技术领域
[0001] 本
发明涉及
氢燃料电池领域，具体涉及一种固态储氢供氢燃料电池系统。
背景技术
[0002]
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是在一个步骤中直接从燃料(氢气)和
氧化剂(主要是O2)产生电
力的电化学装置，具有
工作温度低、
能量转换效率高、清洁无污染等优点，因此，被认为是取代目前
汽车动力的最具可选性、最有竞争力的动力源之一。
[0003] 在燃料电池的实际工作效率中，燃料
化学能通过电堆转化的
电能和
热能约各占一半。要使电堆能够高效、稳定运行，必须要仔细设计
水和
热管理。燃料电池的热管理，主要就是对电池内部流动和
传热进行控制，有效地利用和散发这部分废热，保持电池内的热平衡。
[0004] 燃料电池运行时，氢气的供给是比较重要的环节，其中金属氢化物(MH)作为燃料电池中气态储氢的载体具有很大的应用前景。金属氢化物(MH)，包含AB5型、AB2型、AB型、BCC型等，不仅具有极高的体积储氢
密度(100g L-1甚至更高)，并且在适合的温度下，具有较低的平衡氢压与金属氢化物放氢反应的吸热本质共同导致了基于金属氢化物的储氢系统的高安全性。
[0005] 鉴于金属氢化物放氢反应时具有吸热的特性，与PEMFC堆运行过程中产生废热的特点，因此，将金属氢化物的热动力学性质与燃料电池的热集成，能够提高FC堆运行过程中产生的热量利用率。金属间化合物氢化物储氢系统可提供氢燃料给PEM燃料电池达到几兆瓦的电功率，可广泛应用于各种固定、移动和便携电源应用，如电动助力单车、电动摩托车、叉车、观光车、无人机和
船舶等。但，更有效的提高整个系统(PEMFC+MH)的效率、减小系统的体积和
质量等，是有待解决的问题之一。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种固态储氢供氢燃料电池系统，其能够提高整体系统的效率，减小整体系统的体积和质量等。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 一种固态储氢供氢燃料电池系统，其包括：
[0009] 金属氢化物供氢系统，其为金属氢化物储氢罐，用于提供氢气；
[0010] 燃料电池系统，其上的氢气进口与所述金属氢化物储氢罐相连通；氢气通过氢气进口进入燃料电池系统作为发电的还原剂，空气从空气进口进入燃料电池系统作为发电
氧化剂，燃料电池系统产生的电供给负载输出，剩余的反应气体和反应产生的水经过空气出口排出；
[0011] 水热循环系统，其为水热套；该水热套包覆于金属氢化物储氢罐外；所述水热套与所述燃料电池系统相连通；该燃料电池系统内的
循环水带走燃料电池系统产生的热量，循环水经燃料电池系统上循环水出口进入水热套，通过水热套给金属氢化物储氢罐提供热量，冷却的水经过燃料电池系统上循环水进口再返回至燃料电池系统。
[0012] 作为优选，所述金属氢化物储氢罐内的金属氢化物包括AB、AB2、A2B、AB5、BCC型金属氢化物。
[0013] 作为优选，所述金属氢化物储氢罐的罐体为
铝制气瓶；该金属氢化物储氢罐的储氢容量范围为60L～1000L，氢气的释放流量为0.1L/min～50L/min。
[0014] 作为优选，所述燃料电池系统包括：
[0015] 燃料电池电堆，其分别通过管路与氢气出口和空气出口相连通；该燃料电池电堆上的循环水出口与水热套上进水口相连通；
[0016] 三通
阀，其一端通过管路与氢气进口相连通，另一端与气体压力
传感器相连，再一端通过管路与所述燃料电池电堆相连通；
[0017] 循环水
泵，其分别与所述燃料电池电堆上的循环水进口和水热套上的出水口相连通；
[0018] 空气压缩泵，其分别通过管路与所述所述燃料电池电堆和空气进口相连通；
[0019] 电池控制系统，其分别与气体
压力传感器、
蓄电池、负载输出、巡检线、燃料电池电堆中的电源线以及用于监测燃料电池电堆温度的温度传感器电性连接；所述巡检线还与燃料电池电堆的电堆极片连接。
[0020] 作为优选，所述燃料电池电堆与氢气出口的管路上连接有出气
电磁阀。
[0021] 作为优选，所述三通阀与所述燃料电池电堆之间的管路上连接有减压阀和进气电磁阀。
