CN117276582B - 一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，包括储水仓；用于储存水解氢化物制氢所需的水或水溶液；冷凝组件、集液仓和储气仓和过滤组件，其中；所述冷凝组件、集液仓、储气仓和过滤组件相互密封连接，共同构成氢气的处理管路通道，本发明将单一的供水装置转变为兼具有氢气的冷凝、干燥、除杂、热能回收、稳压等多功能的复合型功能模块，去除了繁杂的氢气后处理元件、接头和管路系统，尤其适用于水解氢化物制氢的便携式燃料电池设备，供水装置与制氢后处理功能模块装置的巧妙结合，有助于简化整机结构和管路系统、提高设备可靠性和安全性、提升整机热管理效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置。
背景技术
氢能作为新能源家族中的一员，具有清洁、无污染、热值高的优点，在全球控制和减少碳排放的大环境下，氢能越来越受到人们的重视和青睐，氢能利用中的最佳应用方法是燃料电池技术。燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，不需要像内燃机那样通过燃烧完成能量转化，没有卡诺循环限制，因此通常具有高达60％～80％的能量转化效率。
便携式燃料电池设备一般应用于野外或应急环境下为其它用电设备提供电能，因此要求其自身要具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性高、续航时间长等特点。目前，便携式燃料电池大多是采用质子交换膜(PEM)类型的燃料电池技术，它以氢气、氧气为燃料，通过在由双极板和PEM膜结构组成的单电池堆叠而成的电堆中完成能量转化并对外输出电能。设备需要的氧气燃料可以从空气中轻易的获得，然而目前还没有方便简捷的获取氢气的方法，因此制氢和供氢是设计和使用PEM燃料电池设备的重要技术难点之一。
综合目前电解水制氢、碳纳米管储氢、高压储氢、低温储氢、氢化物化学储氢等储氢技术来看，氢化物化学储氢以其高能量体积(重量)比、运输安全性、常温下化学稳定性等成为便携式燃料电池制氢和供氢采用的主要应用技术之一。氢化物化学制氢过程通常是将制备好的氢化物置于制氢反应罐内，通过向反应罐内注入水或促进反应的水溶液与氢化物发生水解反应后产生氢气，产生的氢气通过管路向燃料电池的电堆供氢。因此可见，供水装置是通过水解氢化物方式制氢的便携式燃料电池设备里不可缺少的组件之一。根据选用的氢化物品类的不同，制氢反应罐内正常工作温度在120℃～500℃之间，燃料电池电堆正常工作温度在50℃～80℃之间，供水装置中的水或水溶液一般以常温液态的形式储存。
供水装置中的水或水溶液注入反应罐内，需要以水蒸气的形态与罐内的氢化物进行反应，水或水溶液转化为水蒸气的形态需要吸收热量，同时罐内化学反应产生的氢气以高温气体方式带走热量，然而所产生的高温氢气并不能直接供应给电堆部件，需要经过降温、干燥、除杂后以合适温度和稳定的压力范围供应给电堆部件。氢气的降温过程会导致供氢管路压力波动较大，氢气中的水蒸气和杂质析出后会阻塞管路，进入电堆后会导致电堆出现水淹现象，其中的杂质甚至会损害PEM膜结构上的催化剂层，这些情况会致使电堆效率和寿命大大降低。目前，尽管现阶段随着人们在氢化物水解制氢技术方面不断的优化提升，在制氢和供氢上也会设置相应的处理装置来避免上述问题的发生；但是以单一模式来增加系统的功能单元，会大大增加系统的复杂性，降低系统可靠性，尤其对于便携式燃料电池设备，这些增加的功能单元在设计时往往会因受整机的体积和重量的限制而做妥协设计，往往并不能满足实际工作需求。
