CN113745567A - 一种基于相变储能的燃料电池电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相变储能的燃料电池电源系统，包括燃料电池、循环组件、冷却组件及储能组件，燃料电池具有进氢口、排气口、冷却液入口及冷却液出口；循环组件包括第一换热管、气液分离器及气循环泵，第一换热管的一端与排气口相连通，气液分离器的进气端与第一换热管的另一端相连通，气循环泵的进气端与气液分离器的出气端，气循环泵的出气端与进氢口相连通；冷却组件包括储液罐、液循环泵及第二换热管，储液罐具的进液口与冷却液出口相连通，液循环泵的进液端与出液口相连通，第二换热管与液循环泵的出液端、冷却液入口相连通；储能组件包括储能罐，储能罐与第一换热管和第二换热管均热连接。本发明能有效利用燃料电池生成的废热。

Description

一种基于相变储能的燃料电池电源系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于相变储能的燃料电池电源系统。
背景技术
燃料电池是一种高效、节能和环保的发电装置，是将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、振动噪声低、零排放环境友好等优点。因此，相比一般便携式UPS备用电源而言(如柴/汽油机，蓄电池)，燃料电池在便携电源领域具有广阔市场应用前景。
公告号为CN108172864A的中国专利公开了一种基于相变材料的燃料电池余热储热装置，包括燃料电池，燃料电池包括燃料电池冷却液进出口，燃料电池冷却液出口连接包覆着相变材料的冷却液储罐，所述冷却液储罐包括高温冷却液进口、补给水箱进口和冷却液出口，所述储罐补给水箱进口连接有补给水箱和水泵。
上述装置只回收了燃料电池冷却系统的热能，未利用燃料电池排气的热能，导致排气热能浪费，没有充分利用能源。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于相变储能的燃料电池电源系统，解决现有技术中燃料电池未利用排气的热量的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于相变储能的燃料电池电源系统，包括：
燃料电池，具有进氢口、排气口、冷却液入口及冷却液出口；
循环组件，包括第一换热管、气液分离器及气循环泵，所述第一换热管的一端与所述排气口相连通，所述气液分离器的进气端与所述第一换热管的另一端相连通，所述气循环泵的进气端与所述气液分离器的出气端，所述气循环泵的出气端与所述进氢口相连通；
冷却组件，包括储液罐、液循环泵及第二换热管，所述储液罐具有进液口和出液口，所述进液口与所述冷却液出口相连通，所述液循环泵的进液端与所述出液口相连通，所述第二换热管的一端与所述液循环泵的出液端、另一端与所述冷却液入口相连通；
储能组件，包括储能罐，所述储能罐与所述第一换热管和所述第二换热管均热连接，用于与所述第一换热管和所述第二换热管进行换热。
进一步的，所述冷却组件还包括液体过滤器，所述液体过滤器的进液端与所述第二换热管的另一端相连通、出液端与所述冷却液入口相连通，用于对所述第二换热管流入所述冷却液入口的液体进行过滤。
进一步的，所述冷却组件还包括电磁阀，所述电磁阀的进液端与所述液体过滤器的出液端相连通，所述电磁阀的出液端与所述储液罐的进液口相连通。
进一步的，所述燃料电池还具有进氧口，所述基于相变储能的燃料电池电源系统还包括空气供应组件，所述空气供应组件包括沿空气流动路径依次连通的空气过滤器、空压机、中冷器及增湿器，所述增湿器的出气端与所述燃料电池的进氧口相连通。
进一步的，所述空气过滤器内具有第一散热流道，所述第一散热流道的进液端与所述储能罐相连通，所述空压机内具有第二散热流道，所述第二散热流道的进液端与所述第一散热流道的出液端相连通，所述空气供应组件还包括输送泵，所述输送泵的进液端与所述第二散热流道的出液端相连通，所述输送泵的出液端与所述储能罐相连通。
