CN217035688U - 一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，本实用新型利用第一储氢装置储存气态氢气、利用第二储氢装置固态储氢，当温度无法满足第二储氢装置为燃料电池供氢时，先利用第一储氢装置为燃料电池供氢，并利用换热模块将燃料电池模块工作产生的热量提供给第二储氢装置进行加热升温，当温度满足第二储氢装置释放气态氢气时，启动第二储氢装置为燃料电池供氢，同时为第一储氢装置补充氢气，以满足下次使用，实现了燃料电池供气系统内部氢气供气的连续和自我补充，有效避免了当温度无法满足第二储氢装置释放气态氢气，同时第一储氢装置储存氢气不足而影响燃料电池工作的问题。

Description

一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种可以在常温下快速启动的低噪音、环境友好、高效率的零排放发电装置，被誉为终极能源。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等多领域的用电需要，是未来双碳要求下的重要能源技术路线。

燃料电池工作时，除了对外输出电能之外，同时会伴随着40-50％的热量产生。因此，按照冷却方式的不同，燃料电池可以分为液冷(包含水冷)和风冷两种方式。风冷型燃料电池是以氢气为燃料，少量空气中氧作为参与电化学反应的氧化剂，过量的空气用于冷却电堆，使其保持在一定的温度(不宜超过80℃)下工作。相对液冷燃料电池，风冷技术不需要复杂的空气压缩系统、冷却液循环及散热系统(冷却液箱、冷却液循环泵、冷却液管、散热片、风扇、空气增湿器及诸多传感器、电磁阀等)，使整个系统简单、易于操作与控制，具有广泛的应用前景，特别是在中小功率应用场景下具备诸多的优势。

目前，氢气的储运技术是燃料电池应用的主要瓶颈之一，氢能对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。从目前主要储氢材料与技术来看，有高压储氢、液体储氢、金属氢化物固态储氢、有机氢化物储氢及管道运输氢等。衡量储氢技术性能的主要参数是储氢体积密度、质量分数、充/放氢的可逆性、充/放氢速率、可循环使用寿命及安全性等。从技术可行性角度来说，金属氢化物固态储氢配套中小功率燃料电池的应用在未来大有可为。金属氢化物固态储氢是指在一定温度和氢气压力下能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的储氢技术。其工作的机理是氢分子首先吸附在金属表面，再解离成氢原子，然后再进入到金属的晶格中形成氢化物。只要控制一定的温度和压力，金属和氢气一接触就会发生反应。固态储氢的储氢量大、无污染、安全可靠、并且制备技术和工艺相对成熟，是目前应用最具潜力的技术路线。

针对风冷燃料电池与固态储氢的集成应用，目前在国内陆续出现，但是都集中在南方地区，产品的工作环境温度基本都在0℃以上，而在寒冷的北方(-40℃～0℃)没有相应的产品应用和示范推广。

中国专利文献CN113707903A(CN202110779503.3)公开了一种固态储氢为氢源的燃料电池系统，包括：燃料电池、第一储氢装置、第二储氢装置、供热模块以及换热模块。第一储氢装置包括氢气暂存罐和第一供氢管路，第一供氢管路一端与氢气暂存罐的出口连通，另一端与燃料电池的氢气进入口连通；第二储氢装置包括固态储氢罐、第二供氢管路和传热件；第二供氢管路一端与固态储氢罐的出口连通，另一端与第一供氢管路连通；传热件设置在固态储氢罐内；供热模块与燃料电池电性连接，并与传热件连通，供热模块能够向传热件提供热量；换热模块与燃料电池电性连接，设置于燃料电池与固态储氢罐之间，能够将燃料电池工作产生的废热提供给固态储氢罐加热升温供氢。本发明中的系统能够实现在较低温度下启动。

由于上述方案只考虑了启动初期燃料电池产生的热量无法满足固态储氢罐的需求，利用氢气暂存罐为燃料电池进行初期的供氢，但是氢气暂存罐的体积有限，上述方案并没有考虑氢气暂存罐氢气不足可能导致燃料电池无法启动的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，本实用新型利用第一储氢装置储存气态氢气、利用第二储氢装置固态储氢，当温度无法满足第二储氢装置为燃料电池供氢时，先利用第一储氢装置为燃料电池供氢，并利用换热模块将燃料电池模块工作产生的热量提供给第二储氢装置进行加热升温，当温度满足第二储氢装置为燃料电池供氢时，启动第二储氢装置为燃料电池供氢的同时为第一储氢装置补充氢气，以满足下次使用，实现了燃料电池供气系统内部氢气供气的连续和自我补充，有效避免了当温度无法满足第二储氢装置释放气态氢气，同时第一储氢装置氢气不足而影响燃料电池工作的问题。