另外，单一功能的氢燃料电池供水装置和单一功能的氢气处理装置在实际应用中还存在很多的问题，比如在低温环境下分散独立的各个功能单元都需要加热保温，加大了系统的内功耗，而制氢罐内制备出的高温氢气所携带的热量却无法高效利用起来，这种矛盾现象不仅降低了设备的热管理效率也降低了设备的稳定性和可靠性。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决上述技术问题，本发明提出了一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，包括：
储水仓；用于储存水解氢化物制氢所需的水或水溶液；
冷凝组件、集液仓和储气仓和过滤组件，其中；
所述冷凝组件、集液仓、储气仓和过滤组件相互密封连接，共同构成氢气的处理管路通道；
所述冷凝组件、集液仓和储气仓设置于储水仓内部，其外表面与所述储水仓内的水或水溶液接触进行气、液间热量传递而又不互通，构成气、液相交而又不相通的设计布局。
其中，该装置将氢气的冷凝、干燥、除杂、热能回收、储气稳压多种氢气处理功能模块融入供水装置中，简化了整机结构和管路系统、提高设备可靠性和安全性、提升整机热管理效率。
优选的，所述储水仓上部设有加水口，加水口配置有水仓盖；
所述储水仓侧面与底面设有加热元件与保温层；
所述储水仓下部设有排水阀、供水口和温度传感器。
优选的，所述水仓盖内部设计有疏水透气功能的EPTEF防水透气膜或其它具有此功能的材料。
打开水仓盖可以通过加水口向储水仓内加制氢所需的水或水溶液，加水完毕关闭水仓盖可以防止外部环境中污、尘进入储水仓，同时在EPTEF防水透气膜的作用下外部环境内的空气可以自由进出储水仓，解决储水仓内因液面变化导致的内外压差问题；底面设有的温度传感器可以采集、监测储水仓内水或水溶液温度，在低温下开启加热元件加热储水仓内的水或水溶液；保温层为可拆卸式设计，常温或高温环境下褪下储水仓可以通过表面向外部散热，低温环境下套上对储水仓起到保温作用，保温层材料可以选用气凝胶保温棉、硅酸铝保温棉、聚乙烯保温棉，单种或多种保温材质混合；加热元件可以选用PTC加热片、PI聚酰亚胺加热膜、电阻丝等。
优选的，所述冷凝组件上部设有进气口，且固定在储气仓上部法兰面，下部与三通件固定连接；
所述冷凝组件包括多圈式螺旋型管路、进气口快接件，冷凝组件上部设有进气口，与进气口快接件连接，且固定在储气仓上部法兰面，冷凝组件主体为多圈式螺旋型管路，围绕储气仓布置多圈式螺旋型管路。
高温氢气由进气口A进入，在多圈式螺旋型主管路内与储水仓内水或水溶液产生热交换，热量由高温氢气通过管壁传递给储水仓内水溶液，高温氢气降温为常温状态，氢气中的水蒸气和杂质因降温而液化析出，又因在螺旋形管道内重力和气体压力的双重作用下，随氢气进入三通件，在三通件的分流作用下，氢气将进入储气仓，而液化析出的水或水溶液进入集液仓；氢气在这个过程中完成冷凝、水蒸气和杂质分离和热能回收，同时回收的热能又对储水仓内的水或水溶液进行了预加热。
优选的，所述集液仓上部设有通孔，与三通件下部连接，集液仓下部与储水仓底部固定连接，底部为可拆卸的密封盖板，密封盖板上设有排水阀，设备日常使用时只需通过排水阀排出集液仓内收集的由氢气中经液化而析出的水和杂质，定期检修时可以整体打开密封盖板，方便清理仓内空间。
优选的，所述储气仓下部与三通件连接，上部与储水仓上端面连接。
经冷凝组件除水、除杂的氢气在此储存，对整个供氢管路起到稳压、吸收制氢压力高低波动的作用。
优选的，所述过滤组件上部与储气仓上部连接，主体部分设置于储气仓内部，顶部设有出气口，底部为具有疏水透气功能的EPTEF防水透气膜，或其它具有此功能的材料；
过滤组件上盖上部设有出气口，其内部置有杂质过滤网和过滤材料，所述过滤组件下盖内设有金属烧结多孔片和具备疏水透气功能的EPTEF防水透气膜；
其中，过滤组件内部设有两种或两种以上除去氢气中杂质的杂质过滤网和过滤材料，杂质过滤网和过滤材料可以根据氢气制备方法的不同，而选择对应的杂质过滤网和过滤材料，过滤组件为模块化组件，可以方便的拆卸更换。
优选的，所述集液仓和储气仓外表面均与储水仓内的水或水溶液接触。
