CN211858806U - 一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，包括固态储氢气瓶和壳体，固态储氢气瓶置于壳体内，壳体上端连接有封头，壳体与封头之间设有气体分布板，气体分布板上沿周向均匀布置有通孔，壳体与固态储氢气瓶之间设置有翅片管，封头一侧开设有进气口，进气口连接阴极尾气进口接管，壳体底部另一侧开设有出气口，出气口连接阴极尾气出口接管，阴极尾气进口接管用于通入氢燃料电池反应后阴极尾气，阴极尾气自阴极尾气进口接管流入封头后经气体分布板均匀分布后流入翅片管，并经翅片管释放余热后自阴极尾气出口接管流出；本实用新型同现有技术相比，解决了现有燃料电池系统固态储氢余热回收结构复杂，余热回收效率低，释放氢气不稳定的问题。

Description

一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置

[技术领域]

本实用新型属于氢能利用领域，具体地说是一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置。

[背景技术]

氢燃料电池系统通过氢气和氧气间的催化反应直接产生电能，具有高效、环保特点。氢燃料电池系统主要包括：电堆单元、空气燃料单元、氢气燃料单元、热管理单元、控制单元和储氢单元。燃料电池在氢能转化过程会产生大量废热，需及时排出。根据冷媒不同，可分为液冷型燃料电池和风冷型电池。氢燃料电池储氢方式分为高压储氢、液态储氢和固态储氢。其中，固态储氢利用特殊合金放热吸收储存氢气，储氢压力可低至1-5MPa，具有加氢压力低、储氢密度大、安全性高特点，应用前景广阔。固态储氢燃料电池运行时所需氢气燃料，通过加热固态储氢合金实现释放气态氢气实现。

为提高固态储氢燃料电池系统能源利用效率，系统体积能量密度，已有相关文献报道了固态储氢吸收系统废热释放氢气的技术。如，文献1(具有热交换及电能交换的燃料电池模块[P].中国：CN2563756)公开了一种用于笔记本电脑燃料电池系统，利用主机排出热量加热储氢单元。文献2(刘志祥、王诚、毛宗强.耦合储氢单元的燃料电池[P].中国：CN101118969，2008-02-06)和文献3(吕维忠,新型空冷自增湿质子交换膜燃料电池技术研究[D].哈尔滨工程大学)公开报道了一种耦合式储氢单元，其特点是储氢单元以平板结构间隔布置在相邻燃料电池之间，燃料电池极板表面和储氢单元外壁接触，通过热传导介质吸收燃料电池产生的废热，不使用风扇、水泵和冷媒。文献4(专利EP0917225A1)公开了一种空冷型燃料电池系统，特点之一是利用冷却电堆吸热升温的空气加热固态储氢合金，释放氢气供给氢燃料电池燃料。

然而存在以下不足之处：文献1给出的储氢单元吸热电脑主机排出废热，没有利用燃料电池系统排出废热。文献2和文献3公开的耦合储氢单元的燃料电池，共同特点是储氢单元包含多个平板型储氢容器，被间隔布置在相邻燃料极板之间，使得装置结构复杂，密封可靠性低，增加了燃料电池电阻，减低了燃料电池发电性能。文献4公开的固态储氢燃料电池余热回收装置，只适用于空冷型燃料电堆，加热储氢单元的热媒是冷却电堆后吸热升温的空气，散热空气温度易受环境温度影响，不利于储氢单元和电堆稳定运行。

[实用新型内容]

本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，解决了现有燃料电池系统固态储氢余热回收结构复杂，余热回收效率低，释放氢气不稳定的问题。

为实现上述目的设计一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，包括固态储氢气瓶1和壳体3，所述壳体3为上端敞口的圆柱体，所述固态储氢气瓶1置于壳体3内，所述壳体3上端连接有封头2，并通过封头2与固态储氢气瓶1之间密封连接，所述壳体3与封头2之间设置有气体分布板6，所述气体分布板6为环形板状，所述气体分布板6上沿周向均匀布置有通孔8，所述壳体3与固态储氢气瓶1之间设置有翅片管7，所述翅片管7设置在气体分布板6下方，且与气体分布板6之间预留有空隙，所述封头2一侧开设有进气口，所述进气口连接阴极尾气进口接管4，所述壳体3底部另一侧开设有出气口，所述出气口连接阴极尾气出口接管5，所述阴极尾气进口接管4用于通入氢燃料电池反应后阴极尾气，所述阴极尾气自阴极尾气进口接管4流入封头2后经气体分布板6均匀分布后流入翅片管7，并经翅片管7释放余热后自阴极尾气出口接管5流出。

