CN116470090A - 一种一体化的储氢合金供氢燃料电池*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***。该燃料电池***包含燃料电池电堆、储氢罐、氢气供给***、空气供给***、热管理***、控制***。本发明的储氢罐出口处设置有立体网状的电加热器，罐内设有导热流体流动管道，且管道上设置有鳍片来增加加热面积。本***运行时，从燃料电池电堆流出的高温导热流体给储氢罐加热，加速储氢合金的放氢过程，***处于动态平衡状态；加氢过程则利用储氢合金释放的热量来维持电堆的温度，避免出现冷启动。本发明实现了燃料电池电堆的余热利用，减少了能量消耗，避免***中安装大功率散热器，减小了***体积和成本。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及到一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***。
背景技术
氢能具有清洁、高效、可再生等优点。面对世界日益突出的环境问题，氢燃料电池因其具有环保、能量转换率高的优势，成为了各国大力扶持的新技术产业，燃料电池技术在汽车、发电、航天等领域有望被大规模应用。
目前，氢气的储运方式主要有以下几种：高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储运和固态储氢。固态储氢是把氢气储存在固态材料中，在同等体积下可储存的氢气是液态储氢的两倍以上，且储存压力低，安全性好。在固态储氢技术中，利用金属氢化物作为储氢材料是相对发展较为成熟的。储氢合金在储氢罐内发生吸放氢反应时，通常会伴随着热量的吸放。在脱氢过程中，储氢合金需要吸收热量来释放出氢气，因此需要在储氢罐内设置加热装置。而加氢过程中，储氢合金又会释放热量。如何充分利用储氢合金释放的热量，降低能耗，提高能量利用率，具有十分重要的意义。
一篇公开号为CN108011114A的中国发明专利申请公开一种利用合金储氢材料低温启动车用燃料电池***及方法，车用燃料电池***包括燃料电池堆、空气路分***、氢路分***、冷却液路分***和控制电路分***，氢路分***包括一个合金储氢罐支路和一个为高压气瓶支路，合金储氢罐置于冷却液路分***的水箱内。低温启动的方法是：高压气瓶中的氢气向合金储氢罐充氢，储氢材料充氢时放热，加热水箱中冷却液，冷却液达到设定温度时，启动循环水泵，加热燃料电池电堆，当电堆温度达到设定的可操作温度时，停止充氢，启动燃料电池***。该发明虽然提供了一种利用储氢合金释放的热量来解决低温启动的思路，但热量利用仍不够充分，而且，整车需要高压气瓶储氢，降低了安全性。
发明内容
针对现存在的问题，本发明的目的在于提供一种能量利用率更高、更加安全的、一体化的储氢合金供氢的燃料电池***。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，包括，燃料电池电堆、储氢罐、氢气供给装置、空气供给装置、换热循环装置和控制装置，所述储氢罐内存放有具备加氢放氢功能储氢合金，储氢合金释放出的氢气通过所述氢气供给装置为所述燃料电池电堆提供燃料，所述空气供给装置为所述燃料电池电堆提供空气，所述换热循环装置用来实现所述储氢罐和所述燃料电池电堆之间的热量传递，所述控制装置与所述储氢罐、所述氢气供给装置、所述空气供给装置和所述换热循环装置控制连接；其中，在所述储氢罐的氢气出口处设置有电加热装置；所述换热循环装置包括散热器、换热循环泵、第一循环管道、第二循环管道和旁通管道；所述燃料电池电堆的导热流体出口通过所述第二循环管道与所述储氢罐的导热流体入口连接，所述燃料电池电堆的导热流体入口通过所述第一循环管道与所述储氢罐的导热流体出口连接，所述储氢罐、所述第一循环管道、所述燃料电池电堆和所述第二循环管道共同构成换热循环回路；所述换热循环泵设置在换热循环回路上；所述旁通管道连接在所述第一循环管道和所述第二循环管道之间，所述散热器设置在所述旁通管道上；在所述旁通管道上设有第三阀门；在所述燃料电池电堆的导热流体入口、导热流体出口处分别设有第一温度传感器和第二温度传感器。
