一种强化换热的氢燃料电池系统及方法技术方案

一种强化换热的氢燃料电池系统及方法，属于氢燃料电池应用技术领域。金属氢化物储氢瓶与三通阀连接，三通阀分别与压力传感器及稳压阀连接，稳压阀的另一端与进气电磁阀连接，进气电磁阀的另一端与氢气进口连接，压力传感器的另一端与控制系统连接，2个燃料电池之间分别连接温度传感器及散热器，控制系统与水泵、燃料电池、蓄电池及负载连接，燃料电池的空气进口与空气过滤器连接，水循环系统分别与金属氢化物储氢瓶、水泵及燃料电池连接，金属氢化物储氢瓶与燃料电池之间连接有加热器。本发明专利技术的金属氢化物供氢瓶通过特殊的构造，优化储氢瓶不同位置的换热性能，在更利于储氢瓶内层空间与外界换热的同时更高效地完成了余热利用。间与外界换热的同时更高效地完成了余热利用。间与外界换热的同时更高效地完成了余热利用。

【技术实现步骤摘要】
一种强化换热的氢燃料电池系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种强化换热的氢燃料电池系统及方法，属于电池、蓄电池及氢燃料电池应用


技术介绍

[0002]氢燃料电池是通过电化学反应将氢气和氧气的化学能转换为电能，在提供电能的时候产物只有水和热，其具有产物无污染、能量转换率高、原料来源丰富等优点。基于以上优点，氢燃料电池在交通运输、便携电池和发电等领域得到了越来越多的关注。氢燃料电池在工作时需要稳定且充足的氢气供给，且工作时伴随着相当数量的余热，余热的处理需要额外的冷却系统来完成，整个过程伴随能源的巨大浪费。而氢气的供给需要依靠储氢瓶完成，其中固态储氢瓶由于储氢密度高，安全性高等优点成为为燃料电池供氢的最优解。因此，将储氢瓶和氢燃料电池整合在一个系统内并辅以热量输送系统和控制系统，既节省了冷却系统的投资，又可以利用燃料电池的余热来为储氢瓶提供放氢所需热量，极大的提高了整个系统的能量利用率。
[0003]申请号为201910765587.8的一种固态储氢供氢燃料电池系统，通过将燃料电池和储氢瓶整合到一个系统内，辅以水热套系统和电池控制系统等设备，燃料电池工作过程中要求氢气的供给稳定且充足，但会产生大量余热；储氢瓶放氢过程稳定且及时，但需要大量吸热。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足,本专利技术提供一种强化换热的氢燃料电池系统及方法。
[0005]一种强化换热的氢燃料电池系统，金属氢化物储氢瓶与三通阀连接，三通阀分别与压力传感器及稳压阀连接，稳压阀的另一端与进气电磁阀连接，进气电磁阀的另一端与氢气进口连接，压力传感器的另一端与控制系统连接，燃料电池之间分别连接温度传感器及散热器，燃料电池分别与控制系统、出口电磁阀连接，控制系统与水泵、燃料电池、蓄电池及负载连接，燃料电池的空气进口与空气过滤器连接，水循环系统分别与金属氢化物储氢瓶、水泵及燃料电池连接，金属氢化物储氢瓶与燃料电池之间连接有加热器。燃料电池有空气出口。
[0006]一种氢燃料电池强化换热方法,含有以下步骤:吸热步骤、运输步骤、放热步骤及控制步骤，吸热步骤：将铜制吸热管放置于燃料电池极板间凹槽内，长度与极板凹槽相当，铜制管体管内高速流动的换热工质为燃料电池电堆提供冷却。
[0007]运输步骤含有以下步骤:步骤1：连接吸热段出口和金属氢化物储氢瓶外层空间放热段入口，管体材料采用塑料，同时外层覆盖保温材料，在入口管体外设有加热器，加热器与控制系统相连。
[0008]步骤2：连接金属氢化物储氢瓶外层空间放热段出口和吸热段入口，管体为铜制，
配有水泵，通过调节水泵功率来调节管内液体流动速度，为燃料电池电堆提供充分冷却的温度。
[0009]放热步骤：放热段位于金属氢化物储氢瓶外层空间，水流速从下至上逐渐增加，下部所需热量多，因而换热面积大且水温高于上部，上部换热面积小于下部，但流速大于下部，对流换热加强，保证储氢瓶内层空间所需热量得到充分供应。
[0010]控制步骤包括温控步骤和压控步骤，温控步骤通过温度传感器对燃料电池温度进行监控，压控步骤通过压力传感器对氢气进口管道的压力进行监控。
[0011]温控步骤：监控燃料电池电堆温度，对温度传感器、监控输氢管道压力的压力传感器、蓄电池进行监控。
[0012]燃料电池中温度传感器实时监控电堆温度并反馈给控制系统，当电堆温度过高时，控制系统增大电堆中的散热器功率，增强电堆散热和增大水泵功率使水循环系统管体中液体的流速增加来增强电堆散热，使电堆温度保持在发电效率最高点。
[0013]压控步骤：通过压力传感器实时监控输氢管道压力并反馈给控制系统，当压力异常时，控制系统通过调节金属氢化物储氢瓶瓶口阀开度来调节输氢管道压力步骤，调节水泵功率改变水循环系统管体中液体的流速步骤来调节输氢管道压力。
