CN116093367A - 用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统，属于氢燃料电池领域。所述环路式热管系统的冷凝器、液体管路、储液器、蒸发器及蒸气管路共同形成环路；工作时，蒸发器在燃料电池电堆中吸收余热，将回流液体蒸发为气体，并通过与蒸发器下端相连的蒸气管路进入冷凝器，冷凝器中的蒸气在储氢罐内部与固态储氢材料完成热交换，储氢材料释放出氢气，蒸气冷凝为回流液体，再通过液体管路回流至储液器，并进入蒸发器中，完成一次环路循环；氢燃料电池系统还包括固态金属氢化物供氢子系统、燃料电池子系统及控制子系统。本发明提高了系统的能源利用效率，减小了燃料电池系统的体积，使系统不受位置和空间限制，适用于工业化生产。

Description

用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统
技术领域
本发明属于氢燃料电池领域，具体涉及一种用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统。
背景技术
固态储氢由于其体积储氢容量高、储氢所需空间小、无需高压及隔热容器、无爆炸危险、安全性好等优势，被广泛应用于移动氢源，尤其应用于氢燃料电池领域。其中，质子交换膜燃料电池作为不涉及氢氧燃烧，直接从氢气和氧气中产生电力的装置，发电单元模块化，能量转化效率高，清洁无污染，组装和维修方便，是一种清洁、高效的绿色环保电源。
但是，目前的质子交换膜燃料电池在工作过程中会产生相当数量的余热，除少部分热量可用于维持正常运行温度外，大部分热量需通过冷却系统主动排除，造成了能源的浪费。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明实施例旨在提供一种用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统，结合金属氢化物放氢时需要吸热和燃料电池电堆运行过程中需要导出废热，设置环路式热管，将燃料电池电堆运行过程中的废热用于固态储氢罐中金属氢化物放氢，提高电池系统的能源利用效率，使燃料电池电堆在合适温度运行，同时提高储氢罐放气效率，节省能源。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于电池储氢罐的环路式热管系统，所述系统包括：冷凝器3、液体管路11、储液器15、蒸发器17及蒸气管路12；其中，
所述冷凝器3设置于所述电池储氢罐的内部，一端通过蒸气管路12连通于蒸发器17的下部端口，并从所述电池储氢罐的下端密封伸入，所述冷凝器3与罐内氢气充分接触后再折返，另一端从储氢罐的下端再密封伸出，并通过液体管路11连通于储液器15的上部端口；所述储液器15设置于燃料电池电堆的上部、对应阴极极板和阳极极板间空间的上侧；所述蒸发器17设置于燃料电池电堆的阴极极板和阳极极板之间；
冷凝器3、液体管路11、储液器15、蒸发器17、蒸气管路12共同形成环路；工作时，设置于阴极极板和阳极极板之间的蒸发器17，在燃料电池电堆中吸收余热，将回流液体蒸发为气体，并通过与蒸发器17下端相连的蒸气管路12进入冷凝器3，冷凝器3中的蒸气在储氢罐内部与固态储氢材料完成热交换，储氢材料释放出氢气，蒸气冷凝为回流液体，再通过液体管路11回流至储液器15，并进入蒸发器17中，完成一次环路循环。
作为本发明的一个优选实施例，所述液体管路11中的液体及储液器15中的液体为相变工质，吸收热量后发生从液相到气相的相变，放出热量后发生从气相到液相的相变。
作为本发明的一个优选实施例，所述相变工质包括水、丙醇和/或酒精。
作为本发明的一个优选实施例，所述环路式热管系统的内部工作压力为0.001Mpa～0.1Mpa。
作为本发明的一个优选实施例，所述蒸发器17包括蒸发器外壳171、液体干道管172、毛细芯173和蒸气引导槽174；其中，