更为优选的是，所述储氢合金为设置在所述储氢罐内的储氢合金颗粒，所述储氢合金颗粒为ZrCo合金颗粒、LaNi合金颗粒或Mg2Ni合金颗粒。
更为优选的是，所述电加热装置为立体网状结构，在所述立体网状结构上附着有所述储氢合金颗粒。
更为优选的是，在所述储氢罐内设有供导热流体流经的换热管道，所述换热管道盘旋于所述储氢罐内，且在所述换热管道上设置有鳍片。
更为优选的是，所述氢气供给装置包括设置在所述储氢罐的氢气出口处的第二阀门，在所述第二阀门后设置有氢气流量计，所述控制装置与所述第二阀门、所述氢气流量计控制连接。
更为优选的是，在所述燃料电池电堆的氢气入口和氢气出口之间连接有氢气循环泵，所述氢气循环泵与所述控制装置控制连接。
更为优选的是，所述空气供给装置上设有受控于所述控制装置的供给阀门、流量计和湿度调节装置，用于控制进入所述燃料电池电堆的空气流量、压力、湿度。
更为优选的是，启动状态时控制方法如下：启动燃料电池***的同时启动所述储氢罐内的所述电加热装置；储氢合金释放出氢气进入所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆正常运行；导热流体开始进入所述燃料电池电堆降温，升温后的导热流体进入所述储氢罐的所述换热管道，为储氢合金加热。
***稳定运行后的控制方法如下：关闭所述储氢罐内的所述电加热装置，燃料电池***热量处于动态平衡状态；此时，所述燃料电池电堆流出的高温导热流体进入所述储氢罐内加热储氢合金，导热流体温度降低；降温后的导热流体进入所述燃料电池电堆，为所述燃料电池电堆降温，导热流体温度升高；依此循环。
所述燃料电池电堆处于高功率运行状态时，开启所述散热器进行辅助散热，此时，所述燃料电池电堆流出的高温导热流体一部分流入所述散热器降温，一部分流入所述储氢罐加热储氢合金，降温后的导热流体混合后，再次流入所述燃料电池电堆。
所述燃料电池电堆处于高功率运行状态时，通过监测所述储氢罐中氢气的消耗量、进入所述燃料电池电堆的导热流体温度来判断是否需要使用所述散热器来辅助散热。
在所述储氢罐的加氢过程中，利用低温导热流体带走热量；从所述储氢罐流出的高温导热流体流入所述燃料电池电堆、用以维持所述燃料电池电堆的温度；当监测到流入所述燃料电池电堆的导热流体温度过高时，启动所述散热器，此时从所述储氢罐流出的高温导热流体一部分流入所述散热器降温，一部分流入所述燃料电池电堆来维持所述燃料电池电堆的温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1）储氢合金放氢过程通常需要加热来提高放氢速率，传统***通常使用电加热的方式。而本发明充分利用了燃料电池电堆产生的热量为储氢合金加热，实现了余热的循环和充分利用，节能效果显著。
2）本发明中的电加热装置为立体网状结构，该结构利于储氢合金颗粒附着于其上，增大了加热装置与储氢合金的接触面积，缩短了加热启动时间。
3）本发明中的导热流体流道上安装了鳍片，增大了储氢合金与冷却流道的接触面积，提高了加热效率。
4）传统燃料电池***中常常需要高功率的散热器来进行冷却散热，散热器往往体积较大，耗能高。而本发明中，***运行时储氢罐起到了散热的作用，设置小型散热器仅仅用于辅助散热，在减小能耗的同时，减小了燃料电池***的体积及成本。
5）本发明中，利用加氢过程储氢合金释放出的热量来维持燃料电池电堆的温度，避免电堆出现冷启动现象，提高了能量利用率。
附图说明
图1所示为本发明中燃料电池***示意图。
图2所示为本发明实施例中储氢罐的结构示意图。
附图标记说明。
1：燃料电池电堆，2：储氢罐，3：氢气供给装置，4：空气供给装置，5：换热循环装置，6：控制装置。
2-1：电加热装置，2-2：换热管道，2-3：储氢合金颗粒，2-4：第一阀门。
3-1：第二阀门，3-2：氢气流量计，3-3：氢气循环泵。