[0014]控制步骤控制金属氢化物储氢瓶的放氢速度、燃料电池电堆温度、水循环系统内工质的温度和流速参数，控制输出电压和电流调节至最适合负载的数值，实时监控系统内各项参数。
[0015]本专利技术的优点是: 金属氢化物供氢瓶通过特殊的构造，优化储氢瓶不同位置的换热性能，在更利于储氢瓶内层空间与外界换热的同时更高效地完成了余热利用。
[0016]1. 金属氢化物供氢瓶通过特殊的构造，优化了储氢瓶不同位置的换热性能，在更利于储氢瓶内层空间与外界换热的同时更高效地完成了余热利用，显著提高了系统的安全性和能量利用率。
[0017]2. 水循环系统主要分为吸热段、运输段和放热段三部分，其中，吸热段由15
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25根铜制吸热管组成，放置于燃料电池极板间凹槽内，长度与极板凹槽相当，铜制管体优秀的导热性能和管内高速流动的换热工质为燃料电池电堆提供了优秀的冷却效果；运输段由两部分组成，第一部分连接吸热段出口和金属氢化物储氢瓶外层空间放热段入口，管体材料采用塑料，同时外层覆盖保温材料，塑料较弱的导热性能和外层的保温材料大幅减少了余热在被金属氢化物储氢瓶利用前的散失，同时在入口管体外设有加热器，加热器与控制系统相连，可以在放热段工质温度不足以为储氢瓶提供充足热量时填补热量缺口，从而使金属氢化物储氢瓶的放氢速度一直维持在略大于燃料电池所需氢气量的水平；另一部分连接金属氢化物储氢瓶外层空间放热段出口和吸热段入口，管体为铜制，并配有水泵，通过调节水泵功率来调节管内液体流动速度，通过铜优秀的导热性能和水泵的调节共同保证管内工质处于可为燃料电池电堆提供充分冷却的温度；放热段位于金属氢化物储氢瓶外层空间，金属氢化物储氢瓶外层空间构造可保证水流速从下至上逐渐增加，下部所需热量多，因而换热面积大且水温高于上部，上部换热面积小于下部，但流速大于下部，对流换热加强，此构造可保证储氢瓶内层空间所需热量得到充分供应，吸热段、运输段和放热段三段共同完成了系统内所需的散热和供热，保证了系统的安全和余热的高效利用。
[0018]3. 控制系统分别与燃料电池电源线、监控燃料电池电堆温度的温度传感器、监控
输氢管道压力的压力传感器、蓄电池、运输段的加热器和水泵、燃料电池电堆中的散热器以及负载输出连接。
[0019]燃料电池可以通过电源线为控制系统供电，省去了控制系统长时间运行时所需的外接电源，同时控制系统连接负载，可将输出电压和电流调节至最适合负载的数值。
[0020]燃料电池中温度传感器实时监控电堆温度并反馈给控制系统，当电堆温度过高时，控制系统可通过:（1）增大电堆中的散热器功率来增强电堆散热，（2）增大水泵功率使水循环系统管体中液体的流速增加来增强电堆散热，使电堆温度保持在发电效率最高点。
[0021]压力传感器通过实时监控输氢管道压力并反馈给控制系统，当压力异常时，控制系统可通过：（1）调节金属氢化物储氢瓶瓶口阀开度来调节输氢管道压力，（2）调节水泵功率改变水循环系统管体中液体的流速来调节输氢管道压力。
[0022]蓄电池负责在系统启动初期为控制系统供电来监控系统启动时参数，避免启动初期可能存在的安全隐患。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强化换热的氢燃料电池系统，其特征在于，金属氢化物储氢瓶与三通阀连接，三通阀分别与压力传感器及稳压阀连接，稳压阀的另一端与进气电磁阀连接，进气电磁阀的另一端与氢气进口连接，压力传感器的另一端与控制系统连接，燃料电池之间分别连接温度传感器及散热器，燃料电池分别与控制系统、出口电磁阀连接，控制系统与水泵、燃料电池、蓄电池及负载连接，燃料电池的空气进口与空气过滤器连接，水循环系统分别与金属氢化物储氢瓶、水泵及燃料电池连接，金属氢化物储氢瓶与燃料电池之间连接有加热器。2.根据权利要求1所述的一种强化换热的氢燃料电池系统，其特征在于，燃料电池有空气出口。3.一种氢燃料电池强化换热方法, 其特征在于，含有以下步骤:吸热步骤、运输步骤、放热步骤及控制步骤，吸热步骤：将铜制吸热管放置于燃料电池极板间凹槽内，长度与极板凹槽相当，铜制管体管内高速流动的换热工质为燃料电池电堆提供冷却，运输步骤含有以下步骤:步骤1：连接吸热段出口和金属氢化物储氢瓶外层空间放热段入口，管体材料采用塑料，同时外层覆盖保温材料，在入口管体外设有加热器，加热器与控制系统相连，步骤2：连接金属氢化物储氢瓶外层空间放热段出口和吸热段入口，管体为铜制，配有水泵，通过调节水泵功率来调节管内液体流动速度，为燃料电池电堆提供充分冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：程永攀，王金新，李仕钰，王霄，张海，
申请(专利权)人：北京永氢储能科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：