所述液体干道管172连通于所述储液器15的下部端口，用于作为蒸发界面为所述毛细芯173供给液体，同时阻隔毛细芯173外侧产生的蒸气进入储液器15；液体干道管172使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯173进行供液，避免轴向供液阻力过大使毛细芯173产生轴向温差；
所述毛细芯173用于提供环路中的循环动力，从液体干道管172中引入液态工质，并利用燃料电池电堆19的热量将液态工质蒸发为气体；
所述蒸气引导槽174用于将生成的气体引入蒸气管路12。
作为本发明的一个优选实施例，所述毛细芯由35-115μm球状铜粉烧结体构成。
作为本发明的一个优选实施例，所述蒸发器17和冷凝器3的管壳材料为铜。
第二方面，本发明实施例还提供了一种氢燃料电池系统，所述系统包括如上所述的环路式热管系统，还包括固态金属氢化物供氢子系统、燃料电池子系统及控制子系统24；其中，
所述固态金属氢化物供氢子系统用于为所述燃料电池子系统提供氢气；
所述燃料电池子系统用于为负载供电；
所述环路式热管系统用于将所述燃料电池子系统中电堆产生的余热带出传入固态金属氢化物供氢子系统，为所述固态金属氢化物供氢子系统供热；
所述控制子系统24用于为其他子系统提供控制命令。
作为本发明的一个优选实施例，所述固态金属氢化物供氢子系统包括固态储氢罐1、加热片2、第一温度传感器4、开口阀5、压力传感器6、稳压阀7和进气电磁阀8；其中，所述加热片2设置于所述固态储氢罐1中部外侧，用于对所述固态储氢罐1进行补充加热；所述第一温度传感器4设置于所述固态储氢罐1内部上侧；所述开口阀5设置于所述固态储氢罐1上部开口处；所述压力传感器6、稳压阀7和进气电磁阀8依次设置于开口阀5与燃料电池子系统的氢气进口之间的供氢管道上。
作为本发明的一个优选实施例，所述燃料电池子系统包括氢气进口9、空气进口10、燃料电池电堆19、氧风扇20、第二温度传感器21、氢气出口22和空气出口23；其中，
所述燃料电池电堆19具有外壳，外壳内依次包括还原腔195、氧化腔194、阴极极板191、阳极极板192、质子交换膜193；氢气进口9、空气进口10、氢气出口22和空气出口23分别相应设置于燃料电池电堆19的外壳上；氧风扇20和第二温度传感器21设置于外壳内部；所述燃料电池电堆19通过氢氧反应产生电能，供给负载和控制子系统24；氢氧反应的剩余反应气体和反应产生的水经过空气出口23排出。
本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统，提高了系统整体的能源利用效率，减小了燃料电池系统的体积，使系统不受位置和空间限制，便携方便，适用于工业化生产；使用回路闭合的环路式热管，将蒸发段插入燃料电池内部，冷凝段插入固态储氢罐内部，增强了燃料电池电堆散热，有利于燃料电池内部温度均匀，同时在固态储氢罐内部放热时利用余热，有效提高储氢罐放氢能力，提高能源利用效率；另外，环路式热管不受方位和距离限制，避免传统热管的携带现象，且安装灵活方便，便于安装操作。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所述氢燃料电池系统结构示意图；
图2为本发明实施例中燃料电池电堆结构示意图；
图3为本发明实施例中蒸发器及储液器结构示意图。
附图标记说明：
1、固态储氢罐；2、加热片；3、冷凝器；4、第一温度传感器；5、开口阀；6、压力传感器；7、稳压阀；8、进气电磁阀；9、氢气进口；10、空气进口；11、液体管路；12、蒸气管路；13、液态工质；14、回流液体；15、储液器；17、蒸发器；171、蒸发器外壳；172、液体干道管；173、毛细芯；174、蒸气引导槽；18、蒸气；19、燃料电池电堆；191、阴极极板；192、阳极极板；193、质子交换膜；194、氧化腔；195、还原腔；20、氧风扇；21、第二温度传感器；22、氢气出口；23、空气出口；24、控制子系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明实施例提供了一种氢燃料电池系统，所述系统包括：固态金属氢化物供氢子系统、燃料电池子系统、环路式热管系统及控制子系统24；其中，
