以提供燃料電池堆 110的陰才及反應(yīng)所需的氧氣。
承上述，由于燃料電池堆110反應(yīng)時會產(chǎn)生熱能，所以流至燃料電池堆110的風(fēng)流50會吸收熱能(以下將用標號50，來表示通過燃料電池堆110的
風(fēng)流)。接著，通過燃料電池堆110的風(fēng)流50，；波導(dǎo)流單元130導(dǎo)引至熱交 換元件120,并將熱能傳至熱交換元件120，以提高熱交換元件120的溫度。 此外，從離心扇140流經(jīng)熱交換元件120的風(fēng)流50會吸收熱交換元件120 的熱能，如此可增加流至燃料電池堆110的風(fēng)流50的溫度，進而提升燃料 電池堆110的反應(yīng)效率。
另一方面，通過燃料電池堆110的風(fēng)流50'會帶走陰極反應(yīng)所生成的水 氣，而從離心扇140流至熱交換元件120的風(fēng)流50可作為冷卻風(fēng)流，以幫 助風(fēng)流50'中的水氣在熱交換元件120處冷湊是成液態(tài)水，如此可達到水回收 的目的。
然而，由于提供至燃料電池堆110的風(fēng)流50所需的流量不高，所以無 法提供充足的冷卻風(fēng)流，導(dǎo)致液態(tài)水的回收量無法充足供應(yīng)陽極反應(yīng)所需。 此外，風(fēng)流50，中的水氣需先冷凝成液態(tài)水之后，風(fēng)流50'中的熱能才會 傳至熱交換元件120。由于風(fēng)流50'經(jīng)冷凝后的溫度會降低，導(dǎo)致傳至熱交 換元件120的熱能減少。因此，已知燃#+電池系統(tǒng)100的熱回收效率較差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱交換元件，以提高燃料電池系統(tǒng)的熱回收效率。 本發(fā)明還4是供一種燃料電池系統(tǒng)，以增加熱回收效率，并回收充足的液 態(tài)水。
本發(fā)明還提供一種燃料電池系統(tǒng)，其在不同溫度的環(huán)境下的輸出功率較 為一致。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點可以從本發(fā)明所披露的技術(shù)特征中得到進一 步的了解。
為達上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本發(fā)明一實施例提出一 種熱交換元件，適用于一燃料電池系統(tǒng)中，此熱交換元件包括多個熱交換單 元以及固定單元。熱交換單元是沿第一方向彼此間隔排列。固定單元固定熱 交換單元，且以固定單元為界而區(qū)分成第 一部分與第 一部分所延伸的第二部 分。此夕卜，熱交換單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)(thermal conductivity coe伍cient)高于固 定單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)，且固定單元可延遲熱交換單元間的熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明另一實施例提出一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆、第一風(fēng)流產(chǎn)生器、第一熱交換模塊、第二熱交換模塊以及一導(dǎo)流單元。第一風(fēng)流產(chǎn)生 器適于提供風(fēng)流。第一熱交換模塊配置于燃料電池堆與第一風(fēng)流產(chǎn)生器之 間，而第二熱交換模塊配置于第一風(fēng)流產(chǎn)生器與第一熱交換模塊之間，且第 一熱交換模塊與第二熱交換模塊分別包括至少一上述的熱交換元件。此外， 導(dǎo)流單元連接燃料電池堆、第一風(fēng)流產(chǎn)生器、第一熱交換模塊及第二熱交換 模塊，以使風(fēng)流依序流經(jīng)第二熱交換模塊、第一熱交換模塊、燃料電池堆、 第一熱交換模塊、第二熱交換模塊后排至導(dǎo)流單元外。另外，導(dǎo)流單元的一 側(cè)壁具有一分流口，并位于第一熱交換模塊與第二熱交換模塊之間，以將從 第二熱交換模塊流往第 一熱交換模塊的部分風(fēng)流經(jīng)由分流口導(dǎo)引至導(dǎo)流單 元外。
本發(fā)明還提出一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆、第一熱交換模塊、 第一風(fēng)流產(chǎn)生器、第二熱交換模塊以及導(dǎo)流單元。第一熱交換模塊包括多個 上述的熱交換元件。第 一風(fēng)流產(chǎn)生器配置于燃料電池堆與第 一熱交換模塊之 間，且第一風(fēng)流產(chǎn)生器適于提供風(fēng)流至燃料電池堆。第二熱交換模塊配置于 第一熱交換模塊旁，其中第二熱交換模塊包括至少一上述的熱交換元件。導(dǎo) 流單元連接燃料電池堆及第一熱交換模塊，且導(dǎo)流單元的側(cè)壁具有多個閥門 組，對應(yīng)于第一熱交換模塊的熱交換元件設(shè)置。每一閥門組包括至少二彼此 相對的閥門。導(dǎo)流單元用以使風(fēng)流依序流經(jīng)第一熱交換模塊、燃料電池堆、 第一熱交換模塊、并從閥門組其中之一流至第二熱交換模塊的熱交換元件的 熱交換單元的第一部分。
本發(fā)明的熱交換元件因采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的固定單元來阻斷至少一
