CN203326038U - 一种燃料电池电源 - Google Patents

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张洪霞
邓海波
韩福江
张宝春
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Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池电源，包括外箱仓体以及设置在所述外箱仓体内的电堆、储氧瓶、储氢瓶、减压阀和散热装置，所述储氧瓶和所述储氢瓶分别经过所述减压阀与所述电堆相连；所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应产生电能；所述散热装置与所述电堆相连，用于对所述电堆发生的反应进行散热。本实用新型能够降低燃料电池电源对环境的通风性、含氧量、洁净度、温度等的要求，扩大燃料电池电源的应用环境和推广领域。

Description

一种燃料电池电源
技术领域
本实用新型涉及清洁能源领域，特别是指一种燃料电池电源。
背景技术
在现有技术中，燃料电池电源是一种通过电化学反应将化学能直接转化为直流电能的装置。燃料电池电源能够稳定的发电需要有充足的燃料、氧化剂的供应，其中，燃料电池电源需要的氧化剂一般取自空气中的氧气。因此，燃料电池的应用对环境的通风性、含氧量、洁净度、温度等有很高的要求，限制了燃料电池电源的应用环境和推广领域。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种燃料电池电源，能够降低燃料电池电源对环境的通风性、含氧量、洁净度、温度等的要求，扩大燃料电池电源的应用环境和推广领域。
基于上述目的本实用新型提供的燃料电池电源，包括：
外箱仓体以及设置在所述外箱仓体内的电堆、储氧瓶、储氢瓶、减压阀和散热装置，所述储氧瓶和所述储氢瓶分别经过所述减压阀与所述电堆相连；
所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应产生电能；所述散热装置与所述电堆相连，用于对所述电堆发生的反应进行散热。
可选地，所述的电堆一端设置有氢气入口、氧气入口，以及所述电堆的另一端设置有氢气出口、氧气出口；所述储氧瓶和所述储氢瓶分别经过所述减压阀与所述氧气入口、所述氢气入口相连。
进一步地，所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应，然后会产生水，并且产生的水通过所述的氢气出口、所述的氧气出口排出所述的燃料电池电堆。
进一步地，所述氢气出口、所述氧气出口上分别设置有电磁阀，能够分别打开或关闭所述氢气出口、所述氧气出口。
进一步地，所述散热装置包括水泵、水箱和水管；所述的电堆在设置的氧气入口、氢气入口的同端还安装有冷却水入口，以及在设置的氢气出口、氧气出口的同端还安装有冷却水出口；
其中，所述水泵一端通过水管与所述冷却水入口相连，所述水泵另一端通过水管与所述水箱相连；所述水箱的另一端通过水管与所述冷却水出口相连。
进一步地，所述水管紧贴所述外箱仓体的内壁。
可选地，所述燃料电池电源使用相变材料并且将相变材料均匀涂覆在所述外箱仓体的整个内壁，或者将填充相变材料的铝管尽量均匀布满所述外箱仓体的整个内壁。
进一步地，所述相变材料采用软脂酸。
进一步地，所述储氧瓶和所述储氢瓶采用碳纤维复合材料的高压气瓶。
从上面所述可以看出，本实用新型提供的一种燃料电池电源，通过所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应产生电能。从而，实现了所述燃料电池电源自供反应气体产生电能，并且更为实用。
附图说明
图1为本实用新型实施例一种燃料电池电源的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
参阅图1所示，为本实用新型实施例一种燃料电池电源的结构示意图，燃料电池电源包括外箱仓体5以及设置在外箱仓体5内的电堆1、储氧瓶2、储氢瓶3和减压阀7。其中，所述电堆1一端设置有氢气入口8、氧气入口9，另一端设置有氢气出口10、氧气出口11。储氧瓶2和储氢瓶3分别经过减压阀7与电堆1的氧气入口9、氢气入口8相连，另外多余的氢气和氧气可以分别通过电堆1的氢气出口10、氧气出口11排出所述的燃料电池电源。在本实用新型的实施例中，储氢瓶3中的燃料气体氢气与储氧瓶2中的氧化剂气体氧气经减压阀7减压后运送到电堆1中发生反应，产生电能、热能和水。其中，电堆1产生的电能可以给所述燃料电池电源的外负载进行供电。电堆1产生的水可以通过氢气出口10、氧气出口11排出所述的燃料电池电堆。较佳地，电堆1的氢气出口10、氧气出口11上分别设置有电磁阀14，可以打开或关闭氢气出口10和氧气出口11，从而可以控制排出氢气、氧气以及水。
其中，所述的储氧瓶2和储氢瓶3采用高压气瓶，高压气瓶提供电堆发电所需的燃料和氧化剂，储氧瓶2和储氢瓶3的容量根据外负载供电需求设计。其中，所述高压气瓶一般选择质量较轻的碳纤维复合材料气瓶，气瓶的充气压力高达25～30MPa。
另外，电堆1的电压、电流、体积功率密度等主要参数的设计，需根据外负载的要求。其中，所述燃料电池单电池的工作电压约0.65V，多节电池串联组成电堆1，根据负载电压要求得到串联的节数。所述燃料电池电源工作的电流密度1A/cm2～1.2A/cm2，根据负载电流需求可得到电堆1单节电池的面积。电堆1的体积功率密度主要针对电堆极板材质的选择，石墨极板因阻气性能差、板基较厚，导致电堆体积功率密度低；而金属极板因阻气性能优异、板基较薄，因而金属双极板电堆体积功率密度高。