本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，包括燃料电池模块、第一储氢装置、第二储氢装置、换热模块、温度监测模块和压力监测模块；

所述第一储氢装置用于储存气态氢气，所述第一储氢装置能够向燃料电池模块提供氢气；

所述第二储氢装置用于固态储氢，所述第二储氢装置能够向燃料电池模块和第一储氢装置提供氢气；

所述换热模块用于将燃料电池模块工作产生的热量提供给第二储氢装置进行加热升温；

所述温度监测模块用于监测燃料电池模块的温度、环境温度以及第二储氢装置的表面温度；

所述压力监测模块用于监测第一储氢装置的储氢压力和第二储氢装置的储氢压力。利用第二储氢装置能够为第一储氢装置进行氢气补充，避免第一储氢装置氢气不足影响系统的正常启动。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用第一储氢装置储存气态氢气的形式，保证了在固态储氢的第二储氢装置未具备正常放氢条件下的燃料电池的供氢需求，当第二储氢装置具备正常放氢条件时，利用第二储氢装置为燃料电池的供氢的同时为第一储氢装置补充气态氢气，以备下次固态储氢的第二储氢装置不具备正常放氢条件时使用，实现了系统内部氢气的自我补充，保证了燃料电池模块氢气供气的连续性，更加安全。

本实用新型的技术方案还有：还包括燃料电池加热模块，所述燃料电池加热模块包括蓄电池和加热装置，所述蓄电池与加热装置电连接，所述加热装置用于对燃料电池模块进行加热。

本实用新型的技术方案还有：所述蓄电池与燃料电池模块电连接。所述蓄电池用于储存燃料电池模块产生的电能，当燃料电池模块正常工作时，对蓄电池进行补充电量，避免蓄电池欠电而影响系统的正常启动。

本实用新型的技术方案还有：还包括三通阀、第一阀门、第二阀门和第三阀门，所述三通阀的三个接口分别连接第二储氢装置氢气出口、第一储氢装置氢气出口和燃料电池模块氢气入口，所述燃料电池模块氢气入口与三通阀之间设置有第一阀门，所述第一储氢装置氢气出口与三通阀之间设置有第二阀门，所述第二储氢装置氢气出口与三通阀之间设置有第三阀门。通过控制三通阀的连通方向以及第一阀门和第二阀门的开启连通第一储氢装置氢气出口和燃料电池模块氢气入口，实现第一储氢装置为燃料电池模块供应氢气；通过控制三通阀的连通方向以及第一阀门和第三阀门的开启连通第二储氢装置氢气出口和燃料电池模块氢气入口，实现第二储氢装置为燃料电池模块供应氢气；通过控制三通阀的连通方向以及第一阀门、第二阀门和第三阀门的开启，实现第二储氢装置为燃料电池模块供应氢气的同时为第一储氢装置补充氢气。

本实用新型的技术方案还有：还包括保温仓，所述燃料电池模块和第二储氢装置从左到右依次设置在保温仓内，所述保温仓设置有电动进气格栅和电动出气格栅。将燃料电池模块和第二储氢装置设置在保温仓内，并且通过调节电动进气格栅和电动出气格栅的开启程度，控制第二储氢装置、燃料电池模块与保温仓外部空气的热交换，实现第二储氢装置、燃料电池模块的快速升温，同时满足对燃料电池模块的空冷功能。

本实用新型的技术方案还有：所述换热模块包括送热管道、固态储氢换热器和散热风扇系统，所述燃料电池模块的电池散热口通过送热管道与固态储氢换热器相连，所述散热风扇系统设置在送热管道内并与燃料电池模块电连接，所述固态储氢换热器与燃料电池模块电连接，所述固态储氢换热器用于将空气中的热传递给第二储氢装置。利用散热风扇系统将燃料电池模块工作产生的热量通过送热管道定向传送给固态储氢换热器，固态储氢换热器将气体中的热量传递给第二储氢装置，提高了热量转化效率，使第二储氢装置能够快速吸热释放氢气，提高了第二储氢装置的升温效率，有利于氢气的释放。

本实用新型的技术方案还有：所述第一储氢装置为氢气缓冲罐。

本实用新型的技术方案还有：所述第二储氢装置为固态储氢瓶组。

本实用新型的主要构思：

1、采用第一储氢装置气态储氢的形式，保证了在固态储氢的第二储氢装置未具备正常放氢条件下的燃料电池的供氢需求，当第二储氢装置具备正常放氢条件时，利用第二储氢装置为燃料电池模块的供氢的同时为第一储氢装置补充气态氢气，以备下次固态储氢的第二储氢装置不具备正常放氢条件时使用，实现了系统内部氢气的自我补充；