軸向的熱傳導(dǎo)，所以應(yīng)用在反向流(counter flow)的系統(tǒng)架構(gòu)時，可提高熱交 換效率。因此，應(yīng)用本發(fā)明的熱交換元件的燃料電池系統(tǒng)具有較高的熱回收 效率。此外，本發(fā)明的一燃料電池系統(tǒng)中，因第一風(fēng)流產(chǎn)生器所提供的風(fēng)流 的流量高于流經(jīng)燃料電池堆的風(fēng)流的流量，所以可提供足夠的冷卻風(fēng)流，進 而回收充足的液態(tài)水。另外，本發(fā)明的另一燃料電池系統(tǒng)可在不同溫度的環(huán) 境下，通過閥門組的開關(guān)來調(diào)整第 一熱交換模塊的實際用來進行熱交換的熱 交換元件的數(shù)量，以提供較為一致的輸出功率。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu) 選實施例，并配合所附圖示，作詳細i兌明如下。
圖1是已知一種直接曱醇燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 圖2是本發(fā)明一實施例的熱交換元件的立體示意圖。 圖3是圖2中熱交換單元的示意圖。
圖4是本發(fā)明一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 圖5是本發(fā)明另一實施例的熱交換元件的立體示意圖。 圖6A是本發(fā)明另 一實施例的熱交換元件的側(cè)視圖。 圖6B是圖6A中箭頭A所指的側(cè)面的側(cè)視圖。 圖7是本發(fā)明另 一 實施例的熱交換元件的側(cè)視圖。 圖8是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 圖9是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 圖IOA與圖10B是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的 示意圖。
圖IIA至圖11C是本發(fā)明另一實施例的一種燃料電池系統(tǒng)在不同狀態(tài) 下的示意圖。
附圖標記說明
40:冷卻風(fēng)流
50、 50，、 60a、 60b、 70、 70，、 80、 80，、 90、 90，風(fēng)流
100、 300、 400、 400a、 400b、 500:燃料電池系統(tǒng)
110、 310、 410、 510:燃料電池堆
120、 200、 200a、 200b、 200c:熱交換元件
130:導(dǎo)流單元
140:離心扇
210、 210，熱交換單元
210a:第一部分
210b:第二部分
212、 212':鰭片
212a、 212b:鰭片的兩端
214:連4妄部
220、 220，固定單元320、 450、 450b、 550:導(dǎo)流單元
330:風(fēng)流產(chǎn)生器
420、 530:第一風(fēng)流產(chǎn)生器
430、 430a、 520:第一熱交換才莫塊
440、 540:第二熱交換模塊
452、 552:側(cè)壁
452a:分流口
454、 556:分隔部
454a:開口
456、 554a、 554b:閥門
460、 560:第二風(fēng)流產(chǎn)生器
470:力口熱件
554:閥門纟且
A:箭頭
Dl:第一方向
D2:第二方向
具體實施例方式
有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考圖示 的一優(yōu)選實施例的詳細說明中，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、左、右、前或后等，僅是參考附加圖示的方向。因 此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
圖2是本發(fā)明一實施例的熱交換元件的立體示意圖，圖3是圖2中熱交 換單元的示意圖。請參照圖2與圖3，本實施例的熱交換元件200適用于一 燃料電池系統(tǒng)中，此熱交換元件200包括多個熱交換單元210以及固定單元 220。熱交換單元210是沿第一方向Dl彼此間隔排列。固定單元220固定熱 交換單元210。每一熱交換單元210以固定單元220為界而區(qū)分成第一部分 210a與第一部分210a所延伸的第二部分210b。此外，熱交換單元210的熱 傳導(dǎo)系數(shù)高于固定單元220的熱傳導(dǎo)系數(shù)。換言之，熱交換單元210的材料 可為易導(dǎo)熱的材料，如銅或鋁，而固定單元220的材料可為不易導(dǎo)熱的材料， 如塑料、橡膠等。其中，熱交換單元210以熱傳導(dǎo)系數(shù)大于50 W/mK的材料制成，而固定單元220以熱傳導(dǎo)系tt小于20 W/mK的材料制成。
上述的熱交換元件200中，每一熱交換單元210例如包括多個鰭片212 以及連接部214。鰭片212是沿第二方向D2彼此間隔排列成多層，其中第 一方向D1實質(zhì)上垂直于第二方向D2。此外，連接部214是連接鰭片212， 每一鰭片212的兩端212a、 212b是分別位于連接部214的兩側(cè)以及固定單 元220的兩側(cè)。
在本實施例中，固定單元220連接于每兩個相鄰的連接部214之間。固 定單元220可用以防止流經(jīng)熱交換單元210的第一部分210a的風(fēng)流60a流 至熱交換單元210的第二部分210b，并防止流經(jīng)熱交換單元210的第二部分 210b的風(fēng)流60b流至熱交換單元210的第一部分210a。此外，由于固定單 元220以低熱導(dǎo)系數(shù)的材料制成，還可延遲熱交換單元210間沿第一方向 Dl的熱傳導(dǎo)。
