CN204991858U - 基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，包括太阳能电池板、CPC移动式太阳能集热器、水箱、高温电解水制氢装置以及储氢罐；其中，高温电解水制氢装置的顶部设置有进水口和出气口，CPC移动式太阳能集热器的侧壁上设置有冷水进口和热水出口；水箱的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器冷水进口，CPC移动式太阳能集热器热水出口连接至高温电解水制氢装置进水口，高温电解水制氢装置出气口连接至储氢罐入口；太阳能电池板的正负极分别连接至高温电解水制氢装置中的两个电极板上。本实用新型具有降低行驶成本、节能减排、绿色环保以及应用广泛等优点。

Description

基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统

技术领域：

本实用新型属于新能源综合利用技术领域，具体涉及一种基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统。

背景技术：

目前氢燃料电池车均未装有辅助供能系统；而当车辆在太阳辐照条件好的情况下，上表面会吸收大量的太阳能量，本项目将太阳能收集并进行热电联产高温电解水制氢，产生的氢气可直接充入储氢罐，同加氢站注入的氢气一道进行供能。作为氢燃料电池车的辅助供能系统，可平均节省至少10％的燃料。

中国城市中土地资源日趋紧张，区域内密集建设加氢站面临很大困难。采用该辅助供能系统后，可减少在加氢站加气频率、使单次加氢后汽车运行更长的时间，有效缓解加氢带来的不便，以降低汽车行驶成本。若没有该系统，汽车在光照条件下被辐射的太阳能将白白损失。而市场上能够在移动装置上进行电热氢联供生产的装置尚无。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，以解决现有市场上存在的氢燃料电池车单次行驶距离有限，行驶成本较高的问题，同时兼顾节能减排，综合利用能源等多种功能，为氢燃料电池车的进一步推广减少困难。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案予以实现：

基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，包括太阳能电池板、CPC移动式太阳能集热器、水箱、高温电解水制氢装置以及储氢罐；其中，

高温电解水制氢装置的顶部设置有进水口和出气口，CPC移动式太阳能集热器的侧壁上设置有冷水进口和热水出口；

水箱的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器冷水进口，CPC移动式太阳能集热器热水出口连接至高温电解水制氢装置进水口，高温电解水制氢装置出气口连接至储氢罐入口；太阳能电池板的正负极分别连接至高温电解水制氢装置中的两个电极板上。

本实用新型进一步的改进在于：CPC移动式太阳能集热器内包括有若干个CPC集热聚光管，该若干个CPC集热聚光管采用非对称相结合布置。

本实用新型进一步的改进在于：CPC移动式太阳能集热器的CPC集热聚光管呈直线同向布置。

本实用新型进一步的改进在于：CPC移动式太阳能集热器的热水出口的位置高于冷水进口的位置。

本实用新型进一步的改进在于：高温电解水制氢装置中设置有高温质子交换膜，且高温质子交换膜材料选用CsHSO₄材料。

本实用新型进一步的改进在于：水箱的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器冷水进口的管道上，CPC移动式太阳能集热器热水出口连接至高温电解水制氢装置进水口的管道上，以及高温电解水制氢装置出气口连接至储氢罐入口的管道上均设置有阀门。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1.集热器效率高

采用复合抛物面CPC移动式太阳能集热器

综合考虑，选择θ＝15°-30°r＝5mmR＝6mm

其中θ为CPC接受半角，r为真空集热管内径，R为真空集热管外径

当管内温度T₁＝298K，管外温度T₂＝473K时，真空管集热效率为

$\mathrm{\η}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{A_2{X}_{2,1}({\mathrm{\ϵ}}_1{{\mathrm{\σT}}_1}^4-{\mathrm{\ϵ}}_2{{\mathrm{\σT}}_2}^4)}{398.05\×2\mathrm{\π}\×R}=1-\frac{1.0612}{15.0061}\≈93\%$

其中Q₂为集热管散热，Q₁为入射太阳光能量，A₂为内管表面积，X_2,1为内管相对管角系数，ε₁＝0.16为选择性涂层在473K下的发射率，ε₂＝0.94为玻璃的发射率，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K^-4)为黑体辐射常数。

发现5.615kg(计算得到)>>286.56g(实际消耗)，只需要有效利用一小部分太阳能即可完成对光热转换的要求，但由于需要温度达到才可进行电解，升温速度不能太慢，因此考虑利用聚光集热装置。考虑到汽车在行进过程中方向角度不断变换，若使用平板型集热器可以在不同方向进行集热，但是无法进行聚光。

基于以上分析，考虑采取一定设计，使得集热器的不同部分在集热过程中交替发挥作用。虽然会降低利用效率，但可以保证在不同时刻都可以获取太阳能，并且不同部位交替工作也可使工况稳定，不会出现某处温度急剧升高的问题。

2、光电与光热综合利用

采用太阳能电池板为电解提供电能，太阳能集热器加热水以提高电解温度，以太阳能为能量来源，有效利用能源。同时电解水产生的氢气作为燃料电池燃料清洁环保。

3、不受环境条件限制

CPC移动式太阳能集热器采用了对称式与非对称式联合布局，使得聚光不受车辆行驶条件限制。太阳辐照条件不好的情况下可停止使用该系统。

4、应用前景广泛

除了现有的氢燃料电池车，还可用在公交车甚至轮船等更大面积的公共交通工具上。

附图说明：

图1为本实用新型基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统的结构示意图。

图中：1为太阳能电池板，2为CPC移动式太阳能集热器，3为水箱，4为高温电解水制氢装置，5为储氢罐，6为冷水进口，7为热水出口，8为进水口，9为出气口。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