[0022] 作为优选，所述空气压缩泵与空气进口之间的管路上连接有空气
过滤器。
[0023] 作为优选，所述燃料电池电堆为水冷质子交换膜燃料电池电堆，其功率在5w～1kw之间。
[0024] 作为优选，所述巡检线的数量与所述燃料电池电堆的电堆极片数量成正比关系。
[0025] 作为优选，所述蓄电池为
锂离子电池组、镍氢动力
电池组或镍铬动力电池组中的任一种。
[0026] 本发明所提供的固态储氢供氢燃料电池系统，其有益效果在于：
[0027] 1.本发明使用金属氢化物作为供氢的载体；
[0028] 2.该系统具有氢气
体积密度大、氢气压力低的优点；
[0029] 3.该系统具有整体系统体积小、废热利用效率高的优点；
[0030] 4.该系统具有高度集成化的优点。
附图说明
[0031] 为了更清楚地说明本
申请实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图1为本发明实施例提供的固态储氢供氢燃料电池系统的结构示意图。
[0033] 附图标记说明：
[0034] 1、金属氢化物储氢罐；12、氢气进口；20、水热套；21、进水口；22、出水口；30、三通阀；31、气体压力传感器；32、减压阀；33、进气电磁阀；34、燃料电池电堆；35、空气压缩泵；36、
空气过滤器；37、出气电磁阀；38、温度传感器；39、循环水泵；40、电池控制系统；41、蓄电池；42、燃料电池电堆中的电源线；43、巡检线；45、氢气出口；44、负载输出；46、空气出口；
47、空气进口。
具体实施方式
[0035] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
[0036] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
[0037] 如图1所示，一种固态储氢供氢燃料电池系统，其包括：
[0038] 金属氢化物供氢系统，其为金属氢化物储氢罐1，用于提供氢气；
[0039] 燃料电池系统，其上的氢气进口12与所述金属氢化物储氢罐1相连通；
[0040] 水热循环系统，其为水热套20；该水热套20包覆于金属氢化物储氢罐1外；所述水热套20与所述燃料电池系统相连通。
[0041] 金属氢化物储氢罐1中的氢气通过氢气进口12进入燃料电池系统作为发电的还原剂，空气从空气进口47进入燃料电池系统作为发电氧化剂，燃料电池系统产生的电供给负载输出44，剩余的反应气体和反应产生的水经过空气出口46排出；该燃料电池系统内的循环水带走燃料电池系统产生的热量，循环水经燃料电池系统上循环水出口进入水热套20，通过水热套20给金属氢化物储氢罐1提供热量，冷却的水经过燃料电池系统上循环水进口再返回至燃料电池系统。如此，形成了一套完整的系统，整体的效率得到提高。
[0042] 具体的，固态储氢供氢燃料电池系统，其包括金属氢化物供氢系统、燃料电池系统和水热循环系统。
[0043] 金属氢化物供氢系统为金属氢化物储氢罐1，用于提供氢气。所述金属氢化物储氢罐1内的金属氢化物包括AB、AB2、A2B、AB5、BCC型金属氢化物。所述金属氢化物储氢罐1的罐体优选为铝制气瓶；该金属氢化物储氢罐1的储氢容量范围为60L～1000L，氢气的释放流量为0.1L/min～50L/min。
[0044] 所述燃料电池系统包括气体压力传感器31、减压阀32、进气电磁阀33、燃料电池电堆34、空气压缩泵35、空气过滤器36、出气电磁阀37、温度传感器38、循环水泵39、电池控制系统40、蓄电池41和巡检线43。上述各个元器件集成在长方体形状的盒子里，从而实现高度集成化。
[0045] 燃料电池电堆34，其分别通过管路与氢气出口45和空气出口46相连通；该燃料电池电堆34上的循环水出口与水热套20上进水口21相连通。
[0046] 三通阀30，其一端通过管路与氢气进口12相连通，另一端与气体压力传感器31相连，再一端通过管路与所述燃料电池电堆34相连通。
[0047] 循环水泵39，其分别与所述燃料电池电堆34上的循环水进口和水热套20上的出水口22相连通。
[0048] 空气压缩泵35，其分别通过管路与所述所述燃料电池电堆34和空气进口47相连通。