5-1：散热器，5-2：换热循环泵，5-3：第一循环管道，5-4：第二循环管道，5-5：旁通管道，5-6：第三阀门，5-7：第一温度传感器，5-8：第二温度传感器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向” 、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征 “之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
如图1所示，一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，包括，燃料电池电堆1、储氢罐2、氢气供给装置3、空气供给装置4、换热循环装置5和控制装置6，所述储氢罐2内存放有储氢合金，具有加氢放氢功能，储氢合金释放出的氢气通过所述氢气供给装置3为所述燃料电池电堆1提供燃料，所述空气供给装置4为所述燃料电池电堆1提供空气，所述换热循环装置5用来实现所述储氢罐2和所述燃料电池电堆1之间的热量传递，所述控制装置6与所述储氢罐2、所述氢气供给装置3、所述空气供给装置4和所述换热循环装置5控制连接。
储氢罐中存放有MHn，其中M为储氢合金，如ZrCo合金、LaNi合金、Mg2Ni等都可以，MHn为储氢氢化物。储氢合金的放氢过程是一个吸热过程，需要通过加热提高放氢速率，且温度越高，储氢合金的放氢速率越高。相反的，加氢过程中会释放出大量热量，需要及时为储氢罐散热。
图2所示为本实施例中的储氢罐2的结构示意图，在储氢罐2的加氢口设有第一阀门2-4。在储氢罐2的氢气出口处设置电加热装置2-1，用于加热储氢罐2内的储氢合金颗粒2-3。电加热装置2-1为立体网状结构，利于储氢合金颗粒2-3附着于其上，缩短加热时间。储氢罐内部设置有换热管道2-2，利用换热管道2-2内的导热流体充分加热储氢合金颗粒2-3。换热管道2-2盘旋于储氢罐2内部，且换热管道2-2上设置有鳍片，增大加热面积。
再结合图1所示，氢气供给装置3包括设置在储氢罐2的出口处的第二阀门3-1，用于控制进入燃料电池电堆1的氢气流量。第二阀门3-1后设置有氢气流量计3-2，监测氢气的实时流量，且通过控制装置6将流量与时间积分后即可得到储氢罐内流出的氢气总量。控制装置6与第二阀门3-1、氢气流量计3-2控制连接，用于控制进入燃料电池电堆1的氢气流量、压力等。在燃料电池电堆1的氢气入口和氢气出口之间连接有氢气循环泵3-3，用来实现残余氢气的循环利用。
空气供给装置4上设有受控于所述控制装置6的供给阀门、流量计和湿度调节装置，用于控制进入燃料电池电堆1的空气流量、压力、湿度等。
换热循环装置5用于实现燃料电池电堆1和储氢罐2之间的换热循环、以及储氢罐加氢时的散热。其包括散热器5-1、换热循环泵5-2、第一循环管道5-3、第二循环管道5-4和旁通管道5-5；燃料电池电堆1的导热流体出口通过第二循环管道5-4与储氢罐2的导热流体入口连接，燃料电池电堆1的导热流体入口通过第一循环管道5-3与储氢罐2的导热流体出口连接，储氢罐1、第一循环管道5-3、燃料电池电堆1、第二循环管道5-4共同构成换热循环回路；换热循环泵5-2设置在换热循环回路上；旁通管道5-5连接在第一循环管道5-3和第二循环管道5-4之间，散热器5-1设置在旁通管道5-5上；在旁通管道5-5上设有第三阀门5-6；在燃料电池电堆1的导热流体入口、导热流体出口处分别设有第一温度传感器5-7和第二温度传感器5-8。
工作时，导热流体在换热循环泵5-2的带动下在燃料电池电堆1和储氢罐2之间循环流动，第三阀门5-6用于控制进入散热器5-1的导热流体流量，第一温度传感器5-7和第二温度传感器5-8用于测量进出燃料电池电堆1的导热流体的温度，采集到的数据返回控制装置6。
本实施例提供的一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其采用如下的控制方法。
1）启动状态。