2、采用热耦合设计方式，通过设置保温仓和换热模块，优化了燃料电池产生的余热与固态储氢的第二储氢装置放氢所需吸热两者之间的匹配需求，节省了能量消耗；

3、考虑燃料电池低于最低工作温度无法正常运行的问题，增设燃料电池加热模块，避免温度过低燃料电池模块无法运行，整体集成技术方案突破了风冷燃料电池与固态储氢在低温环境下(-40℃～0℃)无法工作的技术瓶颈，使其适用环境温度范围更大；

4、综合考虑和控制空气、燃料电池加热模块、燃料电池和第二储氢装置相互之间的热传导的平衡，设置带有电动进气格栅、电动出气格栅的保温仓，控制第二储氢装置、燃料电池模块与保温仓外部空气的热交换，实现燃料电池和第二储氢装置的快速升温，同时利用换热模块提高了第二储氢装置对燃料电池产生的热量的利用率，使整个系统的温度控制更加智能，热量利用率更高。

附图说明

图1为本实用新型所述基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统的的控温流程图；

图3为本实用新型所述基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统的供气流程图；

图中，1燃料电池模块、2第一储氢装置、3第二储氢装置、300蓄电池、4加热装置、5三通阀、6第一阀门、7第二阀门、8第三阀门；

9保温仓、91电动进气格栅、92电动出气格栅；

10送热管道、11固态储氢换热器、12散热风扇系统、13燃料电池尾排电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图3所示，一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，包括燃料电池模块1、第一储氢装置2、第二储氢装置3、换热模块、温度监测模块、压力监测模块和控制模块，本实用新型中控制模块主要用于实现自动化控制，通过人工控制同样能够实现本系统的基本功能。

所述第一储氢装置2用于储存气态氢气，所述第一储氢装置2能够向燃料电池模块1提供氢气。

所述第二储氢装置3用于固态储氢，所述第二储氢装置3能够向燃料电池模块1和第一储氢装置2提供氢气。

所述换热模块用于将燃料电池模块1工作产生的热量提供给第二储氢装置3进行加热升温。

所述温度监测模块用于监测燃料电池模块1的温度、环境温度以及第二储氢装置3的表面温度。

所述压力监测模块用于监测第一储氢装置2的储氢压力和第二储氢装置3的储氢压力。

所述控制模块分别与温度监测模块、压力监测模块电连接。

当温度监测模块监测到燃料电池模块1的温度位于燃料电池模块1的工作温度区间并且第二储氢装置3的表面温度低于第二储氢装置3的最低放氢温度时，所述控制模块用于控制第一储氢装置2向燃料电池模块1进行供氢，同时控制换热模块将燃料电池模块1工作产生的热量提供给第二储氢装置3进行加热升温。

当温度监测模块监测到第二储氢装置3的表面温度满足第二储氢装置3的放氢温度时，所述控制模块用于控制第二储氢装置3向燃料电池模块1进行供氢。

当压力监测模块监测到第一储氢装置2的储氢压力低于设定压力阈值时，所述控制模块用于控制第二储氢装置3对第一储氢装置2进行补充氢气。

所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统还包括燃料电池加热模块，所述燃料电池加热模块包括蓄电池300和加热装置4，所述蓄电池300与加热装置4电连接，所述加热装置4用于对燃料电池模块1进行加热。

当温度监测模块监测燃料电池模块1的温度低于燃料电池模块1的最低工作温度值时，所述控制模块用于控制加热装置4对燃料电池模块1进行加热。

所述蓄电池300与燃料电池模块1电连接，所述蓄电池300用于储存燃料电池模块1产生的电能，即所述燃料电池模块1用于对蓄电池300进行充电。

所述基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统还包括三通阀5、第一阀门6、第二阀门7和第三阀门8，所述三通阀5的三个接口分别连接第二储氢装置3氢气出口、第一储氢装置2氢气出口和燃料电池模块1氢气入口，所述燃料电池模块1氢气入口与三通阀5之间设置有第一阀门6，所述第一储氢装置2氢气出口与三通阀5之间设置有第二阀门7，所述第二储氢装置3氢气出口与三通阀5之间设置有第三阀门8。

所述控制模块分别与三通阀5、第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8电连接，用于控制三通阀5的连通方向以及第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8的通断，所述三通阀5替换成三通同样能够实现系统的功能。

所述基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统还包括保温仓9，所述燃料电池模块1和第二储氢装置3从左到右依次设置在保温仓9内，所述保温仓9设置有电动进气格栅91和电动出气格栅92，所述电动进气格栅91和电动出气格栅92均与蓄电池300和燃料电池模块1电连接。由于蓄电池300储电量有限，燃料电池模块1正常工作时，断开蓄电池300与电动进气格栅91、电动出气格栅92的电路，利用燃料电池模块1为电动进气格栅91、电动出气格栅92供电。