进一步地，所述翅片管7包括管体9和翅片10，所述翅片10沿轴向分布在管体9外壁上，且沿周向均匀布置，所述管体9与翅片10为一体式结构。

进一步地，所述翅片10自管体9一端延伸至管体9另一端，且呈竖直状设置在管体9外壁上。

进一步地，所述翅片管7的翅片10与壳体3内表面过盈配合装配，所述翅片管7内表面与固态储氢气瓶1外表面接触。

进一步地，所述翅片管7采用铝合金一次挤压成型。

进一步地，所述封头2顶端与壳体3密封连接，所述封头2底端焊接有法兰一，所述法兰一与壳体3顶端的法兰二连接。

本实用新型还提供了一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，包括固态储氢气瓶二11和换热管13，所述换热管13为螺旋缠绕管，所述换热管13采用螺旋式缠绕于固态储氢气瓶二11外壁，且与固态储氢气瓶二11外壁紧贴，所述换热管13一端为螺旋缠绕管入口12，所述换热管13另一端为螺旋缠绕管出口14，所述螺旋缠绕管入口12用于通入氢燃料电池循环冷却水，所述循环冷却水自螺旋缠绕管入口12流入后，通过导热方式依次加热换热管13、固态储氢气瓶二11，直至释放余热后自螺旋缠绕管出口14流出。

进一步地，所述换热管13采用不锈钢管或铜管制成。

本实用新型同现有技术相比，具有如下优点：

(1)热媒与储氢合金间温差越大，越利于储氢合金吸热，有利于提高氢燃料电池余热回收效率；本实用新型余热回收采用的热媒为氢燃料电池阴极尾气，其温度与电堆运行温度相近，约在60-80℃之间，而文献4采用的热媒是电堆散热空气，温度一般不超过50℃；

(2)储氢单元热交换气室结构紧凑度高，翅片管上布置的翅片极大增加了传热面积，可实现5℃小温差换热，有利于尽可能回收燃料电池余热；

(3)本实用新型燃料电池固态储氢余热回收装置集中在储氢气瓶外侧实现，较平板型燃料电池储氢单元，减小了电堆电阻，简化了电堆结构，易于加工制造和安装；

(4)电堆正常运行时其温度一般控制在60-80℃，阴极气体流量变化波动较小；本实用新型对于空冷型燃料电池采用电池阴极尾气作为热媒，保证了储氢合金吸热释放氢气量稳定性；对于液冷型燃料电池，因冷却液流量和温度变化较小，采用从电池流出的循环冷却液作为热媒，同样保证储氢合金释放氢气量稳定性；

(5)本实用新型解决了现有燃料电池系统固态储氢余热回收结构复杂，余热回收效率低，释放氢气不稳定等问题，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本实用新型空冷型燃料电池固态储氢余热回收装置的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1中翅片管的结构示意图；

图4是图1中气体分布板的结构示意图；

图5是本实用新型水冷型燃料电池固态储氢余热回收装置的结构示意图；

图中：1、固态储氢气瓶2、封头3、壳体4、阴极尾气进口接管5、阴极尾气出口接管6、分布板7、翅片管8、通孔9、管体10、翅片11、固态储氢气瓶二12、螺旋缠绕管入口13、换热管14、螺旋缠绕管出口。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：

空冷型燃料电池采用氢燃料电池阴极尾气作为热媒加热固态储氢气瓶，燃料电堆运行温度控制在60-80℃之间，阴极尾气温度也相应在60-80℃之间。如附图1和附图2所示，空冷型燃料电池固态储氢余热回收装置包括固态储氢气瓶1、封头2、壳体3、阴极尾气进口接管4、阴极尾气出口接管5、气体分布板6、翅片管7，壳体3为上端敞口的圆柱体，固态储氢气瓶1置于壳体3内，壳体3上端连接有封头2，并通过封头2与固态储氢气瓶1之间密封连接，壳体3与封头2之间设置有气体分布板6，气体分布板6为环形板状，气体分布板6上沿周向均匀布置有通孔8，壳体3与固态储氢气瓶1之间设置有翅片管7，翅片管7设置在气体分布板6下方，且与气体分布板6之间预留有空隙，封头2一侧开设有进气口，进气口连接阴极尾气进口接管4，壳体3底部另一侧开设有出气口，出气口连接阴极尾气出口接管5，阴极尾气进口接管4用于通入氢燃料电池反应后阴极尾气，阴极尾气自阴极尾气进口接管4流入封头2，再流经气体分布板6均匀分布后流入翅片管7，阴极尾气与翅片管7翅片之间存在温差，热量通过导热方式依次加热金属翅片管7、固态储氢气瓶1和固态储氢气瓶1内储氢合金以释放氢气，阴极尾气释放余热后从阴极尾气出口接管5流出。