本實施例的熱交換元件200可應(yīng)用于反向流(counter flow)的系統(tǒng)架構(gòu) 中，以提高熱交換效率。在此，反向流意指兩相反流向的流體。以下將舉數(shù) 個實施例配合圖示說明本實施例的熱交換元件200如何應(yīng)用在反向流的系統(tǒng) 架構(gòu)中，但其并非用以限定本實施例的熱交換單元200的應(yīng)用范圍。
圖4是本發(fā)明一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。請參照圖4，燃料電 池系統(tǒng)300的架構(gòu)為反向流系統(tǒng)的架構(gòu)。此燃料電池系統(tǒng)300包括燃料電池 堆310、導(dǎo)流單元320、風(fēng)流產(chǎn)生器330及上述的熱交換元件200。導(dǎo)流單元 320連接燃料電池堆310、熱交換元件200及風(fēng)流產(chǎn)生器330。風(fēng)流產(chǎn)生器 330例如是離心扇，用以提供風(fēng)流70。導(dǎo)流單元320用以導(dǎo)引風(fēng)流70,使風(fēng) 流70依序流經(jīng)熱交換元件200的熱交換單元210的第一部分210a及燃料電 池堆310,以提供燃料電池堆310的陰極反應(yīng)所需的氧氣。在下文中，將以 標號70，來表示通過燃料電池堆310的風(fēng)流。
承上述，通過燃料電池堆310的風(fēng)流70，會帶走陰極反應(yīng)所生成的水氣， 而從風(fēng)流產(chǎn)生器330流至熱交換元件200的風(fēng)流70可作為冷卻風(fēng)流，以幫 助風(fēng)流70，中的水氣在熱交纟奐單元210處冷;疑成液態(tài)水，如此可達到水回收 的目的。
另一方面，由于燃料電池堆310反應(yīng)時會產(chǎn)生熱能，所以流至燃料電池 堆310的風(fēng)流70會吸收熱能。接著，通過燃料電池堆310的風(fēng)流70，被導(dǎo)流 單元320導(dǎo)引至熱交換元件200的熱交換單元210的第二部分210b,并將熱能傳至熱交換單元210，以提高熱交換單元210的溫度。此外，從風(fēng)流產(chǎn)生 器330流經(jīng)熱交換單元210的第 一部分21 Oa的風(fēng)流70會吸收熱交換單元210 的熱能，以增加流至燃料電池堆310的風(fēng)流70的溫度。如此，可提高燃料 電池堆310的反應(yīng)溫度，以纟是高燃沖牛電池堆310的反應(yīng)效率。
一般而言，兩物質(zhì)之間的溫差愈大，熱交換效果愈好。在本實施例中， 由于固定單元220是選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較差的材料(如塑料或橡膠)，所以可防 止各熱交換單元210的熱能傳遞至其他熱交換單元210。此外，當風(fēng)流70， 依序流經(jīng)各熱交換單元210時，各熱交換單元210所吸收到的熱能會依序減 少，所以離燃料電池堆310愈近的熱交換單元210的溫度愈高，而離風(fēng)流產(chǎn) 生器330愈近的熱交換單元210的溫度愈低。
雖然離風(fēng)流產(chǎn)生器330較近的熱交換單元210的溫度較低，但風(fēng)流70 未流經(jīng)熱交換元件200時的溫度較低，因此與最靠近風(fēng)流產(chǎn)生器330的熱交 換單元210之間仍有一定的溫差，此有助于風(fēng)流70吸收熱交換單元210的 熱能。類似地，風(fēng)流70流經(jīng)每一熱交換單元210時，與熱交換單元210之 間皆有一定的溫差，因此能持續(xù)吸收每一熱交換單元210的熱能。如此，可 有效提升流至燃料電池堆310的風(fēng)流70的溫度，以增加燃料電池堆310的 反應(yīng)溫度，進而提升燃料電池堆310的反應(yīng)效率。
圖5本發(fā)明另一實施例的熱交換元件的立體示意圖。請參照圖5，本實 施例的熱交換元件200a與上述的熱交換元件200相似，以下^l針對其差別 處進行說明。本實施例的熱交換元件200a的相鄰兩熱交換單元210中，其 中熱交換單元210的鰭片212是對應(yīng)至另一熱交換單元210的鰭片212之間 的空隙。
圖6A本發(fā)明另一實施例的熱交換元件的側(cè)視圖，圖6B是圖6A中箭頭 A所指的側(cè)面的側(cè)視圖。請參照圖6A與圖6B,在本實施例的熱交換元件 200b與上述的熱交換元件200相似，不同處在于熱交換元件200b的每一熱 交換單元210，僅包括沿第二方向D2彼此間隔排列成多層的多個鰭片212，， 且每一熱交換單元210，的鰭片212，是通過固定單元220，固定，而非圖3所示 的連接部214,使得每一鰭片212，的兩端是分別位于固定單元220，的兩側(cè)。 換言之，每一熱交換單元210，的鰭片212，的熱能不會彼此傳遞。
在本實施例中，除了熱交換單元210，的熱能不會彼此傳遞之外，每一熱 交換單元210，的鰭片212，的熱能也不會彼此傳遞，兩個方向的熱傳導(dǎo)皆被固定單元220，所阻斷。因此，將本實施例的熱交換元件200b應(yīng)用于反向流的
系統(tǒng)架構(gòu)中，可更進一步提高熱交換效率。