进一步的，还包括供氢组件，所述供氢组件包括依次连通的储氢罐、紧急切断阀、氢气过滤器、减压阀及止回阀，所述止回阀的出气端与所述燃料电池的进氢口相连通。
进一步的，所述储能罐内储存有液态的相变材料，所述储能组件还包括加热器，所述加热器可用于对储能罐内的相变材料加热。
进一步的，所述储能组件还包括连通泵及液体散热器，所述连通泵的进液端与所述储能罐相连通，所述液体散热器具有进液端和出液端，所述液体散热器的进液端与所述连通泵的出液端相连通，所述液体散热器的出液端与所述储能罐相连通，用于对流过所述液体散热器的液体进行散热。
进一步的，所述冷却组件还包括排液阀和补液阀，所述排液阀设置于所述储液罐的底部且其进液端与所述储液罐相连通，所述补液阀的出液端与所述储液罐相连通。
进一步的，所述供氢组件还包括泄压阀，所述泄压阀设置于所述减压阀与所述止回阀之间并与所述减压阀的出气端相连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：燃料电池中生成的气体经排气口进入循环组件，燃料电池排出的高温尾气中含有氢气和水蒸气，高温尾气经过第一换热管时，高温尾气中的热量被储能罐吸收并储存热能，同时尾气因热量被吸收而降温，降温的过程中使得尾气中的水蒸气液化，尾气在气液分离器的作用下去除尾气中的水分，降低了尾气中水蒸气含量，处理后的尾气经过气循环泵进入返回燃料电池的进氢端，在燃料电池内与氧气进行电化学反应，能循环利用尾气中的氢气。
启动液循环泵，储液罐内的低温冷却液经过液循环泵依次通过第二换热管、液体过滤器后进入燃料电池，并对燃料电池进行循环降温，冷却液经过第二换热管时，与储能罐发生热交换，冷却液的热量被储能罐吸收后冷却，冷却后的冷却液进入燃料电池进行降温。
当燃料电池需要低温启动时，启动液循环泵，液循环泵将储液罐内储存的冷却液循环的流过液循环泵、第二换热管、液体过滤器，并返回储液罐，冷却液通过第二换热管时，冷却液吸收储能罐的热量，能对储液罐内的冷却液进行升温，当温度达到燃料电池正常运行所需要的温度时，使得燃料电池满足冷启动的要求。
通过采用相变储能技术，能够将燃料电池电源系统工作过程中燃料电池产生的余热、尾气中的废热吸收并存储热能，在低温工况时释放热能为燃料电池电源系统长期存储和启动供热，提高能源的利用效率；
附图说明
图1是本发明所述的基于相变储能的燃料电池电源系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于相变储能的燃料电池电源系统，包括燃料电池1、循环组件2、冷却组件3、储能组件4，燃料电池1具有进氢口、进氧口、排气口、冷却液入口及冷却液出口；循环组件2与进氢口和进氧口均相连通，用于分离燃料电池1尾气中的氢气，并将分离后的氢气通入燃料电池1的进氢口；循环组件2与冷却液入口及冷却液出口相连通，用于为燃料电池提供循环的冷却液；储能组件4与循环组件2和冷却组件3均热连接，用于与循环组件2和冷却组件3进行换热。
在其中的一个实施例中，循环组件2包括第一换热管21、气液分离器22及气循环泵23，第一换热管21的一端与排气口相连通，气液分离器22的进气端与第一换热管21的另一端相连通，气循环泵23的进气端与气液分离器22的出气端，气循环泵23的出气端与进氢口相连通。燃料电池1中生成的气体经排气口进入循环组件2，燃料电池1排出的高温尾气中含有氢气和水蒸气，高温尾气经过第一换热管21时，高温尾气中的热量被储能罐中的相变材料吸收并储存热能，同时尾气因热量被吸收而降温，降温的过程中使得尾气中的水蒸气液化，尾气在气液分离器22的作用下去除尾气中的水分，降低了尾气中水蒸气含量，处理后的尾气经过气循环泵23进入返回燃料电池1的进氢端，在燃料电池1内与氧气进行电化学反应，能循环利用尾气中的氢气。
其中，第一换热管21为盘管，通过盘管增加与储能罐41中相变材料的接触面积，使得盘管与相变材料充分换热。