其内储存的氢气在此又可以通过储气仓外壁将热量传递给储水仓内的水或水溶液，进一步完成氢气所携热能的回收，最终趋向于与储水仓内的水或水溶液温度相等，由于水为高比热容液体，吸收氢气中所携热能其自身温度并不会大幅增加，氢气会维持在稳定的适宜温度内，由此构成了所储存氢气的压力和温度的双稳定作用。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，将单一的供水装置转变为兼具有氢气的冷凝、干燥、除杂、热能回收、稳压等多功能的复合型功能模块，去除了繁杂的氢气后处理元件、接头和管路系统，尤其适用于水解氢化物制氢的便携式燃料电池设备，供水装置与制氢后处理功能模块装置的巧妙结合，有助于简化整机结构和管路系统、提高设备可靠性和安全性、提升整机热管理效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的主视示意图；
图2是本发明中气体处理组件的主视示意图；
图3是本发明中过滤组件的主视示意图；
附图标记：1、储水仓；2、冷凝组件；3、过滤组件；4、储气仓；5、集液仓；6、温度传感器；7、加热元件；8、保温层；101、水仓盖；102、排水阀；103、供水口；201、进气口快接件；202、多圈式螺旋型管路；301、过滤组件上盖；302、杂质过滤网1；303、过滤材料；304、杂质过滤网2；305、过滤组件下盖；306、多孔片；307、防水透气膜；401、储气仓；402、三通件；403、法兰面；501密封盖板。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
结合图1至图3，本发明提供一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，不仅可以为制氢装置提供所需水或水溶液，又可以将制氢装置输出的高温氢气中的热能回收传递给储水仓1内的水或水溶液，实现储水仓1内的水或水溶液的预加热，并对氢气进行干燥、存储和过滤，该装置在简化便携式氢燃料电池设备中管路系统的同时，实现了系统内氢气的压力和温度双稳定的作用。
其中，便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置包括：储水仓1、冷凝组件2、过滤组件3、储气仓4、集液仓5、温度传感器6、加热元件7、保温层8、水仓盖101、排水阀102、供水口103、进气口快接件201、多圈式螺旋型管路202、过滤组件上盖301、杂质过滤网一302、过滤材料303、杂质过滤网二304、过滤组件下盖305、多孔片306、防水透气膜307、三通件402、法兰面403和密封盖板501。
其中，储水仓1上部设有加水口，与水仓盖101连接，水仓盖101内设有EPTEF防水透气膜；打开水仓盖101，可以通过加水口向储水仓1内添加制氢所需的水或水溶液，加水完毕关闭水仓盖101，可以防止外部环境中污、尘进入储水仓1，同时在EPTEF防水透气膜的作用下，外部环境的空气可以自由进出储水仓1，解决储水仓1内因液面变化导致的内外压差问题。
储水仓1下部设有排水阀102、供水口103，供水口两侧设有温度传感器6；储水仓1内部置有冷凝组件2、集液仓5和储气仓4；
如图1所示，集液仓5上部设有通孔，与三通件下部连接，集液仓5下部与储水仓1底部固定连接，底部为可拆卸密封盖板501。
排水阀102分别与储水仓1下部、密封盖板501上的通孔相连接。
其中，储水仓1下部的排水阀102是用来排出制氢完毕储水仓1内多余的水或者水溶液，密封盖板501上的排水阀102是用来排出集液仓5内收集的由氢气中经冷凝而析出的水和杂质；
若要定期检修时，可以打开密封盖板501，方便清理附着在积液仓5内壁上的各种杂质。供水口103为制氢反应罐内提供水源，供水口103两侧设有温度传感器6，用来采集、监测储水仓1内水或水溶液温度。
储水仓1外部设加热元件7，加热元件7外部设有可拆卸式保温层8；储水仓1在常温或高温环境下工作时，关闭加热元件7，褪下保温层8，储水仓1可以通过表面向外部散热；