圖7本發(fā)明另一實施例的熱交換元件的側(cè)視圖。請參照圖7，本實施例 的熱交換元件200c與上述的熱交換元件200b相似，以下僅針對其差別處進 行說明。本實施例的熱交換元件200ca的相鄰兩熱交換單元210，中，其中熱 交換單元210，的鰭片212，是對應(yīng)至另一熱交換單元210，的鰭片212，之間的空隙。
圖8是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。請參照圖8，本實 施例的燃料電池系統(tǒng)400包括燃料電池堆410、第一風(fēng)流產(chǎn)生器420、第一 熱交換模塊430、第二熱交換模塊440以及導(dǎo)流單元450。第一風(fēng)流產(chǎn)生器 420可為離心扇、軸流扇或泵浦，其適于提供風(fēng)流80。第一熱交換模塊430 配置于燃料電池堆410與第一風(fēng)流產(chǎn)生器420之間，而第二熱交換模塊440 配置于第 一風(fēng)流產(chǎn)生器420與第 一熱交換模塊430之間。第 一熱交換模塊430 可為上述的熱交換元件200(如圖2與圖3所示)、熱交換元件200a(如圖5所 示)、熱交換元件200b(如圖6A與圖6B所示)或熱交換元件200c(如圖7所示)， 在圖8中是以熱交換元件200為例。第二熱交換模塊440可為上述的熱交換 元件200、熱交換元件200a、熱交換元件200b或熱交換元件200c,在圖8 中是以熱交換元件200為例。
此外，導(dǎo)流單元450連接燃料電池堆410、第一風(fēng)流產(chǎn)生器420、第一 熱交換模塊430及第二熱交換模塊440，以使風(fēng)流80依序流經(jīng)第二熱交換模 塊440、第一熱交換模塊430、燃料電池堆410、第一熱交換模塊430、第二 熱交換模塊440后排至導(dǎo)流單元450外。與前述實施例相似，在下文中將以 標號80，來表示通過燃料電池堆410的風(fēng)流。另外，導(dǎo)流單元450的側(cè)壁452 具有分流口 452a。此分流口 452a位于第一熱交換模塊430與第二熱交換模 塊440之間，以將從第二熱交換模塊440流往第一熱交換模塊430的部分風(fēng) 流80經(jīng)由分流口 452a導(dǎo)引至導(dǎo)流單元450外。如此，可使流至燃料電池堆 410的風(fēng)流80的流量與所需相符。
上述的燃料電池系統(tǒng)400可還包括第二風(fēng)流產(chǎn)生器460,連接于導(dǎo)流單 元450,且位于燃料電池堆410與第一熱交換模塊430之間。此第二風(fēng)流產(chǎn) 生器460可為離心扇、軸流扇或泵浦，其用以將氣流80導(dǎo)引至燃料電池堆 410。此外，導(dǎo)流單元450可具有分隔部454,位于第一風(fēng)流產(chǎn)生器420與燃料電池堆410之間。分隔部454的材料可選用低熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料，如塑料、 泡棉或硅膠等。第 一熱交換模塊430與第二熱交換模塊440的熱交換元件200 的熱交換單元210的第一部分210a是位于分隔部454的一側(cè)(如左側(cè))，第一 熱交換模塊430與第二熱交換模塊440的熱交換元件200的熱交換單元210 的第二部分210b是位于分隔部454的另一側(cè)(如右側(cè))。從第一風(fēng)流產(chǎn)生器 420流往燃料電池堆410的風(fēng)流80是流經(jīng)第一部分210a，從燃料電池堆流 410往導(dǎo)流單元450外的風(fēng)流80，是流經(jīng)第二部分210b。
本實施例的燃料電池系統(tǒng)400可具有良好的熱回收效率及水回收效率。 就熱回收而言，與前述燃料電池系統(tǒng)300的熱回收方式相似，差別處在于本 實施例的燃料電池系統(tǒng)400具有兩個熱交換模塊(即第一熱交換模塊430與 第二熱交換模塊440)，所以流至燃料電池堆410的風(fēng)流80可依序吸收第一 熱交換才莫塊430與第二熱交換模塊440的熱量。由于風(fēng)流80是經(jīng)過兩階段 的升溫，所以可增加燃料電池堆410的反應(yīng)溫度，進而纟是高燃料電池堆410 的反應(yīng)j丈率。
就水回收而言，通過燃料電池堆410的風(fēng)流80，會帶走陰極反應(yīng)所生成 的水氣，且風(fēng)流80，可在第一熱交換模塊430與第二熱交換模塊440處冷凝 成液態(tài)水。此外，由于流至第二熱交換模塊440的風(fēng)流80的流量較大(因尚 未經(jīng)過分流口 452a)，所以能提供充足的冷卻風(fēng)流，以讓風(fēng)流80，中的更多水 氣在第二熱交換模塊440處冷凝成液態(tài)水。因此，本實施例的燃料電池系統(tǒng) 400具有良好的水回收效率，如此可使用更高濃度的燃料(如曱醇)，以增加 燃料電池系統(tǒng)400的體積功率(Wh/c.c.)。
值得一提的是，此兩階段熱回收及水回收的設(shè)計，可使流至燃料電池堆 410的風(fēng)流80的濕度遠低于導(dǎo)流單元450外的環(huán)境的濕度，如此可大幅地吸 收燃料電池堆410內(nèi)的水氣，以防止燃料電池堆410內(nèi)發(fā)生水滿溢(flooding) 的現(xiàn)象。