参见图1，本实用新型基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，包括太阳能电池板1、CPC移动式太阳能集热器2、水箱3、高温电解水制氢装置4以及储氢罐5；高温电解水制氢装置4的顶部设置有进水口8和出气口9，CPC移动式太阳能集热器2的侧壁上设置有冷水进口6和热水出口7；水箱3的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器2冷水进口6，CPC移动式太阳能集热器2热水出口7连接至高温电解水制氢装置4进水口8，高温电解水制氢装置4出气口9连接至储氢罐5入口；太阳能电池板1的正负极分别连接至高温电解水制氢装置4中的两个电极板上。高温电解水制氢装置4在200℃下工作，电解效率达到95％。

其中，CPC移动式太阳能集热器2内包括有若干个CPC集热聚光管，该若干个CPC集热聚光管采用非对称相结合布置，且CPC移动式太阳能集热器2的CPC集热聚光管呈直线同向布置。CPC移动式太阳能集热器2的热水出水口7的位置高于冷却水进水口6的位置，可使水在无外加作用下形成循环流动，因此，CPC移动式太阳能集热器2的集热器利用水工质密度随温度变化的特性，水在自然对流的情况下出现温度分层，上层温度高于下层温度，不用泵的输运。

此外，CPC移动式太阳能集热器2的工作条件不受车辆运动的限制，太阳能电池板1与高温电解水制氢装置4之间有电路连接，太阳能电池板1发电直接供高温电解水制氢装置4的电解槽工作，CPC移动式太阳能集热器2与高温电解水制氢装置4、高温电解水制氢装置4与储氢罐5之间采用高温高压密封连接材料。高温电解水制氢装置4制得的氢气可直接注入储氢罐5中，供燃料电池使用。

为了对本实用新型进一步了解，现对其进一步详细说明。

本实用新型基于商用氢燃料电池车的移动式电热氢联供系统，整体为在车体的上表面设计太阳能光电与光热转化组件。太阳能电池板1为高温电解水制氢装置4提供电能，CPC移动式太阳能集热器2将太阳能聚焦并加热水至200℃的工作温度，并输送至高温电解水制氢装置4的电解槽中。在该温度下电解水的自由能变化量降低至-216.299KJ/mol，使电解制氢效率显著提高。由于电解制氢系统同时为高压封闭系统，因此电解水产生的高纯氢可直接充入储氢罐5中以补充燃料。

水箱3中的水流经CPC移动式太阳能集热器2，利用水工质密度随温度变化的特性，水在自然对流的情况下出现温度分层，上层温度高于下层温度。加热水至200℃的工作温度，进入高温电解水制氢装置4开始电解产氢。因为是高温工作条件，电解效率得到显著提升。日产氢量为13.6mol，占到每日燃料消耗的10％，可节省大量行驶成本。

图1中，1为太阳能光伏电池板，可直接购买或定制，成本低廉。

太阳能集热器2综合考虑系统对聚光比和接受半角的要求，采用非对称复合抛物面(CPC)与渐开线复合进行聚光，接受半角分别为15°、20°及30°，截断高度为70mm，渐开线基圆半径为6mm。采用真空集热管进行集热，其中内管半径为5mm，外管半径为6mm。为了能在尽可能长的时间内获取太阳能，将多个CPC按照不同角度摆放开，在不同时间内交替工作。经计算，在平均光照条件下，16分钟左右就可以将管内的水升温至200℃，因此在交替工作的情况下可以保证热水的供应.

普通电解槽内的质子交换膜最高能耐80℃温度，本系统中高温电解水制氢装置4内高温质子交换膜材料选用CsHSO₄材料。

整套系统在高温高压的工作条件下运行，因此各连接部分均采用高温高压密封连接装置。

Claims (6)

1.基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：包括太阳能电池板(1)、CPC移动式太阳能集热器(2)、水箱(3)、高温电解水制氢装置(4)以及储氢罐(5)；其中，

高温电解水制氢装置(4)的顶部设置有进水口(8)和出气口(9)，CPC移动式太阳能集热器(2)的侧壁上设置有冷水进口(6)和热水出口(7)；

水箱(3)的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器(2)冷水进口(6)，CPC移动式太阳能集热器(2)热水出口(7)连接至高温电解水制氢装置(4)进水口(8)，高温电解水制氢装置(4)出气口(9)连接至储氢罐(5)入口；太阳能电池板(1)的正负极分别连接至高温电解水制氢装置(4)中的两个电极板上。

2.根据权利要求1所述的基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：CPC移动式太阳能集热器(2)内包括有若干个CPC集热聚光管，该若干个CPC集热聚光管采用非对称相结合布置。

3.根据权利要求2所述的基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：CPC移动式太阳能集热器(2)的CPC集热聚光管呈直线同向布置。

4.根据权利要求1所述的基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：CPC移动式太阳能集热器(2)的热水出口(7)的位置高于冷水进口(6)的位置。

5.根据权利要求1所述的基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：高温电解水制氢装置(4)中设置有高温质子交换膜，且高温质子交换膜材料选用CsHSO₄材料。

6.根据权利要求1所述的基于商用氢燃料电池车的电热氢联供系统，其特征在于：水箱(3)的出水口连接至CPC移动式太阳能集热器(2)冷水进口(6)的管道上，CPC移动式太阳能集热器(2)热水出口(7)连接至高温电解水制氢装置(4)进水口(8)的管道上，以及高温电解水制氢装置(4)出气口(9)连接至储氢罐(5)入口的管道上均设置有阀门。