低温环境下工作时，开启加热元件7实时加热，并安装上保温层8，起到对储水仓1内的水或者水溶液加热保温的作用。
所述冷凝组件2包括多圈式螺旋型管路202、进气口快接件201，冷凝组件2上部设有进气口，与进气口快接件201连接，且固定在储气仓4上部法兰面403，下部与三通件402固定连接；
冷凝组件2主体为多圈式螺旋型管路202，围绕储气仓4中心线布置，高温氢气由进气口A进入，在多圈式螺旋型主管路202内与储水仓1内水或水溶液产生热交换，热量由高温氢气通过管壁传递给储水仓1内水溶液，高温氢气降温为常温状态，氢气中的水蒸气和杂质因降温液化而析出，又因在多圈式螺旋型管路202内重力和气体压力的双重作用下，随氢气进入三通件402，在三通件402的分流作用下，氢气将进入储气仓4，而液化析出的水或水溶液进入集液仓5；氢气在这个过程中完成冷凝、水蒸气和杂质分离和热能回收，同时回收的热能又对储水仓1内的水或水溶液进行了预加热。
氢气在这个过程中完成冷凝、水蒸气和杂质分离和热能回收，同时回收的热能又对储水仓1内的水或水溶液进行了预加热；所述过滤组件3主体部分设置于储气仓4内部，是对氢气中的水蒸气和杂质进一步干燥、过滤。
过滤组件3包括滤组件上盖301与过滤组件下盖305，过滤组件上盖301与储气仓4上部连接；过滤组件上盖301上部设有出气口，内部置有杂质过滤网一302；过滤材料303；杂质过滤网二304；过滤组件下盖305内设有金属烧结多孔片306，疏水透气功能的EPTEF防水透气膜307。过滤网和过滤材料可以根据氢气制备方法的不同而选择对应的过滤网和过滤材料，过滤组件为模块化组件，可以方便的拆卸更换。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，其特征在于，包括：
储水仓；用于储存水解氢化物制氢所需的水或水溶液；
冷凝组件、集液仓和储气仓和过滤组件，其中；
所述冷凝组件、集液仓、储气仓和过滤组件相互密封连接，共同构成氢气的处理管路通道；
所述冷凝组件、集液仓和储气仓设置于储水仓内部，其外表面与所述储水仓内的水或水溶液接触进行气、液间热量传递而又不互通，构成气、液相交而又不相通的设计布局；
所述冷凝组件上部设有进气口，且固定在储气仓上部法兰面，下部与三通件固定连接；
所述冷凝组件包括多圈式螺旋型管路、进气口快接件，冷凝组件上部设有进气口，与进气口快接件连接，且固定在储气仓上部法兰面，冷凝组件主体为多圈式螺旋型管路，围绕储气仓布置多圈式螺旋型管路；
所述集液仓上部设有通孔，与三通件下部连接，集液仓下部与储水仓底部固定连接，底部为可拆卸的密封盖板，密封盖板上设有排水阀；
所述储气仓下部与三通件固定连接，上部与储水仓上端面连接；
所述过滤组件上部与储气仓上部连接，主体部分设置于储气仓内部，顶部设有出气口，底部为具有疏水透气功能的EPTEF防水透气膜；
过滤组件上盖上部设有出气口，其内部置有杂质过滤网和过滤材料，所述过滤组件下盖内设有金属烧结多孔片和具备疏水透气功能的EPTEF防水透气膜。
2.根据权利要求1所述的一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，其特征在于，所述储水仓上部设有加水口，加水口配置有水仓盖；
所述储水仓侧面与底面设有加热元件与保温层；
所述储水仓下部设有排水阀、供水口和温度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，其特征在于，所述水仓盖内部设计有疏水透气功能的EPTEF防水透气膜或其它具有此功能的材料。
4.根据权利要求3所述的一种便携式氢燃料电池设备中的多功能供水装置，其特征在于，所述集液仓和储气仓外表面均与储水仓内的水或水溶液接触。
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