圖9是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。請參照圖9，本實 施例的燃料電池系統(tǒng)400a與圖8的燃料電池系統(tǒng)400相似，不同處在于燃 料電池系統(tǒng)400的第一熱交換模塊430a中包括多個熱交換元件200或熱交 換元件200b，而在圖9中是以熱交換元件200為例。此燃料電池系統(tǒng)400a 因具有更多的熱交換元件200，所以可提高熱回收效率。如此，能進一步地 增加燃料電池堆410的反應(yīng)溫度，進而提升燃料電池堆410的反應(yīng)效率。此
13外，第二熱交換模塊440也可包括多個上述的熱交換元件200或熱交換元件 200b。
圖IOA與圖10B是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的 示意圖。請參照圖IOA與圖10B,本實施例的燃料電池系統(tǒng)400b與圖9的 燃料電池系統(tǒng)400a相似，以下僅針對其差別處進行說明。相較于燃料電池 系統(tǒng)400a,燃料電池系統(tǒng)400b還包括加熱件470,配置于第二風(fēng)流產(chǎn)生器 460旁。此外，導(dǎo)流單元450b還具有閥門456，設(shè)置于分隔部454的開口 454a。 此開口 454a是位于第一熱交換一莫塊430a的鄰近燃料電池堆410的兩個熱交 換元件200之間。另外，燃料電池系統(tǒng)400b還包括偵測單元(圖未示)與控制 單元(圖未示)。偵測單元是用以偵測流至燃料電池堆410的風(fēng)流的含氧量、 燃料電池堆410的溫度以及導(dǎo)流單元450b外的環(huán)境溫度?？刂茊卧娦赃B -接至偵測單元、加熱件470、閥門456、第一風(fēng)流產(chǎn)生器420及第二風(fēng)流產(chǎn) 生器460,以根據(jù)偵測單元的偵測結(jié)果來控制加熱件470、閥門456、第一風(fēng) 流產(chǎn)生器420及第二風(fēng)流產(chǎn)生器460的開啟與關(guān)閉。
更詳細地說，請參照圖IOA，當燃料電池系統(tǒng)400b在低溫啟動時，燃 ;阡電池堆410未進入活化程序。此時，控制單元會開啟加熱件470、第二風(fēng) 流產(chǎn)生器460及閥門456。由于閥門456開啟，^吏得通過第 一個熱交換元件 200(即圖10A中最上方的熱交換元件200)的風(fēng)流80，會從開口 454a流過(因 流阻較低)。所以，進出燃料電池堆410的風(fēng)流80、 80，將形成閉回路，使燃 料電池堆410及加熱件470所產(chǎn)生的熱量在此閉回路之間循環(huán)。如此，可加 快燃料電池堆410的增溫速度，以使燃料電池堆410能更快地加熱到正常的 工作溫度。
此外，請參照圖10B,在燃料電池堆410未達正常工作溫度之前，若偵 測單元偵測到閉回路的風(fēng)流80、 80，的含氧量不足時，控制單元會將閥門456 關(guān)閉，以使風(fēng)流80、 80，能依正常的流動路徑流動。此時，風(fēng)流80、 SO，會在 第一熱交換模塊430a及第二熱交換模塊440處進行熱交換，所以可減少熱 能的損失。另外，在此狀態(tài)下，控制單元會使第一風(fēng)流產(chǎn)生器420及第二風(fēng) 流產(chǎn)生器460的風(fēng)流量相同，或是關(guān)閉第一風(fēng)流產(chǎn)生器420而開啟第二風(fēng)流 產(chǎn)生器460。
承上述，當風(fēng)流80、 SO，的含氧量充足且燃料電池堆410未達正常工作 溫度時，控制單元會再度開啟閥門456(如圖IOA所示)。換言之，在燃料電池堆410未達正常工作溫度前，燃^F電池系統(tǒng)400b會在圖10A與圖10B所 示的兩種狀態(tài)之間切換，直到燃料電池堆410達到正常工作溫度。
當偵測單元偵測到燃料電池堆410達到正常工作溫度時，控制單元會關(guān) 閉閥門456，此時燃料電池系統(tǒng)400b的運作情形與圖9所示的燃料電池系統(tǒng) 400a的運作情形相同，在此將不再重述。
圖IIA至圖11C是本發(fā)明另一實施例的一種燃料電池系統(tǒng)在不同狀態(tài) 下的示意圖。請參照圖IIA至圖IIC，本實施例的燃料電池系統(tǒng)500包括燃 料電池堆510、第一熱交換模塊520、第一風(fēng)流產(chǎn)生器530、第二熱交換模塊 540以及導(dǎo)流單元550。第一熱交換模塊520包括上述的熱交換元件200(如 圖2與圖3所示)、熱交換元件200a(如圖5所示)、熱交換元件200b(如圖6A 與圖6B所示)或熱交換元件200c(如圖7所示)，在圖IIA至圖IIC中是以熱 交換元件200為例。第一風(fēng)流產(chǎn)生器530配置于燃料電池堆510與第一熱交 換模塊520之間，且第 一風(fēng)流產(chǎn)生器530適于提供風(fēng)流90至燃料電池堆510。 第二熱交換模塊540配置于第一熱交換模塊520旁。第二熱交換模塊540包 括至少一上述的熱交換元件200(如圖2與圖3所示)、熱交換元件200a(如圖 5所示)、熱交換元件200b(如圖6A與圖6B所示)或熱交換元件200c(如圖7 所示)，在圖11A至圖11C中是以熱交換元件200為例。此外，第二熱交換 模塊540的熱交換元件200的熱交換單元210的第 一部分21 Oa(如圖2與圖3 所示)是鄰近第一熱交換模塊520。
導(dǎo)流單元550連接燃料電池堆510及第一熱交換模塊520，且導(dǎo)流單元 550的側(cè)壁552具有多個閥門組554,對應(yīng)于第一熱交換模塊520的熱交換 元件200設(shè)置。每一閥門組554包括至少二彼此相對的閥門554a、 554b。導(dǎo) 流單元550用以使風(fēng)流90依序流經(jīng)第一熱交換模塊520、燃料電池堆510、 第一熱交換模塊520、并從閥門組554其中之一流至第二熱交換模塊540的 熱交換元件200的熱交換單元210的第一部分210a(如圖2與圖3所示)。