其中，封头2顶端与壳体3密封连接，封头2底端焊接有法兰一，并通过法兰一与壳体3顶端的法兰二连接。翅片管7包括管体9和翅片10，翅片10沿轴向分布在管体9外壁上，且沿周向均匀布置，管体9与翅片10为一体式结构；翅片10自管体9一端延伸至管体9另一端，且呈竖直状设置在管体9外壁上。翅片管7的翅片10与壳体3内表面按过盈配合装配，以保证壳体3内表面与翅片管7翅片的翅尖有效并充分接触，从而避免气体从翅片10与壳体3内表面缝隙内流过，而带走热量；翅片管7内表面与固态储氢气瓶1外表面充分接触，以保证翅片管7有效加热固态储氢气瓶1；翅片管7材料采用铝合金，翅片管7采用铝合金一次挤压成型；翅片管7底端与固态储氢气瓶1底端预留有间隙，阴极尾气出口接管5设置在该间隙处，且固态储氢气瓶1底端与壳体3内底端之间预留有空隙，以保证阴极尾气释放余热后从阴极尾气出口接管5均匀流出。

本实用新型中，液冷型燃料电池多采用循环冷却水作为热媒加热固态储氢气瓶二11，如附图5所示，液冷型燃料电池固态储氢余热回收装置包括固态储氢气瓶二11和换热管13，换热管13为螺旋缠绕管，换热管13材质为不锈钢管、铜管等，换热管13采用螺旋式缠绕于固态储氢气瓶二11外壁，且与固态储氢气瓶二11外壁紧贴，换热管13一端为螺旋缠绕管入口12，换热管13另一端为螺旋缠绕管出口14，螺旋缠绕管入口12用于通入氢燃料电池循环冷却水，循环冷却水自螺旋缠绕管入口12流入后，通过导热方式依次加热换热管13、固态储氢气瓶二11，直至释放余热后自螺旋缠绕管出口14流出。即，冷却完燃料电池的循环冷液流入换热管13的螺旋缠绕管入口12，循环冷却水通过导热方式依次加热换热管13、固态储氢气瓶二11，直至热量被储氢合金吸收，释放氢气，从换热管13的螺旋缠绕管出口14流出，作为循环冷却液继续冷却燃料电池。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：包括固态储氢气瓶(1)和壳体(3)，所述壳体(3)为上端敞口的圆柱体，所述固态储氢气瓶(1)置于壳体(3)内，所述壳体(3)上端连接有封头(2)，并通过封头(2)与固态储氢气瓶(1)之间密封连接，所述壳体(3)与封头(2)之间设置有气体分布板(6)，所述气体分布板(6)为环形板状，所述气体分布板(6)上沿周向均匀布置有通孔(8)，所述壳体(3)与固态储氢气瓶(1)之间设置有翅片管(7)，所述翅片管(7)设置在气体分布板(6)下方，且与气体分布板(6)之间预留有空隙，所述封头(2)一侧开设有进气口，所述进气口连接阴极尾气进口接管(4)，所述壳体(3)底部另一侧开设有出气口，所述出气口连接阴极尾气出口接管(5)，所述阴极尾气进口接管(4)用于通入氢燃料电池反应后阴极尾气，所述阴极尾气自阴极尾气进口接管(4)流入封头(2)后经气体分布板(6)均匀分布后流入翅片管(7)，并经翅片管(7)释放余热后自阴极尾气出口接管(5)流出。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述翅片管(7)包括管体(9)和翅片(10)，所述翅片(10)沿轴向分布在管体(9)外壁上，且沿周向均匀布置，所述管体(9)与翅片(10)为一体式结构。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述翅片(10)自管体(9)一端延伸至管体(9)另一端，且呈竖直状设置在管体(9)外壁上。

4.如权利要求1、2或3所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述翅片管(7)的翅片(10)与壳体(3)内表面过盈配合装配，所述翅片管(7)内表面与固态储氢气瓶(1)外表面接触。

5.如权利要求1、2或3所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述翅片管(7)采用铝合金一次挤压成型。

6.如权利要求1、2或3所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述封头(2)顶端与壳体(3)密封连接，所述封头(2)底端焊接有法兰一，所述法兰一与壳体(3)顶端的法兰二连接。

7.一种氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：包括固态储氢气瓶二(11)和换热管(13)，所述换热管(13)为螺旋缠绕管，所述换热管(13)采用螺旋式缠绕于固态储氢气瓶二(11)外壁，且与固态储氢气瓶二(11)外壁紧贴，所述换热管(13)一端为螺旋缠绕管入口(12)，所述换热管(13)另一端为螺旋缠绕管出口(14)，所述螺旋缠绕管入口(12)用于通入氢燃料电池循环冷却水，所述循环冷却水自螺旋缠绕管入口(12)流入后，通过导热方式依次加热换热管(13)、固态储氢气瓶二(11)，直至释放余热后自螺旋缠绕管出口(14)流出。

8.如权利要求7所述的氢燃料电池固态储氢余热回收装置，其特征在于：所述换热管(13)采用不锈钢管或铜管制成。

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