CN114284536A - 一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源，本发明将燃料电池、储氢合金相互接触集成设置在壳体内，为了减小体积并实现气液分离，储氢合金内嵌有与燃料电池尾排出口相连的气液分离管路，由于储氢合金吸热会使燃料电池尾排出的水蒸气液化集存到排水管路中从而被排出，而燃料电池尾排出的空气则会通过内嵌在储氢合金中的换热管路排出，利用风机为燃料电池提供空气并且为壳体内的热交换循环提供动力，尾排空气中的热量以及燃料电池本体的热量会被储氢合金吸收用于释放氢气并起到冷却燃料电池的作用，而储氢合金释放的氢气则用于燃料电池的发电，实现了将燃料电池与储氢合金集成化为便携电源的目的。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源。
背景技术
目前市场上便携电源主要分为电池、柴油发电机、太阳能便携电源等。电池作为储能的便携电源受限于电池的能量密度，便携与续航相互冲突，想要实现长时间续航就必须要增加电池数量，所以作为便携电源有一定的局限性，同时基于电池储能的便携电源，当内部电池电量耗尽难以快速补充电能，也是此种便携电源的一个较大问题。柴油发电机作为传统方式的便携电源，目前在市场上应用最为广泛，依靠柴油为燃料将化石能源转换为电能，不受续航的约束，但其使用柴油燃料不符合当下双碳目标下的环境趋势，终将不能作为未来电源的主流。太阳能便携电源将光能转换为电能，没有任何碳排放洁净环保，但受限于太阳能电板的发电特性，功率与电板面积成正比，所以也不能体现便携性，同时太阳能电板移动电源还受限于天气，阴天、夜间等期间无法使用，也使得其有一定的局限性。
燃料电池能够利用氢气和空气反应发电生成水，比较环保，但是燃料电池只是发电装置，需要与储氢装置配合使用，例如，中国专利文献CN105244519A(CN201510763446.4)公开了一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统。该专利将金属氢化物储氢罐设置在与排风管道连通的热交换腔室内，当燃料电池工作时，金属氢化物储氢罐利用从燃料电池排出的热空气加热储氢合金粉末进行放氢，保证储氢合金粉末处于有效放氢温度区，从而令其有效放氢量达到最高。引入到热交换腔室中并且被储氢合金粉末冷却的空气与新鲜空气混合后，循环提供给燃料电池，还可以提高燃料电池的冷却性能。虽然上述系统有效的将燃料电池与金属氢化物储氢系统联合在一起实现了作为电源系统的目的，但是为了防止储氢合金粉末不会与水及其他物质接触而导致AB系储氢合金因与水及其他物质接触反应毒化而失去储氢能力，上述系统储氢装置采用金属氢化物储氢罐，为了实现热交换，将储氢罐设置在热交换腔室内，并在储氢罐外侧设置散热叶片，导致整个电源系统体积较大，无法实现便携的目的。
发明内容
本发明专利提供了一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源，本发明将燃料电池和储氢合金通过集成设计，实现了电源的基本功能，并且实现了小体积大功率长续航、清洁能源发电、能源利用率高、不受限于天气等环境因素、使用氢能安全可靠并且便于充装的目的。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源，包括壳体、燃料电池、储氢合金、气液分离管路、换热管路、排水管路和风机，所述燃料电池与储氢合金密封设置在壳体内，所述燃料电池与储氢合金触接，所述燃料电池空气进口通过风机与壳体外侧相通，所述储氢合金氢气出口与所述燃料电池氢气入口相连；
所述储氢合金内嵌设置有气液分离管路和换热管路，所述燃料电池尾排口与气液分离管路进口相连，所述气液分离管路气体出口与换热管路相连，所述气液分离管路出水口与排水管路相连。将燃料电池和储氢合金密封设置在壳体内，充分保证燃料电池与储氢合金的热交换，储氢合金与燃料电池相接触，能够吸收燃料电池本体的热量用于释放氢气以提供给燃料电池用于发电，同时能够起到冷却燃料电池的目的；利用风机向壳体内泵入空气为燃料电池提高氧气，另外由于燃料电池本体的热量除了被储氢合金吸收，还有很大一部分会传到壳体内的空气里，通过风机泵入新的空气会带走壳体内的热量而进一步对燃料电池冷却，并且还能够为尾排空气在气液分离管路和换热管路中的热交换提供动力，提高了热交换效率；通过在储氢合金中设置气液分离管路，利用储氢合金吸热使燃料电池尾排的水蒸气冷凝成液态，并将水通过排水管路排出，实现气液分离的目的，避免水蒸气冷却后倒流回燃料电池内部影响燃料电池的性能，而分离出的尾排气体则通过换热管路排出，燃料电池尾排物的热量则会被储氢合金吸收利用，用于释放氢气供燃料电池发电使用，整个结构实现了电源的持续供电的基本功能并且能够保证燃料电池的正常运行，由于集成化设计，电源整体体积更小，实现了便携的目的。