启动燃料电池***，同时开启储氢罐2的电加热装置2-1。加热使MHn释放出氢气，氢气进入燃料电池电堆1反应产生热量。从燃料电池电堆1流出的导热流体温度不断上升，燃料电池电堆1出口的第二温度传感器5-8实时监测得到流出燃料电池电堆1的导热流体温度Tout。当测量到的导热流体温度Tout高于预设值TL时，关闭电加热装置2-1。此时导热流体能完全提供储氢合金放氢过程所需要的热量。
2）稳定运行状态。
当燃料电池电堆1出口的第二温度传感器5-8测量得到的导热流体温度Tout处于预设的温度区间[TL,TH]时，***热量处于动态平衡状态。此时，低温导热流体流入燃料电池电堆1，燃料电池电堆1流出的高温导热流体进入储氢罐2内加热储氢合金，导热流体温度降低。降温后的导热流体流经换热循环泵5-2后再次进入燃料电池电堆1，为燃料电池电堆1降温。
当需要提高燃料电池功率时，则需要给燃料电池电堆1提供更多的氢气和氧气，且燃料电池电堆1释放出的热量会随功率的增加而增加。从燃料电池电堆1流出的导热流体温度会随着燃料电池电堆1功率的提高而升高，给储氢合金加热的温度也会随之升高。储氢合金释放氢气的速率随着加热温度的升高而升高，给电堆提供给了更多的氢气。整个***依然处于动态平衡状态。
3）高功率运行状态。
燃料电池***运行时，燃料电池电堆1入口处的第一温度传感器5-7实时监测流入燃料电池电堆1的导热流体温度Tin，储氢罐2出口的氢气流量计3-2实时监测到氢气流量q，将氢气流量对时间做积分，可以计算得到氢气的总消耗量V。预先进行多次实验，可以制出流入燃料电池电堆1的导热流体温度Tin、氢气的消耗量V与是否需要使用散热器5-1辅助散热的映射关系。根据导热流体温度Tin、氢气的消耗量V判断得到需要辅助散热时，开启散热器5-1前的第三阀门5-6，启动散热器5-1。此时燃料电池电堆1流出的高温导热流体一部分流入散热器5-1降温，一部分流入储氢罐2加热储氢合金。降温后的导热流体经混合，通过换热循环泵5-2后再次流入燃料电池电堆1。
4）加氢状态。
当储氢罐2内的氢气使用完后，需要给储氢罐2加氢，此时燃料电池电堆1停止运行。加氢过程中储氢合金释放出大量热量，利用导热流体带走热量。导热流体带走的热量可以通过以下方式进行消耗：a）从储氢罐2流出的高温导热流体流入燃料电池电堆1以维持电堆的温度，避免电堆再次运行时出现冷启动。b）加氢过程中，燃料电池电堆1入口处的第一温度传感器5-7实时监测流入的导热流体温度Tin，当Tin高于预设值Tlimit时，启动散热器5-1，此时从储氢罐2流出的高温导热流体一部分流入散热器5-1降温，一部分流入燃料电池电堆1来维持温度。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，包括，燃料电池电堆、储氢罐、氢气供给装置、空气供给装置、换热循环装置和控制装置，所述储氢罐内存放有具备加氢放氢功能储氢合金，储氢合金释放出的氢气通过所述氢气供给装置为所述燃料电池电堆提供燃料，所述空气供给装置为所述燃料电池电堆提供空气，所述换热循环装置用来实现所述储氢罐和所述燃料电池电堆之间的热量传递，所述控制装置与所述储氢罐、所述氢气供给装置、所述空气供给装置和所述换热循环装置控制连接；其特征在于，
在所述储氢罐的氢气出口处设置有电加热装置；
所述换热循环装置包括散热器、换热循环泵、第一循环管道、第二循环管道和旁通管道；所述燃料电池电堆的导热流体出口通过所述第二循环管道与所述储氢罐的导热流体入口连接，所述燃料电池电堆的导热流体入口通过所述第一循环管道与所述储氢罐的导热流体出口连接，所述储氢罐、所述第一循环管道、所述燃料电池电堆和所述第二循环管道共同构成换热循环回路；所述换热循环泵设置在换热循环回路上；所述旁通管道连接在所述第一循环管道和所述第二循环管道之间，所述散热器设置在所述旁通管道上；在所述旁通管道上设有第三阀门；在所述燃料电池电堆的导热流体入口、导热流体出口处分别设有第一温度传感器和第二温度传感器。