在其中的一个实施例中，冷却组件3包括储液罐31、液循环泵32及第二换热管33，储液罐31具有进液口和出液口，进液口与冷却液出口相连通，液循环泵32的进液端与出液口相连通，第二换热管33的一端与液循环泵32的出液端、另一端与冷却液入口相连通。通过设置冷却组件3，通过循环的冷却液能对燃料电池1进行散热并将热量传递给相变材料，并通过储能罐对冷却液进行加热，可以对燃料电池1进行升温，使得燃料电池1达到预设的温度启动。
其中，第二换热管33为盘管，通过盘管增加与储能罐41中相变材料的接触面积，使得盘管与相变材料充分换热。
优选的，冷却组件3还包括排液阀34和补液阀35，排液阀34设置于储液罐31的底部且其进液端与储液罐31相连通，补液阀35的出液端与储液罐31相连通。通过设置排液阀34可以排出储液罐31内多余的液体，通过设置补液阀35，可以想储液罐31内注入冷却液。
优选的，冷却组件3还包括液体过滤器36，液体过滤器36的进液端与第二换热管33的另一端相连通、出液端与冷却液入口相连通，用于对第二换热管33流入冷却液入口的液体进行过滤。通过设置液体过滤器36，可以对循环的冷却液进行过滤。
优选的，冷却组件3还包括电磁阀37，电磁阀37的进液端与液体过滤器36的出液端相连通，电磁阀37的出液端与储液罐31的进液口相连通。通过设置电磁阀37，当燃料电池1需要低温启动时，开启电磁阀37，启动液循环泵32，液循环泵32将储液罐31内储存的冷却液循环的流过液循环泵32、第二换热管33、液体过滤器36、电磁阀37，并经电磁阀37返回储液罐31，冷却液通过第二换热管33时，冷却液吸收储能罐内相变材料的热量，能对储液罐31内的冷却液进行升温，当温度达到燃料电池1正常运行所需要的温度时，关闭电磁阀37。
在其中的一个实施例中，储能组件4包括储能罐41，储能罐41与第一换热管21和第二换热管33均热连接，用于与第一换热管21和第二换热管33进行换热。
优选的，储能罐41内储存有液态的相变材料，储能组件4还包括加热器42，加热器42可用于对储能罐41内的相变材料加热。
其中，相变材料可以为水、导热油等；加热器42可以为电热丝等。
优选的，储能组件4还包括连通泵43及液体散热器44，连通泵43的进液端与储能罐41相连通，液体散热器44具有进液端和出液端，液体散热器44的进液端与连通泵43的出液端相连通，液体散热器44的出液端与储能罐41相连通，用于对流过液体散热器44的液体进行散热。通过设置连通泵43和液体散热器44，启动连通泵43后，能驱动相变材料循环的通过液体散热器44，在液体散热器44的作用下对相变材料进行降温。
在其中的一个实施例中，基于相变储能技术的燃料电池1电源系统还包括空气供应组件5，空气供应组件5包括沿空气流动路径依次连通的空气过滤器51、空压机52、中冷器53及增湿器54，增湿器54的出气端与燃料电池1的进氧口相连通。通过设置空气过滤器51、空压机52、中冷器53及增湿器54可以依次对空气进行过滤、增压、冷却、加湿，使得空气以一定温度、湿度、压力进入燃料电池1。
优选的，空气过滤器51内具有第一散热流道，第一散热流道的进液端与储能罐41相连通，空压机52内具有第二散热流道，第二散热流道的进液端与第一散热流道的出液端相连通，空气供应组件5还包括输送泵55，输送泵55的进液端与第二散热流道的出液端相连通，输送泵55的出液端与储能罐41相连通。
在其中的一个实施例中，基于相变储能的燃料电池电源系统还包括供氢组件6，供氢组件6包括依次连通的储氢罐61、紧急切断阀62、氢气过滤器63、减压阀64及止回阀65，止回阀65的出气端与燃料电池1的进氢口相连通。
优选的，供氢组件6还包括泄压阀66，泄压阀66设置于减压阀64与止回阀65之间并与减压阀的出气端相连通。
在其中的一个实施例中，基于相变储能的燃料电池电源系统还包括氢气浓度探测器7、火焰探测器8及温度探测器9，氢气浓度探测器7、火焰探测器8及温度探测器9分别用于监测电源舱室的氢气浓度、火焰和温度，可以根据氢气浓度探测器7、火焰探测器8及温度探测器9反馈的信号来控制紧急切断阀62和连通泵43，能够在异常情况时及时报警并切断氢源和提高舱室温度，提高燃料电池电源系统的安全性。