所述固态金属氢化物供氢子系统用于为所述燃料电池子系统提供氢气；
所述燃料电池子系统用于为负载供电；
所述环路式热管系统用于将所述燃料电池子系统中电堆产生的余热带出传入固态金属氢化物供氢子系统，为所述固态金属氢化物供氢子系统供热；
所述控制子系统24用于为其他子系统提供控制命令。
如图1所示，所述固态金属氢化物供氢子系统包括固态储氢罐1、加热片2、第一温度传感器4、开口阀5、压力传感器6、稳压阀7和进气电磁阀8；其中，所述加热片2设置于所述固态储氢罐1中部外侧，用于对所述固态储氢罐1进行补充加热；所述第一温度传感器4设置于所述固态储氢罐1内部上侧；所述开口阀5设置于所述固态储氢罐1上部开口处；所述压力传感器6、稳压阀7和进气电磁阀8依次设置于开口阀5与燃料电池子系统的氢气进口9之间的供氢管道上。
优选地，所述固态储氢罐1内部装有金属氢化物，用于产生氢气。
所述燃料电池子系统包括氢气进口9、空气进口10、燃料电池电堆19、氧风扇20、第二温度传感器21、氢气出口22和空气出口23。如图2所示，所述燃料电池电堆19具有外壳，外壳内依次包括还原腔195、氧化腔194、阴极极板191、阳极极板192、质子交换膜193；氢气进口9、空气进口10、氢气出口22和空气出口23分别相应设置于燃料电池电堆19的外壳上；氧风扇20和第二温度传感器21设置于燃料电池电堆19外壳内部。所述燃料电池电堆19通过氢氧反应产生电能，供给负载和控制子系统24；氢氧反应的剩余反应气体和反应产生的水经过空气出口排出。
优选地，所述氢气进口9、空气进口10和氢气出口22、空气出口23分别设于燃料电池电堆19正对的两个侧面，所述燃料电池电堆19上装有第二温度传感器21和氧风扇20，燃料电池电堆19双极板连接处中间有凹槽，其形状为圆柱形，凹槽长度与双极板长度相当。
如图1和图3所示，所述环路式热管系统包括冷凝器3、液体管路11（回流液体14）、储液器15、蒸发器17（液态工质13）、蒸气管路12（蒸气或气态工质18）；所述冷凝器3设置于所述固态储氢罐1的内部，一端通过蒸气管路12连通于蒸发器17的下部端口，并从所述固态储氢罐1的下端密封伸入，所述冷凝器3与罐内氢气充分接触后再折返，另一端从固态储氢罐1的下端再密封伸出，并通过液体管路11连通于储液器15的上部端口；所述储液器15设置于燃料电池电堆19的上部、对应阴极极板191和阳极极板192间空间的上侧；所述蒸发器17设置于阴极极板191和阳极极板192之间的凹槽内，包括蒸发器外壳171、液体干道管172、毛细芯173和蒸气引导槽174；其中，所述液体干道管172包括外壳外的部分和外壳内的部分，外壳外的部分与储液器15连通，截面与外壳相同，并与外壳内的部分连通，液体干道管172内部容纳有液态工质13；所述液体干道管172处于外壳外的部分用于阻止毛细芯173生成的蒸气返回储液器15中；液体干道管172处于外壳内的部分的外侧，设置有毛细芯173，所述液体干道管172为所述毛细芯173供液；所述毛细芯173的外侧是蒸发器外壳171，毛细芯173下端设置有蒸气引导槽174，蒸气引导槽174的下端在蒸发器17的外壳开孔处与蒸气管路12连通。蒸发器17的上部通过液体干道管172连通于储液器15，下端通过蒸气引导槽174连通于蒸气管路12；所述冷凝器3从固态储氢罐1的下端密封伸入固态储氢罐1的内部，与罐内氢气充分接触后再折返从固态储氢罐1的下端密封伸出固态储氢罐1的外部；冷凝器3、液体管路11、储液器15、具有毛细结构16的蒸发器17、、蒸气管路12共同形成环路。