2.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，所述储氢合金为设置在所述储氢罐内的储氢合金颗粒，所述储氢合金颗粒为ZrCo合金颗粒、LaNi合金颗粒或Mg2Ni合金颗粒。
3.如权利要求2所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，所述电加热装置为立体网状结构，在所述立体网状结构上附着有所述储氢合金颗粒。
4.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，在所述储氢罐内设有供导热流体流经的换热管道，所述换热管道盘旋于所述储氢罐内，且在所述换热管道上设置有鳍片。
5.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，所述氢气供给装置包括设置在所述储氢罐的氢气出口处的第二阀门，在所述第二阀门后设置有氢气流量计，所述控制装置与所述第二阀门、所述氢气流量计控制连接。
6.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，在所述燃料电池电堆的氢气入口和氢气出口之间连接有氢气循环泵，所述氢气循环泵与所述控制装置控制连接。
7.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，所述空气供给装置上设有受控于所述控制装置的供给阀门、流量计和湿度调节装置，用于控制进入所述燃料电池电堆的空气流量、压力、湿度。
8.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，启动状态时控制方法如下：启动燃料电池***的同时启动所述储氢罐内的所述电加热装置；储氢合金释放出氢气进入所述燃料电池电堆，所述燃料电池电堆正常运行；导热流体开始进入所述燃料电池电堆降温，升温后的导热流体进入所述储氢罐的所述换热管道，为储氢合金加热；
***稳定运行后的控制方法如下：关闭所述储氢罐内的所述电加热装置，燃料电池***热量处于动态平衡状态；此时，所述燃料电池电堆流出的高温导热流体进入所述储氢罐内加热储氢合金，导热流体温度降低；降温后的导热流体进入所述燃料电池电堆，为所述燃料电池电堆降温，导热流体温度升高；依此循环。
9.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池电堆处于高功率运行状态时，开启所述散热器进行辅助散热，此时，所述燃料电池电堆流出的高温导热流体一部分流入所述散热器降温，一部分流入所述储氢罐加热储氢合金，降温后的导热流体混合后，再次流入所述燃料电池电堆；
所述燃料电池电堆处于高功率运行状态时，通过监测所述储氢罐中氢气的消耗量、进入所述燃料电池电堆的导热流体温度来判断是否需要使用所述散热器来辅助散热。
10.如权利要求1所述的一种一体化的储氢合金供氢燃料电池***，其特征在于，在所述储氢罐的加氢过程中，利用导热流体带走热量；从所述储氢罐流出的高温导热流体流入所述燃料电池电堆、用以维持所述燃料电池电堆的温度；当监测到流入所述燃料电池电堆的导热流体温度过高时，启动所述散热器，此时从所述储氢罐流出的高温导热流体一部分流入所述散热器降温，一部分流入所述燃料电池电堆来维持所述燃料电池电堆的温度。
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| CN116960397A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 北京永氢储能科技有限责任公司 | 一种强化换热的氢燃料电池***及方法 |
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2022
- 2022-05-31 CN CN202210610727.6A patent/CN116470090A/zh active Pending
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