本发明的具体工作流程：储氢罐61中的高压氢气依次经过紧急切断阀62、氢气过滤器63、减压阀64进行过滤、减压并形成低压氢气，低压氢气随后经过止回阀65并经止回阀65进入燃料电池1的进氢口。
空气依次经过空气过滤器51、空压机52、中冷器53及增湿器54进行过滤、增压、降温和加湿形成压力适中的空气，空气进入燃料电池1的进氧口。氢气和空气在燃料电池1电堆中进行电化学反应输出电能，输出电能经过控制与能量管理装置为燃料电池1电源系统内部用电部件和外部用电设备供电，若电能富裕，则为储能蓄电池充电，保证蓄电池的电能储存充足。
燃料电池1中生成的气体经排气口进入循环组件2，燃料电池1排出的高温尾气中含有氢气和水蒸气，高温尾气经过第一换热管21时，高温尾气中的热量被储能罐41中的相变材料吸收并储存热能，同时尾气因热量被吸收而降温，降温的过程中使得尾气中的水蒸气液化，尾气在气液分离器22的作用下去除尾气中的水分，降低了尾气中水蒸气含量，处理后的尾气经过气循环泵23进入返回燃料电池1的进氢端，在燃料电池1内与氧气进行电化学反应，能循环利用尾气中的氢气。
空气进入燃料电池1的进氧口时，空压机52和中冷器53工作并产生热量，启动输送泵55，输送泵55将空压机52和中冷器53的散热流道内的被吸热的相变材料送入储能罐41，储能罐41内的相变材料流入空压机52和中冷器53内的散热流道，能对空压机52和中冷器53进行降温并收集空压机52和中冷器53工作时产生的热量。
启动液循环泵32，储液罐31内的低温冷却液经过液循环泵32依次通过第二换热管33、液体过滤器36后进入燃料电池1，并对燃料电池1进行循环降温，冷却液经过第二换热管33时，与储能罐41内的相变材料发生热交换，冷却液的热量被储能罐41内的相变材料吸收后冷却，冷却后的冷却液进入燃料电池1进行循环降温。
当储能罐41内吸收的热量大于储能罐41的储热容量时，启动连通泵43，连通泵43将储能罐41内的相变材料泵入液体散热器44，通过液体散热器44对高温的相变材料进行散热，避免相变材料的温度过高。
储能罐41储能的过程中，启动连通泵43，连通泵43将将储能罐41内的相变材料泵入液体散热器44，使得热量从相变材料向外散发，通过散发出的热量对船室内的气体进行加热。
当燃料电池1需要低温启动时，开启电磁阀37，启动液循环泵32，液循环泵32将储液罐31内储存的冷却液循环的流过液循环泵32、第二换热管33、液体过滤器36、电磁阀37，并经电磁阀37返回储液罐31，冷却液通过第二换热管33时，冷却液吸收储能罐41内相变材料的热量，能对储液罐31内的冷却液进行升温，当温度达到燃料电池1正常运行所需要的温度时，关闭电磁阀37，若储能罐41储存的热量不能满足燃料电池1低温启动所需能量，启动加热器42，通过加热器42对相变材料进行辅助加热，使得燃料电池1满足冷启动的要求。
1)通过采用相变储能技术，能够将燃料电池电源系统工作过程中燃料电池1产生的余热、空气供应组件5和冷却组件3产生的废热吸收并存储热能，在低温工况时释放热能为燃料电池电源系统长期存储和启动供热，提高能源的利用效率。
2)燃料电池电源系统工作过程中，循环组件2中过量氢气以高温尾气形式循环经过第一换热管21，因热量被吸收而降温，能够降低气液分离后循环氢气中水蒸气含量，提高气循环泵23的效率和寿命。
3)通过监测电源舱室的氢气浓度、火焰和温度，控制氢气供应模块的紧急切断阀和相变储热供热装置的循环泵，能够在异常情况时及时报警并切断氢源和提高舱室温度，提高燃料电池电源系统的安全性。
4)燃料电池电源系统低温存储和启动供热方式集成废热、余热储存和加热器42两种，能够解决燃料电池电源系统长期低温存储和启动时储存热能不足的问题，提高其在严峻工况下使用的可靠性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，包括：
