一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统，所述燃料电池发电系统包括电极阴极板、电极阳极板、和膜电极‑气体扩散层；所述环路热管传热系统包括环路热管和绝热绝缘层，所述绝热绝缘层密封连接燃料电池发电系统的电池电堆与泡沫金属相变储能系统；所述泡沫金属相变储能系统包括保温绝热壳体、泡沫金属骨架以及固体相变材料，所述固体相变材料为石蜡复合材料。本发明专利技术具有结构简单、成本低廉、节约能源、实现质子交换膜燃料电池温度调控与余热利用有机结合等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统
本专利技术属于质子交换膜燃料电池热管理领域，尤其涉及一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统。
技术介绍
随着社会的逐渐发展，使用清洁能源代替传统化石燃料既是对我国低碳环保政策的有力保障又是满足高效能源利用的有效途径。氢氧燃料电池由于其零排放、高转能源换效率以及燃料资源丰富的特点成为新型可再生能源的发展方向之一。质子交换膜燃料电池的最佳工作温度应低于100℃，过高的工作温度将使得质子交换膜内部水过度脱除、降低质子导电性，从而降低电池效率。此外，过多热量不能及时排除将导致电池本体的热变形并影响电池的运行安全。因此，及时有效的燃料电池热管理系统对提高发电效率与运行稳定性至关重要。传统燃料电池散热方式为强制风对流散热或水冷散热，风冷方法无法精确控制电池内部温度、换热不稳定；水冷方法所需连接管段较多、辅助设备较复杂。因此传统散热模式的热转换效率较低，较难满足同时保障高效余热回收和简化系统设备。因此，设计一种设备简单且热回收效率较高的燃料电池热管理系统是目前本领域科学技术人员所急需解决的问题。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有燃料电池热管理装置存在的不足，本专利技术提出一种结构简单、成本低廉、操作方便、能源利用率高的泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统。该储能系统利用相变储能系统与燃料电池发电系统的结合节约了余热利用装置的设备空间，利用热管热回收技术提高了低品位能源利用率，实现了节能的目的。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统。所述燃料电池发电系统包括电极阴极板1，电极阳极板2和膜电极-气体扩散层4；所述环路热管传热系统包括环路热管3和绝热绝缘层7；所述泡沫金属相变储能系统包括泡沫金属骨架5，固体相变材料6和保温绝热壳体8；所述电极阴极板1和电极阳极板2通过膜电极-气体扩散层4隔开；所述环路热管传热系统的绝热绝缘层7密封连接燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统。进一步，所述环路热管3包括蒸发段和冷凝段，环路热管3的蒸发段位于所述燃料电池发电系统内部，环路热管3的冷凝段位于泡沫金属相变储能系统内部，环路热管3穿过燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统之间的绝热绝缘层7；蒸发段嵌套于电极阴极板1和电极阳极板2内部插槽，并通过导热绝缘胶9与电极极板密封连接，冷凝段与泡沫金属骨架5焊接严密并与固体相变材料6完全接触。优选地，所述环路热管3截面布置成U形。进一步，所述环路热管3的蒸发段在阴极和阳极的电极温度高于管内蒸汽压力饱和温度时，热管将吸收因电化学反应产生的过余热量，蒸发段内部工质发生相变由液态变为气态上升经过绝热绝缘层7至冷凝段，热量通过固体相变材料6储存在所述泡沫金属相变储能系统，冷凝段内水蒸气温度降低并再次发生相变冷凝回流至蒸发段。进一步，所述电极阴极板1设置氧气流道并使氧气扩散至阴极表面，聚集接受阳极侧转移的电子；所述电极阳极板2设置氢气流道并使氢气扩散至阳极表面，聚集电子转移至阴极侧；所述膜电极-气体扩散层4疏导氧气和氢气至电极表面，阳极表面发生氧化反应，氢气氧化为氢离子通过质子交换膜迁移至阴极表面，阴极表面发生还原反应，电子通过外部导线传递至阴极与氧分子结合并与氢离子发生反应生成水。进一步，所述泡沫金属骨架5由孔隙率为65％-95％的泡沫金属Cu构成，泡沫金属骨架5内部填充有固体相变材料6。进一步，所述固体相变材料6由石蜡及脂肪烃、醇、无机盐的混合工质构成。进一步，所述绝热绝缘层7由玻璃纤维构成，隔绝燃料电池发电系统的热量与泡沫金属相变储能系统直接热交换。进一步，所述保温绝热壳体8由保温棉组成，隔绝周围环境与内部固体相变材料6之间的热交换。所述泡沫金属相变储能系统可以将传统燃料电池余热回收并高效储存，节省了传统余热回收系统中所需要的水管路复杂连接管段，提高了热传递效率。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益的技术效果：采用泡沫金属相变储能系统收集燃料电池余热，在满足燃料电池温度临界值要求的情况下，既保证了电池运行的稳定性，又提高了热回收效率；所使用的热管传热部件可以有效的提高换热均匀性和单位面积热传递速率，简化了传统燃料电池热回收系统中的水循环及控制系统；泡沫金属相变储能系统贴附热源，既缩短了热传输距离又可以提高热储存容量，实现了热储存的延时性和高效回收。