所述毛细芯173提供环路中的循环动力，从液体干道管172中引入液态工质，液体干道管172作为蒸发界面供给液体，同时阻隔毛细芯173外侧产生的蒸气进入储液器15；液体干道管172使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯173进行供液，避免轴向供液阻力过大使毛细芯173产生轴向温差。优选地，所述毛细芯172由35-115μm球状铜粉烧结体构成。
优选地，所述液体管路11中的液态工质13及储液器15中的回流液体为相变工质，吸收热量后发生从液相到气相的相变，放出热量后发生从气相到液相的相变。在蒸发器17内部发生相变，由液体变为气体，通过毛细芯173扩散至蒸气引导槽174内部，带走燃料电池电堆19的产生的多余热量，生成的蒸气18进入蒸气管路12输入冷凝器3中，为氢气释放提供能源；所述冷凝器3形状为螺旋管形，分布于固态储氢罐1的内部空间内至第一温度传感器1的下侧。所述相变工质包括水、丙醇和/或酒精。
优选地，所述环路式热管系统的内部工作压力为0.001Mpa～0.1Mpa。
优选地，所述蒸发器17和冷凝器3管壳材料为铜。
环路式热管系统工作时，设置于阴极极板和阳极极板之间的蒸发器17，在燃料电池电堆19中吸收余热，将储液器15中的回流液体14蒸发为气体，通过毛细芯173扩散至蒸气引导槽174中，并通过与蒸发器17下端相连的蒸气管路12进入冷凝器3，冷凝器3中的蒸气18在固态储氢罐1内部与固态储氢材料完成热交换，储氢材料释放出氢气，蒸气18冷凝为回流液体14，再通过液体管路11回流至储液器15，并进入蒸发器17中，完成一次环路循环，将燃料电池电堆19的废热高效传递至固态储氢罐1，既增强燃料电池内部换热，避免燃料电池工作温度过高，又可在固态储氢罐1内部放氢时利用余热，实现废热高效利用；控制子系统24通过第一温度传感器4和第二温度传感器21监测固态储氢罐1和燃料电池电堆19的温度，必要时通过加热片2进行供热和散热；通过压力传感器6的监测，控制进气电磁阀8的开闭，避免发生安全事故。
优选地，所述控制子系统24包括系统监测控制装置和燃料电池控制装置，用于控制其余各子系统启动和安全运行。其中，所述燃料电池控制装置根据所述第二温度传感器21调节所述氧风扇21的转速，调节燃料电池电堆19的温度；所述系统监测控制装置监控各子系统运行异常情况，出现异常现象即刻发出警报并关闭所述进气电磁阀。所述异常现象包括：所述压力传感器测得氢气输送压力大于1.5Mpa或低于0.01Mpa；所述燃料电池电堆温度高于100℃；所述燃料电池电堆电压低于预设值。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的用于电池储氢罐的环路式热管传热系统及氢燃料电池系统，提高了系统整体的能源利用效率，减小了燃料电池系统的体积，使系统不受位置和空间限制，便携方便，适用于工业化生产；使用回路闭合的环路式热管，将蒸发段插入燃料电池内部，冷凝段插入固态储氢罐内部，增强了燃料电池电堆散热，有利于燃料电池内部温度均匀，同时在固态储氢罐内部放热时利用余热，有效提高储氢罐放氢能力，提高能源利用效率；另外，环路式热管不受方位和距离限制，避免传统热管的携带现象，且安装灵活方便，便于安装操作。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

Claims (10)

1.一种用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述系统包括：冷凝器、液体管路、储液器、蒸发器及蒸气管路；其中，
所述冷凝器设置于所述电池储氢罐的内部，一端通过蒸气管路连通于蒸发器的下部端口，并从所述电池储氢罐的下端密封伸入，所述冷凝器与罐内氢气充分接触后再折返，另一端从储氢罐的下端再密封伸出，并通过液体管路连通于储液器的上部端口；所述储液器设置于燃料电池电堆的上部、对应阴极极板和阳极极板间空间的上侧；所述蒸发器设置于燃料电池电堆的阴极极板和阳极极板之间；