在本实用新型的一个实施例中，燃料电池电源包括散热装置，所述散热装置与电堆1相连，能够将电堆1反应产生的热能散去。较佳地，所述的散热装置设计为包括水泵6、水箱4和水管，其中的水箱用于承装冷却剂即水，应根据电堆的散热需求及水的比热容计算水箱的容积。所述电堆1在设置的氧气入口9、氢气入口8的同端还安装有冷却水入口12，以及在设置的氢气出口10、氧气出口11的同端还安装有冷却水出口13。所述水泵6一端通过水管与电堆1的冷却水入口12相连，水泵6的另一端通过水管与水箱4相连，所述水箱4的另一端通过水管与电堆1的冷却水出口13相连。本实用新型所述的散热装置利用冷却水进行散热，而且可以将冷却水回收、循环利用。其中，水泵6应选取适合扬程、体积尽量小的循环水泵。优选地，水管应紧贴外箱仓体5的内壁、并尽可能延长水管的长度，以提高散热效率。
在本实用新型的另一个实施例中，为提高散热能力，使用相变材料并且将相变材料均匀涂覆在外箱仓体5的整个内壁，或者将填充相变材料的铝管尽量均匀布满外箱仓体5的整个内壁。其中，铝材管散热性能较好、且质量较轻。相变材料的相变温度和相变焓对本实用新型至关重要，相变温度点应低于电堆1的工作温度（约80℃），表1列出了部分可选用的相变材料的相变温度和相变焓，应根据具体选用的相变材料的相变焓及所述燃料电池电源的发热量设计相变材料的用量。
表1相变材料
Figure BDA00003317023100041
在本实用新型的一个具体实施例中，当所述燃料电池电源要求输出2.5kW，按照发电效率90%计算，应设计电堆1的净输出功率大于2.75kW。还有，假设所述燃料电池电源发电时长20min，电堆1发电2.75kW，20min消耗氢气、氧气分别约700L、350L，分别选用4L、2L的氢、氧碳纤维复合材料储气瓶，储气压力均为20MPa，即可满足供气需求。
另外，假设输出2.5KW的所述燃料电池电源设计为绝热结构，生成热全部由自身结构及冷却介质吸收。如果采用软脂酸相变材料吸热，用纯水作为散热介质，电堆1的发热功率按1.2kW计算，设计最小体积和重量的所述燃料电池电源：
电堆1工作20min释放热量：1200×1200＝1440kJ。
电堆1最高工作温度80℃，假设环境温度约50℃、冷却水量2L，温差按20℃计算，水的比热容4200J/Kg·℃，则水吸收热量为：
4.2×20×2=168kJ
相变材料软脂酸用量为：
1440 - 168 203.4 = 3.25 kg
由此可以看出，本实用新型提出的一种燃料电池电源，创造性的设计出了储氢瓶中的燃料气体氢气与储氧瓶中的氧化剂气体氧气经减压阀减压后运送到电堆中发生反应产生电能，实现了所述燃料电池电源自供反应气体；电堆中发生反应产生的热能可以通过自身设置的散热装置去除；并且，电堆中发生反应产生的水可以通过设置在电堆一端的氢气出口和氧气出口排出；与此同时，本发明所述的燃料电池电源引入相变材料，利用材料相变过程的高相变焓，吸收部分电堆的生成热，进一步减小了电池对环境通风性的要求，降低了对外界环境温度的依赖性，甚至可应用于50℃更高的环境空间；最后，整个所述的燃料电池电源结构简单、方便，易于使用。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池电源，其特征在于，所述燃料电池电源包括外箱仓体以及设置在所述外箱仓体内的电堆、储氧瓶、储氢瓶、减压阀和散热装置，所述储氧瓶和所述储氢瓶分别经过所述减压阀与所述电堆相连；
所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应产生电能；所述散热装置与所述电堆相连，用于对所述电堆发生的反应进行散热。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述的电堆一端设置有氢气入口、氧气入口，以及所述电堆的另一端设置有氢气出口、氧气出口；所述储氧瓶和所述储氢瓶分别经过所述减压阀与所述氧气入口、所述氢气入口相连。
3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述储氢瓶中的燃料气体氢气与所述储氧瓶中的氧化剂气体氧气经所述减压阀减压后运送到所述电堆中发生反应，然后会产生水，并且产生的水通过所述的氢气出口、所述的氧气出口排出所述的燃料电池电堆。
4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，所述氢气出口、所述氧气出口上分别设置有电磁阀，能够分别打开或关闭所述氢气出口、所述氧气出口。
5.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述散热装置包括水泵、水箱和水管；所述的电堆在设置的氧气入口、氢气入口的同端还安装有冷却水入口，以及在设置的氢气出口、氧气出口的同端还安装有冷却水出口；
其中，所述水泵一端通过水管与所述冷却水入口相连，所述水泵另一端通过水管与所述水箱相连；所述水箱的另一端通过水管与所述冷却水出口相连。
6.根据权利要求5所述的电源，其特征在于，所述水管紧贴所述外箱仓体的内壁。
7.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述燃料电池电源使用相变材料并且将相变材料均匀涂覆在所述外箱仓体的整个内壁，或者将填充相变材料的铝管尽量均匀布满所述外箱仓体的整个内壁。
8.根据权利要求7所述的电源，其特征在于，所述相变材料采用软脂酸。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的电源，其特征在于，所述储氧瓶和所述储氢瓶采用碳纤维复合材料的高压气瓶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105047968A (zh) * 2015-08-26 2015-11-11 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种燃料电池应急发电车的辅助储能装置
CN115472875A (zh) * 2022-09-27 2022-12-13 中国船舶科学研究中心 一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法

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