附图说明图1-1为本专利技术的整体结构示意图；图1-2为泡沫金属示意图；图2-1和图2-2分别为环路热管在阴极板和阳极板内截面布置图；图3-1和图3-2分别为环路热管的蒸发段嵌套于阴极板的侧视图与正视图；图4-1和图4-2分别为环路热管的蒸发段嵌套于阳极板的侧视图与正视图；图5-1和图5-2分别为环路热管在绝热段和冷凝段的侧视图与正视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细的描述。如图1所示，本专利技术所述的一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统；所述燃料电池发电系统包括电极阴极板1，电极阳极板2，膜电极-气体扩散层4；所述泡沫金属相变储能系统包括泡沫金属骨架5，固体相变材料6，保温绝热壳体8；所述电极阴极板1和电极阳极板2通过膜电极-气体扩散层4隔开；所述环路热管传热系统包括环路热管3和绝热绝缘层7，绝热绝缘层7密封连接燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统。电极阴极板1作用是设置氧气流道并使得氧气扩散至阴极表面，此外聚集接受阳极侧转移的电子。电极阳极板2作用是设置氢气流道并使得氢气扩散至阳极表面，此外聚集电子转移至阴极侧。膜电极-气体扩散层4作用是疏导氧气与氢气至电极表面，阳极表面发生氧化反应，氢气氧化为氢离子通过质子交换膜迁移至阴极表面；阴极表面发生还原反应，电子通过外部导线传递至阴极与氧分子结合并与氢离子发生反应生成水。泡沫金属骨架5由孔隙率为65％-95％的泡沫金属Cu构成，泡沫金属骨架5内部填充有固体相变材料6，泡沫金属骨架5可以提高导热率并增加相变材料与之接触的面积。固体相变材料6作用是相变过程吸收热管传递的热量并以液态储存，固体相变材料6由石蜡及脂肪烃、醇、无机盐的混合工质构成，固体相变材料6将提高相变潜热，使得单位相变体积内的工质储存更多的热量。保温绝热壳体8由保温棉组成，作用为隔绝周围环境与内部相变材料之间的热交换。绝热绝缘层7作用是隔绝燃料电池发电系统的热量与泡沫金属相变储能系统直接热交换。若不设置绝热层，则当电池温度低于泡沫金属相变储能系统的内部温度时热量会自发从储能系统传递至电池系统，从而不利于系统的温度控制。绝热层由绝缘性好、耐热性强的玻璃纤维构成。如图1-2所示，泡沫金属骨架5由孔隙率为65％-95％的泡沫金属Cu构成，内部填充有石蜡及脂肪烃、醇、无机盐的混合而成的固体相变材料6。如图2-1和图2-2所示，环路热管3截面布置成U形。环路热管3的蒸发段位于燃料电池极板内部，环路热管3的冷凝段位于泡沫金属相变储能系统内部；环路热管3穿过燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统之间的绝热绝缘层7，环路热管3的蒸发段在阴极和阳极的电极温度高于管内蒸汽压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，其特征在于：包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统；所述燃料电池发电系统包括电极阴极板(1)，电极阳极板(2)和膜电极‑气体扩散层(4)；所述环路热管传热系统包括环路热管(3)和绝热绝缘层(7)；所述泡沫金属相变储能系统包括泡沫金属骨架(5)，固体相变材料(6)和保温绝热壳体(8)；所述电极阴极板(1)和电极阳极板(2)通过膜电极‑气体扩散层(4)隔开；所述环路热管传热系统的绝热绝缘层(7)密封连接燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，其特征在于：包括燃料电池发电系统、环路热管传热系统以及泡沫金属相变储能系统；所述燃料电池发电系统包括电极阴极板(1)，电极阳极板(2)和膜电极-气体扩散层(4)；所述环路热管传热系统包括环路热管(3)和绝热绝缘层(7)；所述泡沫金属相变储能系统包括泡沫金属骨架(5)，固体相变材料(6)和保温绝热壳体(8)；所述电极阴极板(1)和电极阳极板(2)通过膜电极-气体扩散层(4)隔开；所述环路热管传热系统的绝热绝缘层(7)密封连接燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统。2.根据权利要求1所述的一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，其特征在于：所述环路热管(3)包括蒸发段和冷凝段，环路热管(3)的蒸发段位于所述燃料电池发电系统内部，环路热管(3)的冷凝段位于泡沫金属相变储能系统内部，环路热管(3)穿过燃料电池发电系统与泡沫金属相变储能系统之间的绝热绝缘层(7)；蒸发段嵌套于电极阴极板(1)和电极阳极板(2)内部插槽，并通过导热绝缘胶(9)与电极极板密封连接，冷凝段与泡沫金属骨架(5)焊接严密并与固体相变材料(6)完全接触。3.根据权利要求2所述的一种基于泡沫金属的质子交换膜燃料电池相变储能系统，其特征在于：所述环路热管(3)的蒸发段在阴极和阳极的电极温度高于管内蒸汽压力饱和温度时，热管将吸收因电化学反应产生的过余热量，蒸发段内部工质发生相变由液态变为气态上升经过绝热绝缘层(7)至冷凝段，热量通过固体相变材料(6)储存在所述泡沫金属相变储能系统，冷凝段内水...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振乾，韩超灵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32