在一實施例中，上述的導(dǎo)流單元550具有分隔部556,分布于第一熱交 換模塊520的熱交換元件200之間以及第一熱交換模塊520與燃料電池堆 510之間。第一熱交換模塊520的熱交換元件200的熱交換單元210的第一 部分210a(如圖2與圖3所示)是位于分隔部556的一側(cè)(如左側(cè))，第一熱交 換模塊520的熱交換元件200的熱交換單元210的第二部分210b(如圖2與 圖3所示)是位于分隔部556的另 一側(cè)(如右側(cè))，且鄰近第二熱交換模塊540。此外，上述的燃料電池系統(tǒng)500可還包括第二風(fēng)流產(chǎn)生器560,配置于第二 熱交換模塊540的一端，以提供一冷卻風(fēng)流40至第二熱交換模塊540的熱 交換元件200的熱交換單元210的第二部分210b(如圖2與圖3所示)。
上述的燃料電池系統(tǒng)500還包括偵測單元(圖未示)與控制單元(圖未示)。 偵測單元用以偵測導(dǎo)流單元550外的環(huán)境溫度以及燃料電池堆510的溫度。 控制單元則電性連接至偵測單元及閥門組554,以根據(jù)偵測單元的偵測結(jié)果 來控制閥門組554的開啟與關(guān)閉。
一般而言，熱交換元件200的數(shù)量愈多，熱回收效率愈好。本實施例的 燃料電池系統(tǒng)500可隨著所處環(huán)境的溫度，來調(diào)整第一熱交換模塊520中實 際進行熱交換的熱交換元件200的數(shù)量。如此，可使燃料電池系統(tǒng)500在不 同溫度的環(huán)境中，提供較為一致的輸出功率，以下對此燃料電池系統(tǒng)500的 運作方式進行說明。此外，下文中將以標號90，來表示通過燃料電池堆510 后的風(fēng)流。另外，因風(fēng)流90與風(fēng)流90，在第一熱交換模塊520處進行熱交換 的原理與圖3的燃料電池系統(tǒng)300相似，以下將^l針對如何調(diào)整第一熱交換 模塊520中實際進行熱交換的熱交換元件200的數(shù)量進行說明。
請參照圖IIA，當偵測單元所偵測到的環(huán)境的溫度較高時(例如高于25 。C時)，控制單元會開啟最上方的閥門組554，第一風(fēng)流產(chǎn)生器530所提供的 風(fēng)流90會從最上方的閥門組554的左側(cè)的閥門554a進入導(dǎo)流單元550中， 并經(jīng)過一個熱交換元件200后，即流至燃料電池堆210 。由于環(huán)境的溫度較 高，所以風(fēng)流90僅吸收一個熱交換元件200的熱能即可達到預(yù)設(shè)的溫度范 圍。此外，風(fēng)流90，會經(jīng)最上方的閥門組554的右側(cè)的閥門554b流至第二熱 交換模塊540。風(fēng)流90，中的水氣會被第二熱交換模塊540冷卻成液態(tài)水， 以達到水回收的目的。第二風(fēng)流產(chǎn)生器560所提供的冷卻風(fēng)流40，則用以提 高水回收效率。
此外，請參照圖IIB，當偵測單元所偵測到的環(huán)境的溫度較低時(例如介 于12.5。C至25。C之間時)，控制單元會開啟位于中間的閥門組554,第一風(fēng) 流產(chǎn)生器530所提供的風(fēng)流90會從中間的閥門組554的左側(cè)的閥門554a進 入導(dǎo)流單元550中，并經(jīng)過兩個熱交換元件200而流至燃料電池堆510。由 于風(fēng)流90是吸收兩個熱交換元件200的熱能，所以即使環(huán)境溫度較低，風(fēng) 流90在流至燃料電池堆510時，仍可達到預(yù)設(shè)的溫度范圍。
另夕卜，請參照圖IIC，當偵測單元所偵測到的環(huán)境的溫度更低時(例如介于0。C至12.5。C之間時)，控制單元會開啟最下方的閥門組554,第一風(fēng)流產(chǎn) 生器530所提供的風(fēng)流90會從最下方的閥門組554的左側(cè)的閥門554a進入 導(dǎo)流單元550中，并經(jīng)過三個熱交4奐元件200而流至燃^h電池堆510。由于 風(fēng)流90是吸收三個熱交換元件200的熱能，所以風(fēng)流90在流至燃料電池堆 510時，仍可達到預(yù)設(shè)的溫度范圍。
由于本實施例的燃料電池系統(tǒng)500可隨著所處環(huán)境的溫度，來調(diào)整第一 熱交換模塊520中實際進行熱交換的熱交換元件200的數(shù)量，使流至燃料電 池堆510的風(fēng)流90的溫度較為 一致。如此，可使燃料電池堆510在不同溫 度的環(huán)境的反應(yīng)效率較為 一致，以提供較為 一致的輸出功率。
需注意的是，上文中所列的溫度范圍及第 一熱交換模塊520的熱交換元 件200的數(shù)量僅為舉例說明，并非用以限定本發(fā)明。所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技 術(shù)人員，在參照本文后，當可作適當?shù)男薷?，然其仍?yīng)屬本發(fā)明的范疇。
綜上所述，本發(fā)明實施例至少具有下列的一或部分或全部的優(yōu)點