本发明的技术方案还有：所述储氢合金设置有安置槽，所述燃料电池设置在安置槽内，所述风机用于将外界空气抽入安置槽内并送入燃料电池空气进口。通过将燃料电池设置在储氢合金上的安置槽内，实现了燃料电池与储氢合金高度的集成化，进一步减小了电源体积，风机作为安置槽唯一的进口而燃料电池空气进口作为安置槽唯一的出口，通过风机送入空气实现安置槽内气体的循环，实现对燃料电池的冷却。
本发明的技术方案还有：还包括换热翅片，所述换热翅片设置在安置槽内，所述换热翅片用于吸收燃料电池工作产生的热量。将燃料电池设置在储氢合金上的安置槽内虽然有效减小了电源的体积，但是不利用燃料电池的冷却，储氢合金和壳体内的空气吸热能力有限，通过在安置槽内设置换热翅片，换热翅片能够增大与燃料电池周围气体的换热面积，吸收存储燃料电池工作产生的热量，风机送入新的空气时，通过与换热翅片交换热量后再通过燃料电池空气进口排出安置槽，对换热翅片进行了冷却，由于换热翅片与气体的换热面积较大，能够实现对燃料电池更快的冷却。
本发明的技术方案还有：所述气液分离管路倾斜向下设置，所述换热管路螺旋向上设置，所述排水管路设置在气液分离管路和换热管路的连接处。将气液分离管倾斜向下设置并将排水管路设置在气液分离管路和换热管路的连接处，用于防止冷却液化的水倒流回燃料电池而影响燃料电池的性能，并且有助于将气液分离管中冷却液化的水集存到排水管路中；而将换热管路螺旋向上设置，增长了换热管路的换热行程的同时减小了占用空间，能够充分吸收利用尾排气体中的热量，另外如果气液分离管气液分离不完全，还有助于将换热管路中冷却液化的水集存到排水管路中。
本发明的技术方案还有：还包括导热层，所述导热层位于燃料电池和储氢合金之间。通过在燃料电池与储氢合金之间设置导热层，能够快速的吸收燃料电池本体的热量并传递给储氢合金，提高燃料电池的冷却效率。
本发明的技术方案还有：还包括集成阀，所述集成阀包括止回阀、第一截止阀和减压阀，所述储氢合金氢气出口与所述燃料电池氢气入口之间按照供气方向依次设置有止回阀、第一截止阀和减压阀。金属储氢设计在常温下放氢压力为1MPa，燃料电池阳极工作压力为50kPa，为了缩小电源体积，将止回阀、第一截止阀和减压阀集成设计在一起，形成模块化设计，在实现止回、减压、电磁选择、电磁通断等功能的同时减少了阀门的占用空间；止回阀能够避免空气进入储氢合金导致储氢合金降低活性；第一截止阀能够实现储氢合金对燃料电池氢气供应通断的功能；减压阀能够实现燃料电池氢气入口氢气压力稳定在50kPa。
本发明的技术方案还有：还包括加氢管路，所述加氢管路能够向储氢合金以及燃料电池提供氢气。通过加氢管路能够为储氢合金进行补充氢气，或通过加氢管路连接其他储氢装置以保证燃料电池的连续工作。
本发明的技术方案还有：所述集成阀还包括三通阀，所述三通阀三个接口分别与加氢管路、储氢合金氢气出口、止回阀入口相连。
本发明的技术方案还有：所述集成阀还包括第二截止阀，所述第二截止阀设置在燃料电池氢气出口处。第二截止阀接通燃料电池阳极尾排即燃料电池氢气出口，通过脉冲排放实现燃料电池尾排死端模式能够提高氢气利用率，即将阳极出口关闭，充分利用阳极氢气，但是氢气出口关闭会带来杂质的堆积，需要间歇性的打开氢气出口排出杂质。
本发明的技术方案还有：还包括排水阀，所述排水阀设置在排水管路上。通过设置排水阀用于定期对排水管道中的水进行排放。
本发明的有益效果：本发明将燃料电池、储氢合金相互接触集成设置在壳体内，为了减小体积并实现气液分离，储氢合金内嵌有与燃料电池尾排出口相连的气液分离管路，由于储氢合金吸热会使燃料电池尾排出的水蒸气液化集存到排水管路中从而被排出，而燃料电池尾排出的空气则会通过内嵌在储氢合金中的换热管路排出，利用风机为燃料电池提供空气并且为壳体内的热交换循环提供动力，尾排空气中的热量会被储氢合金吸收用于释放氢气，并且燃料电池本体的热量也会被储氢合金吸收用于释放氢气并起到冷却燃料电池的作用，而储氢合金释放的氢气则用于燃料电池的发电，实现了将燃料电池与储氢合金集成化为便携电源的目的。
本发明的主要构思：储氢合金包括AB2(TiMn2)，AB(TiFe)，AB5(LaNi5)，A2B(Mg2Ni)和BCC相(Ti-V基)合金，其中以AB2系和AB系储氢合金适用于常温环境，且储氢合金存储氢气所需的充氢压力低，储氢量大，能够在常温下达到吸氢最大值，在紧急停电的时候放出氢气用于燃料电池的发电从而提供电力，实现电源的功能。