所述控制模块分别与电动进气格栅91和电动出气格栅92电连接，用于控制电动进气格栅91和电动出气格栅92的开启程度。

所述换热模块包括送热管道10、固态储氢换热器11和散热风扇系统12，所述燃料电池模块1的电池散热口通过送热管道10与固态储氢换热器11相连，所述散热风扇系统12设置在送热管道10内并与燃料电池模块1电连接，所述固态储氢换热器11与燃料电池模块1电连接，所述固态储氢换热器11用于将空气中的热传递给第二储氢装置3。

所述第一储氢装置2为氢气缓冲罐。

所述第二储氢装置3为固态储氢瓶组。

所述燃料电池模块1还设置有尾排系统，所述尾排系统包括与燃料电池模块1尾排口连接的燃料电池尾排电磁阀13，所述燃料电池尾排电磁阀13与控制模块电连接，所述控制模块用于控制燃料电池尾排电磁阀13的通断和开启程度。

工作原理：如图1-图3所示，当环境温度低于燃料电池模块1最低工作温度时，控制模块控制加热装置4对燃料电池模块1进行加热。

当燃料电池模块1温度处于燃料电池模块1的工作温度区间时，停止加热装置4，启动第一储氢装置2对燃料电池模块1进行供氢，启动燃料电池模块1工作发电，燃料电池模块1对蓄电池300进行充电以满足下次的使用电量，同时启动换热模块将所述燃料电池模块1工作产生的热量提供给所述第二储氢装置3进行加热升温。

当第二储氢装置3表面的温度满足第二储氢装置3释放气态氢气时，启动第二储氢装置3向燃料电池模块1进行供氢，同时利用第二储氢装置3为第一储氢装置2补充气态氢气，以满足下次氢气的用量。

当监测到第一储氢装置2的储氢压力低于设定压力阈值时，提醒使用者对第一储氢装置2进行充气，避免氢气不足影响燃料电池模块1的正常工作和续航能力。

Claims (8)

1.一种基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：包括燃料电池模块(1)、第一储氢装置(2)、第二储氢装置(3)、换热模块、温度监测模块和压力监测模块；

所述第一储氢装置(2)用于储存气态氢气，所述第一储氢装置(2)能够向燃料电池模块(1)提供氢气；

所述第二储氢装置(3)用于固态储氢，所述第二储氢装置(3)能够向燃料电池模块(1)和第一储氢装置(2)提供氢气；

所述换热模块用于将燃料电池模块(1)工作产生的热量提供给第二储氢装置(3)进行加热升温；

所述温度监测模块用于监测燃料电池模块(1)的温度、环境温度以及第二储氢装置(3)的表面温度；

所述压力监测模块用于监测第一储氢装置(2)的储氢压力和第二储氢装置(3)的储氢压力。

2.根据权利要求1所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：还包括燃料电池加热模块，所述燃料电池加热模块包括蓄电池(300)和加热装置(4)，所述蓄电池(300)与加热装置(4)电连接，所述加热装置(4)用于对燃料电池模块(1)进行加热。

3.根据权利要求2所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：所述蓄电池(300)与燃料电池模块(1)电连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：还包括三通阀(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)和第三阀门(8)，所述三通阀(5)的三个接口分别连接第二储氢装置(3)氢气出口、第一储氢装置(2)氢气出口和燃料电池模块(1)氢气入口，所述燃料电池模块(1)氢气入口与三通阀(5)之间设置有第一阀门(6)，所述第一储氢装置(2)氢气出口与三通阀(5)之间设置有第二阀门(7)，所述第二储氢装置(3)氢气出口与三通阀(5)之间设置有第三阀门(8)。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：还包括保温仓(9)，所述燃料电池模块(1)和第二储氢装置(3)从左到右依次设置在保温仓(9)内，所述保温仓(9)设置有电动进气格栅(91)和电动出气格栅(92)。

6.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：所述换热模块包括送热管道(10)、固态储氢换热器(11)和散热风扇系统(12)，所述燃料电池模块(1)的电池散热口通过送热管道(10)与固态储氢换热器(11)相连，所述散热风扇系统(12)设置在送热管道(10)内并与燃料电池模块(1)电连接，所述固态储氢换热器(11)与燃料电池模块(1)电连接，所述固态储氢换热器(11)用于将空气中的热传递给第二储氢装置(3)。

7.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：所述第一储氢装置(2)为氢气缓冲罐。

8.根据权利要求1-3任一所述的基于固态储氢的风冷燃料电池供气系统，其特征在于：所述第二储氢装置(3)为固态储氢瓶组。

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