1 .本發(fā)明實施例的熱交換元件因采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的固定單元來阻斷 至少一軸向的熱傳導(dǎo)，所以應(yīng)用在反向流的系統(tǒng)架構(gòu)時，可提高熱交換效率。 此外，本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)因使用此熱交換元件，所以具有較高的 熱回收效率。
2. 本發(fā)明實施例的一燃料電池系統(tǒng)中，因第 一風(fēng)流產(chǎn)生器所提供的風(fēng)流 的流量高于流經(jīng)燃料電池堆的風(fēng)流的流量，所以可提供足夠的冷卻風(fēng)流，進 而回收充足的液態(tài)水。如此，可使用更高濃度的燃料(如曱醇)，以增加燃料 電池系統(tǒng)的體積功率。
3. 本發(fā)明實施例的另 一燃料電池系統(tǒng)可在不同溫度的環(huán)境下，通過閥門
量。如此，可使燃料電池堆在不同溫度的環(huán)境的反應(yīng)效率較為一致，以提供 較為一致的輸出功率。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與 潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權(quán)利要求所界定者為準。另外本發(fā) 明的任一實施例或權(quán)利要求不須達成本發(fā)明所披露的全部目的或優(yōu)點或特 點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，并非用來限制 本發(fā)明的權(quán)利范圍。
權(quán)利要求
1. 一種熱交換元件，適用于燃料電池系統(tǒng)中，該熱交換元件包括多個熱交換單元，沿第一方向彼此間隔排列；以及固定單元，固定這些熱交換單元，且以該固定單元為界而區(qū)分成第一部分與該第一部分所延伸的第二部分，其中這些熱交換單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)高于該固定單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)，且該固定單元延遲這些熱交換單元間的熱傳導(dǎo)。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱交換元件，其中該每一熱交換單元包括 多個鰭片，沿第二方向彼此間隔排列成多層，該第一方向?qū)嵸|(zhì)上垂直于該第二方向；以及連接部，連接這些鰭片，該每一鰭片的兩端是分別位于該連接部的兩側(cè) 以及該固定單元的兩側(cè)。
3. 如權(quán)利要求2所述的熱交換元件，其中在相鄰兩熱交換單元中，其中 熱交換單元的這些鰭片是對應(yīng)至另 一熱交換單元的這些鰭片之間的空隙。
4. 如權(quán)利要求1所述的熱交換元件，其中該每一熱交換單元包括沿第二 方向彼此間隔排列成多層的多個鰭片，該每一鰭片的兩端是分別位于該固定 單元的兩側(cè)，且該第一方向?qū)嵸|(zhì)上垂直該第二方向。
5. 如權(quán)利要求4所述的熱交換元件，其中在相鄰兩熱交換單元中，其中 熱交換單元的這些鰭片是對應(yīng)至另 一熱交換單元的這些鰭片之間的空隙。
6. 如權(quán)利要求1所述的熱交換元件，其中該固定單元以熱傳導(dǎo)系數(shù)小于 20 W/(mK)的材料制成。
7. 如權(quán)利要求1所述的熱交換元件，其中這些熱交換單元以熱傳導(dǎo)系數(shù) 大于50 W/(mK)的材料制成。
8. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池堆；第一風(fēng)流產(chǎn)生器，適于提供風(fēng)流；第一熱交換模塊，配置于該燃料電池堆與該第一風(fēng)流產(chǎn)生器之間，其中 該第一熱交換模塊包括至少一權(quán)利要求1所述的該熱交換元件；第二熱交換模塊，配置于該第 一風(fēng)流產(chǎn)生器與該第 一熱交換模塊之間， 其中該第二熱交換模塊包括至少一權(quán)利要求i所述的該熱交換元件；以及導(dǎo)流單元，連接該燃料電池堆、該第一風(fēng)流產(chǎn)生器、該第一熱交換模塊及該第二熱交換模塊，以使該風(fēng)流依序流經(jīng)該第二熱交換模塊、該第一熱交 換模塊、該燃料電池堆、該第一熱交換模塊、該第二熱交換模塊后排至該導(dǎo) 流單元外，其中該導(dǎo)流單元的一側(cè)壁具有一分流口，位于該第一熱交換模塊 與該第二熱交換模塊之間，以將從該第二熱交換模塊流往該第一熱交換模塊 的部分該風(fēng)流經(jīng)由該分流口導(dǎo)引至該導(dǎo)流單元外。
9. 如權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第二風(fēng)流產(chǎn)生器，連接于該導(dǎo)流單元，且位于該燃料電池堆與該第 一熱交換模塊之間。
10. 如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該導(dǎo)流單元具有分隔部，位 于該第 一風(fēng)流產(chǎn)生器與該燃料電池堆之間，且該第 一熱交換模塊及該第二熱隔部的一側(cè)，該第一熱交換模塊及該第二熱交換模塊的這些熱交換元件的這 些熱交換單元的這些第二部分是位于該分隔部的另一側(cè)，而從該第一風(fēng)流產(chǎn) 生器流往該燃料電池堆的該風(fēng)流是流經(jīng)這些第一部分，從該燃料電池堆流往 該導(dǎo)流單元外的該風(fēng)流是流經(jīng)這些第二部分。
11. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一熱交換模塊包括的 至少 一該熱交換元件為多個。
12. 如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括加熱件，配置于該第二 風(fēng)流產(chǎn)生器旁，其中該加熱件適于加熱該風(fēng)流。
13. 如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該導(dǎo)流單元還具有一閥門， 設(shè)置于該分隔部的一開口 ，該開口位于該第一熱交換模塊的鄰近該燃料電池 堆的兩個該熱交4灸元4牛之間。
14. 如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括偵測單元，用以偵測流至該燃料電池堆的該風(fēng)流的含氧量、該燃料電池 堆的溫度以及該導(dǎo)流單元外的環(huán)境溫度；控制單元，電性連接至該偵測單元、該加熱件、該閥門、該第一風(fēng)流產(chǎn) 生器及該第二風(fēng)流產(chǎn)生器，以根據(jù)該偵測單元的偵測結(jié)果來控制該加熱件、 該閥門、該第 一風(fēng)流產(chǎn)生器及該第二風(fēng)流產(chǎn)生器的開啟與關(guān)閉。
15. 如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該分隔部的材料包括塑料、 泡棉或硅膠。
16. 如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第二風(fēng)流產(chǎn)生器包括離心 扇、軸流扇或泉浦。
17. 如權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一風(fēng)流產(chǎn)生器包括離心 扇、軸流扇或泵浦。
18. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池堆；第一熱交換模塊，包括多個權(quán)利要求1所述的該熱交換元件；第一風(fēng)流產(chǎn)生器，配置于該燃料電池堆與該第一熱交換模塊之間，該第 一風(fēng)流產(chǎn)生器適于提供風(fēng)流至該燃料電池堆；第二熱交換模塊，配置于該第一熱交換模塊旁，其中該第二熱交換模塊 包括至少一權(quán)利要求1所述的該熱交換元件；以及導(dǎo)流單元，連接該燃料電池堆及該第一熱交換模塊，該導(dǎo)流單元的側(cè)壁 具有多個閥門組，對應(yīng)于該第一熱交換模塊的這些熱交換元件設(shè)置，該每一 閥門組包括至少二彼此相對的閥門，該導(dǎo)流單元用以使該風(fēng)流^衣序流經(jīng)該第 一熱交換模塊、該燃料電池堆、該第一熱交換模塊、并從這些閥門組其中之 一流至該第二熱交換模塊的該熱交換元件的這些熱交換單元的這些第 一部 分。
19. 如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第二風(fēng)流產(chǎn)生器，配置 于該第二熱交換模塊的 一端，以提供冷卻風(fēng)流至該第二熱交換模塊的該熱交 換元件的這些熱交換單元的這些第二部分。
20. 如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該導(dǎo)流單元具有分隔部， 分布于該第 一熱交換模塊的這些熱交換元件之間以及該第 一熱交換模塊與 該燃料電池堆之間，且該第 一熱交換模塊的這些熱交換元件的這些熱交換單 元的這些第一部分是位于該分隔部的一側(cè)，該第一熱交換模塊的這些熱交換 元件的這些熱交換單元的這些第二部分是位于該分隔部的另 一側(cè)，且鄰近該 第二熱交換模塊。
21. 如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括偵測單元，用以偵測該導(dǎo)流單元外的環(huán)境溫度以及該燃料電池堆的溫度；控制單元，電性連接至該偵測單元及這些閥門組，以根據(jù)該偵測單元的 偵測結(jié)果來控制這些閥門組的開啟與關(guān)閉。
22. 如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該分隔部的材料包括塑料、 泡棉或-圭膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱交換元件，適用于一燃料電池系統(tǒng)中，其包括多個熱交換單元以及固定單元。這些熱交換單元是沿第一方向彼此間隔排列。固定單元固定這些熱交換單元，且并以固定單元為界而區(qū)分成第一部分與第一部分所延伸的第二部分。此外，這些熱交換單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)高于固定單元的熱傳導(dǎo)系數(shù)，且固定單元可延遲這些熱交換單元間的熱傳導(dǎo)。此熱交換元件可提高燃料電池系統(tǒng)的熱回收效率。另外，本發(fā)明提出兩種使用此熱交換元件的燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號H01M8/04GK101471448SQ20071019438
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者周志成, 李璟柏, 正 王 申請人:中強光電股份有限公司