为了同时实现储氢合金吸热放氢和减小电源体积的目的，在储氢合金中内嵌设置与燃料电池尾排出口相连的换热管路，利用燃料电池尾排出的热量对储氢合金进行加热，并将储氢合金和燃料电池相互接触设置，储氢合金吸收燃料电池产热用于释放氢气的同时对燃料电池也进行了冷却，集成化程度更高；
为了实现燃料电池尾排的气液分离，通过将气液分离管路内嵌设置在储氢合金中，利用储氢合金吸热使水蒸气冷凝成液体实现气液的快速分离，为了进一步保证气液分离的效果，将换热管路自上往下设置，并在换热管路与燃料电池尾排出口之间设置同样内嵌在储氢合金中倾斜向下设置的气液分离管路，由于储氢合金吸收了水蒸气中的热量从而使其液化，并在重力的作用下使液态水集中在气液分离管路下方，再通过排水管路将水排出即可，有效实现了气液分离并避免液态水倒流回燃料电池内部；
另外由于金属储氢设计在常温下放氢压力为1MPa，燃料电池阳极工作压力为50kPa，为了缩小电源体积，将止回阀、第一截止阀和减压阀集成设计在一起，形成模块化设计，在实现止回、减压、电磁选择、电磁通断等功能的同时减少了阀门的占用空间，阀体集成设计还有助于缩短气体管路和减少辅助管道的使用，从而提高电源内部气体的循环效率，减小气体泄漏的风险。
附图说明
图1为本发明实施例1所述基于固态储氢与燃料电池的便携电源的结构示意图；
图2为本发明所述基于固态储氢与燃料电池的便携电源的俯视图；
图3为本发明所述基于固态储氢与燃料电池的便携电源的连接关系示意图；
图4为本发明实施例2所述基于固态储氢与燃料电池的便携电源的结构示意图；
图中，1燃料电池、2储氢合金、21安置槽；
3气液分离管路、4换热管路、5排水管路、6风机、7换热翅片、8导热层、9止回阀、10第一截止阀、11减压阀、12加氢管路、13三通阀、14第二截止阀、15排水阀、16空气过滤器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图3所示，一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源，包括壳体、燃料电池1、储氢合金2、气液分离管路3、换热管路4、排水管路5和风机6，所述燃料电池1与储氢合金2密封设置在壳体内，所述燃料电池1与储氢合金2触接，所述燃料电池1空气进口通过风机6与壳体外侧相通，所述风机6为离心风机，所述风机6与燃料电池1电连接，所述储氢合金2氢气出口与所述燃料电池1氢气入口相连，所述风机6进口处设置有空气过滤器16，所述空气过滤器16用于对空气进行过滤。
所述储氢合金2内嵌设置有气液分离管路3和换热管路4，所述燃料电池1尾排口与气液分离管路3进口相连，所述气液分离管路3气体出口与换热管路4相连，所述气液分离管路3出水口与排水管路5相连。
所述储氢合金2设置有安置槽21，所述燃料电池1设置在安置槽21内，所述风机6用于将外界空气抽入安置槽21内并送入燃料电池1空气进口。
所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源还包括换热翅片7，所述换热翅片7设置在安置槽21内，所述换热翅片7用于吸收燃料电池1工作产生的热量。
所述气液分离管路3倾斜向下设置，所述换热管路4螺旋向上设置，所述排水管路5即气液分离管路3的出水口设置在气液分离管路3和换热管路4的连接处，还可以在气液分离管路3出水口设置储水装置，用于储存冷却分离出的水。
所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源还包括导热层8，所述导热层8位于燃料电池1和储氢合金2之间，所述导热层8设置在燃料电池1与储氢合金2接触的表面上。
所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源还包括集成阀，所述集成阀包括止回阀9、第一截止阀10和减压阀11，所述储氢合金2氢气出口与所述燃料电池1氢气入口之间按照供气方向依次设置有止回阀9、第一截止阀10和减压阀11。
所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源还包括加氢管路12，所述加氢管路12能够向储氢合金2以及燃料电池1提供氢气。
所述集成阀还包括三通阀13，所述三通阀13三个接口分别与加氢管路12、储氢合金2氢气出口、止回阀9入口相连。