[0049] 电池控制系统40，其分别与气体压力传感器31、蓄电池41、负载输出44、巡检线43、燃料电池电堆34中的电源线42以及用于监测燃料电池电堆34温度的温度传感器38电性连接；所述巡检线43还与燃料电池电堆34的电堆极片连接。
[0050] 改进地，所述燃料电池电堆34与氢气出口45的管路上连接有出气电磁阀37。
[0051] 进一步改进地，所述三通阀30与所述燃料电池电堆34之间的管路上连接有减压阀32和进气电磁阀33。
[0052] 再改进地，所述空气压缩泵35与空气进口47之间的管路上连接有空气过滤器36。
[0053] 电池控制系统40与空气压缩泵35、循环水泵39、进气电磁阀33、出气电磁阀37、气体压力传感器31和温度传感器38的电连接。
[0054] 气体压力传感器31实时监测金属氢化物储氢罐1的氢气压力，温度传感器38实时监测燃料电池电堆34的温度；巡检线43实时监测燃料电池电堆34的的电堆极片的
电压。
[0055] 电池控制系统控制进气电磁阀33和出气电磁阀37的通断，以及空气压缩泵35和循环水泵39的
开关。电池控制系统40通过气体压力传感器31监测金属氢化物储氢罐1内的气压，当气压低于设定值时，进行低气压报警，关闭燃料电池系统。电池控制系统40通过温度传感器38实时监测燃料电池电堆34的温度，当温度高于设定值时，进行高温报警，关闭燃料电池系统；电池控制系统40通过巡检线43监测燃料电池电堆34的电堆极片的电压，当电压低于设定值时，进行
低电压报警，关闭燃料电池系统。
[0056] 电池控制系统40控制着进氢气和空气量、输出功率和
电路保护，并监测金属氢化物储氢罐1的气压、燃料电池电堆34的温度和电压，根据实际负载功率的需求启动和关闭进气电磁阀33、空气压缩泵35、循环水泵39、出气电磁阀37，实现对气路和电路的自动控制，同时，将燃料电池系统工作时产生的热量通过水热循环系统提供给金属氢化物放氢时所需的热量。
[0057] 膜燃料电池电堆34优选为水冷质子交换膜燃料电池电堆，其功率在5w～1kw。
[0058] 蓄电池41可以为锂离子电池组、镍氢动力电池组或镍铬动力电池组中的任一种。蓄电池41用于电池控制系统40的启动电压，并且作为固态储氢供氢燃料电池系统输出辅助电压。
[0059] 巡检线43的数量与燃料电池电堆34的电堆极片数量成正比关系，且巡检线43与燃料电池电堆34的电堆极片连接。
[0060] 水热循环系统为铝制或者
铜制水热套20，水热套20包覆于金属氢化物储氢罐1外，水热套20的进、出水口21、22分别与燃料电池电堆34和循环水泵39连接，形成闭环的
水循环系统。
[0061] 上述固态储氢供氢燃料电池系统工作原理如下所示：
[0062] 金属氢化物储氢罐1提供氢气，蓄电池组41提供燃料电池系统的启动电压，电池控制系统40开始工作。当电池控制系统40检测到负载输入
信号时，开启进气电磁阀33，空气压缩泵35和循环水泵39，每间隔一定时间开启出气电磁阀37，根据实际负载功率的需求作出相应动作，实现对气路和电路的自动控制。电池控制系统40通过气体压力传感器31监测金属氢化物储氢罐1的气压，当气压低于设定值时，进行低气压报警，关闭燃料电池系统；电池控制系统40通过温度传感器38实时监测燃料电池电堆34的温度，当温度高于设定值时，进行高温报警，关闭燃料电池系统；电池控制系统40通过巡检线43监测燃料电池电堆34的电堆极片的电压，当电压低于设定值时，进行低电压报警，关闭燃料电池系统。
[0063] 将燃料电池系统工作时产生的热量通过水热套20提供给金属氢化物储氢罐1放氢时所需的热量，冷却的水再返回至燃料电池电堆34，带走燃料电池电堆34的热量。这样形成了一套完整的系统，整体的效率得到提高。
[0064] 本实施例所提供的固态储氢供氢燃料电池系统，其有益效果在于：
[0065] 1.该系统使用金属氢化物作为供氢的载体；
[0066] 2.该系统具有氢气体积密度大、氢气压力低的优点；
[0067] 3.该系统具有整体系统体积小、废热利用效率高的优点；
[0068] 4.该系统具有高度集成化的优点。
[0069] 以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。