冷凝器、液体管路、储液器、蒸发器、蒸气管路共同形成环路；工作时，设置于阴极极板和阳极极板之间的蒸发器，在燃料电池电堆中吸收余热，将回流液体蒸发为气体，并通过与蒸发器下端相连的蒸气管路进入冷凝器，冷凝器中的蒸气在储氢罐内部与储氢材料完成热交换，储氢材料释放出氢气，蒸气冷凝为回流液体，再通过液体管路回流至储液器，并进入蒸发器中，完成一次环路循环。
2.根据权利要求1所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述液体管路中的液体及储液器中的液体为相变工质，吸收热量后发生从液相到气相的相变，放出热量后发生从气相到液相的相变。
3.根据权利要求2所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述相变工质包括水、丙醇和/或酒精。
4.根据权利要求3所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述环路式热管系统的内部工作压力为0.001Mpa～0.1Mpa。
5.根据权利要求1至4任一项所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述蒸发器包括蒸发器外壳、液体干道管、毛细芯和蒸气引导槽；其中，
所述液体干道管连通于所述储液器的下部端口，用于作为蒸发界面为所述毛细芯供给液体，使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯进行供液，避免轴向供液阻力过大使毛细芯产生轴向温差，同时阻隔毛细芯外侧产生的蒸气进入储液器；
所述毛细芯用于提供环路中的循环动力，从液体干道管中引入液态工质，并利用燃料电池电堆的热量将液态工质蒸发为气体；
所述蒸气引导槽用于将生成的气体引入蒸气管路。
6.根据权利要求5所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述毛细芯由35-115μm球状铜粉烧结体构成。
7.根据权利要求1所述的用于电池储氢罐的环路式热管系统，其特征在于，所述蒸发器和冷凝器的管壳材料为铜。
8.一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1-7任一项所述的环路式热管系统，还包括固态金属氢化物供氢子系统、燃料电池子系统及控制子系统；其中，
所述固态金属氢化物供氢子系统用于为所述燃料电池子系统提供氢气；
所述燃料电池子系统用于为负载供电；
所述环路式热管系统用于将所述燃料电池子系统中电堆产生的余热带出传入固态金属氢化物供氢子系统，为所述固态金属氢化物供氢子系统供热；
所述控制子系统用于为其他子系统提供控制命令。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述固态金属氢化物供氢子系统包括固态储氢罐、加热片、第一温度传感器、开口阀、压力传感器、稳压阀和进气电磁阀；其中，所述加热片设置于所述固态储氢罐中部外侧，用于对所述固态储氢罐进行补充加热；所述第一温度传感器设置于所述固态储氢罐内部上侧；所述开口阀设置于所述固态储氢罐上部开口处；所述压力传感器、稳压阀和进气电磁阀依次设置于开口阀与燃料电池子系统的氢气进口之间的供氢管道上。
10.根据权利要求8所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池子系统包括氢气进口、空气进口、燃料电池电堆、氧风扇、第二温度传感器、氢气出口和空气出口；其中，
所述燃料电池电堆具有外壳，外壳内依次包括还原腔、氧化腔、阴极极板、阳极极板、质子交换膜；氢气进口、空气进口、氢气出口和空气出口分别相应设置于燃料电池电堆的外壳上；氧风扇和第二温度传感器设置于外壳内部；所述燃料电池电堆通过氢氧反应产生电能，供给负载和控制子系统；氢氧反应的剩余反应气体和反应产生的水经过空气出口排出。
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