所述集成阀还包括第二截止阀14，所述第二截止阀14设置在燃料电池1氢气出口处。
所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源还包括排水阀15，所述排水阀15设置在排水管路5上，所述排水阀15为重力排水阀，当排水管路5内收集到的水达到设定重量时，排水阀15就会自动打开将水排出。
工作原理：由风机6向壳体内泵入大量空气，燃料电池1空气进口处的换热翅片7吸收燃料电池1产热，同时燃料电池1尾排出口汇集至储氢合金2内的管路中，内部管路中的气液分离管路3起到气液分离功能，而换热管路4起到排空管路的作用，通过此布置方案能够充分利用燃料电池1产热，提高氢气利用率，为燃料电池1提供稳定的氢气供应，保证电源持续输出电能的功能。
实施例2
如图4所示，与实施例1不同之处在于，所述气液分离管路3外形为开口向上的V形设计，所述排水管路5即气液分离管路3的出水口设置在气液分离管路3的V形拐角处，V形设计的气液分离管路3利用重力将液化的水聚集到排水管路5内，以实现气液分离。
Claims (10)
1.一种基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：包括壳体、燃料电池(1)、储氢合金(2)、气液分离管路(3)、换热管路(4)、排水管路(5)和风机(6)，所述燃料电池(1)与储氢合金(2)密封设置在壳体内，所述燃料电池(1)与储氢合金(2)触接，所述燃料电池(1)空气进口通过风机(6)与壳体外侧相通，所述储氢合金(2)氢气出口与所述燃料电池(1)氢气入口相连；
所述储氢合金(2)内嵌设置有气液分离管路(3)和换热管路(4)，所述燃料电池(1)尾排口与气液分离管路(3)进口相连，所述气液分离管路(3)气体出口与换热管路(4)相连，所述气液分离管路(3)出水口与排水管路(5)相连。
2.根据权利要求1所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：所述储氢合金(2)设置有安置槽(21)，所述燃料电池(1)设置在安置槽(21)内，所述风机(6)用于将外界空气抽入安置槽(21)内并送入燃料电池(1)空气进口。
3.根据权利要求2所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：还包括换热翅片(7)，所述换热翅片(7)设置在安置槽(21)内，所述换热翅片(7)用于吸收燃料电池(1)工作产生的热量。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：所述气液分离管路(3)倾斜向下设置，所述换热管路(4)螺旋向上设置，所述排水管路(5)设置在气液分离管路(3)和换热管路(4)的连接处。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：还包括导热层(8)，所述导热层(8)位于燃料电池(1)和储氢合金(2)之间。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：还包括集成阀，所述集成阀包括止回阀(9)、第一截止阀(10)和减压阀(11)，所述储氢合金(2)氢气出口与所述燃料电池(1)氢气入口之间按照供气方向依次设置有止回阀(9)、第一截止阀(10)和减压阀(11)。
7.根据权利要求6所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：还包括加氢管路(12)，所述加氢管路(12)能够向储氢合金(2)以及燃料电池(1)提供氢气。
8.根据权利要求7所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：所述集成阀还包括三通阀(13)，所述三通阀(13)三个接口分别与加氢管路(12)、储氢合金(2)氢气出口、止回阀(9)入口相连。
9.根据权利要求6所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：所述集成阀还包括第二截止阀(14)，所述第二截止阀(14)设置在燃料电池(1)氢气出口处。
10.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢与燃料电池的便携电源，其特征在于：还包括排水阀(15)，所述排水阀(15)设置在排水管路(5)上。
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