燃料电池，具有进氢口、排气口、冷却液入口及冷却液出口；
循环组件，包括第一换热管、气液分离器及气循环泵，所述第一换热管的一端与所述排气口相连通，所述气液分离器的进气端与所述第一换热管的另一端相连通，所述气循环泵的进气端与所述气液分离器的出气端，所述气循环泵的出气端与所述进氢口相连通；
冷却组件，包括储液罐、液循环泵及第二换热管，所述储液罐具有进液口和出液口，所述进液口与所述冷却液出口相连通，所述液循环泵的进液端与所述出液口相连通，所述第二换热管的一端与所述液循环泵的出液端、另一端与所述冷却液入口相连通；
储能组件，包括储能罐，所述储能罐与所述第一换热管和所述第二换热管均热连接，用于与所述第一换热管和所述第二换热管进行换热。
2.根据权利要求1所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述冷却组件还包括液体过滤器，所述液体过滤器的进液端与所述第二换热管的另一端相连通、出液端与所述冷却液入口相连通，用于对所述第二换热管流入所述冷却液入口的液体进行过滤。
3.根据权利要求2所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述冷却组件还包括电磁阀，所述电磁阀的进液端与所述液体过滤器的出液端相连通，所述电磁阀的出液端与所述储液罐的进液口相连通。
4.根据权利要求1所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述燃料电池还具有进氧口，所述基于相变储能的燃料电池电源系统还包括空气供应组件，所述空气供应组件包括沿空气流动路径依次连通的空气过滤器、空压机、中冷器及增湿器，所述增湿器的出气端与所述燃料电池的进氧口相连通。
5.根据权利要求4所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述空气过滤器内具有第一散热流道，所述第一散热流道的进液端与所述储能罐相连通，所述空压机内具有第二散热流道，所述第二散热流道的进液端与所述第一散热流道的出液端相连通，所述空气供应组件还包括输送泵，所述输送泵的进液端与所述第二散热流道的出液端相连通，所述输送泵的出液端与所述储能罐相连通。
6.根据权利要求1所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，还包括供氢组件，所述供氢组件包括依次连通的储氢罐、紧急切断阀、氢气过滤器、减压阀及止回阀，所述止回阀的出气端与所述燃料电池的进氢口相连通。
7.根据权利要求1所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述储能罐内储存有液态的相变材料，所述储能组件还包括加热器，所述加热器可用于对储能罐内的相变材料加热。
8.根据权利要求7所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述储能组件还包括连通泵及液体散热器，所述连通泵的进液端与所述储能罐相连通，所述液体散热器具有进液端和出液端，所述液体散热器的进液端与所述连通泵的出液端相连通，所述液体散热器的出液端与所述储能罐相连通，用于对流过所述液体散热器的液体进行散热。
9.根据权利要求1所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述冷却组件还包括排液阀和补液阀，所述排液阀设置于所述储液罐的底部且其进液端与所述储液罐相连通，所述补液阀的出液端与所述储液罐相连通。
10.根据权利要求6所述的基于相变储能的燃料电池电源系统，其特征在于，所述供氢组件还包括泄压阀，所述泄压阀设置于所述减压阀与所述止回阀之间并与所述减压阀的出气端相连通。
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