專利名稱：燃料電池儲氫裝置以及儲氫和充氫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池儲氫裝置，以及一種 燃料電池儲氫和充氫系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是利用燃料和氧化劑產(chǎn)生電能的裝置，具有高發(fā)電效率。燃料
電池系統(tǒng)中，以高分子電解質(zhì)膜為中心，其兩側(cè)設(shè)置有陽極(ANODE)和 陰極(CATHODE),作為燃料的氫氣在陽極發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，作為氧化 劑的氧氣在陰極發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，此時通過生成的電子的移動，產(chǎn)生電能。
以典型的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM燃料電池)為例，以氫氣為燃料， 在陽極反應(yīng)中，氫氣經(jīng)由擴(kuò)散層進(jìn)入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化 作用，將氫氣分解為氫質(zhì)子及電子，前者經(jīng)由質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極反應(yīng)區(qū)， 后者則經(jīng)由集電裝置向外部負(fù)載輸出。另一方面，氧氣作為氧化劑，經(jīng)由陰 極側(cè)的擴(kuò)散層進(jìn)入，借助催化層的催化劑如鉑金屬的催化反應(yīng)作用被分解， 并結(jié)合來自于質(zhì)子交換膜的氫質(zhì)子及來自集電裝置的電子，于陰極反應(yīng)區(qū)生 成水。
燃料電池通常以儲存在儲氫裝置中的氫氣為燃料。對于氣態(tài)氫，最常見 的儲存方式有兩種，即高壓鋼瓶氣態(tài)儲氫和金屬氫化物固態(tài)儲氫。對儲氫高 壓鋼瓶補充氫氣時，由于氫氣為壓縮氣體，儲氫裝置會釋放大量熱量；采用 金屬氫化物固態(tài)儲氫時，為金屬氫化物補充氫氣時為放熱反應(yīng)，并且充氫的 速度和溫度有關(guān)，溫度越低，充氫速度越快。
無論是高壓鋼瓶氣態(tài)儲氫還是金屬氫化物固態(tài)儲氫，在對儲氫裝置補充
氫氣時由于壓縮氫氣或者放熱反應(yīng)的原因，儲氫裝置會向外界釋放大量熱 能。因為高溫一方面容易造成儲氫裝置爆裂，同時，由于氫氣為易燃易爆氣 體，高溫源的存在將增加補充氫氣時的不安定因素，因此有必要在補充氫氣 時對儲氫裝置實施冷卻。
CN 1472836A公開了一種用于燃料電池的貯氫裝置，該貯氫裝置包括ft: 氫材料瓶以及設(shè)置在該貯氫材料瓶外圍或內(nèi)部的傳熱通道，所述的忙氫材料 瓶設(shè)有氫氣進(jìn)出口，所述的傳熱通道設(shè)有傳熱介質(zhì)進(jìn)口及出口。所述傳熱介 質(zhì)可以使用燃料電池排出的熱空氣或者從燃料電池排出的生成水，或者使用 燃料電池循環(huán)冷卻流體。
由于貯氫材料裝在貯氫瓶中，在向燃料電池釋放氫氣的過程中為吸熱過 程，而且其釋放氫氣的速度與吸熱的速度有關(guān)，吸熱速度越快釋放氫氣的速 度越快。因此，通過上述技術(shù)方案，利用燃料電池排出的熱空氣或者熱生成 水或者燃料電池循環(huán)冷卻流體加熱來加熱貯氫材料，因此能夠有效利用能 量，氫氣釋放速度快，燃料電池的發(fā)電效率高。
但是，該發(fā)明僅僅涉及從儲氫裝置(貯氫瓶)向燃料電池供應(yīng)氫氣時， 為貯氫材料提供熱量以提高氫氣供應(yīng)速度的問題；而并沒有涉及在向儲氫裝 置中補充氫氣時會釋放大量熱量，從而會增加危險性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種燃料電池儲氫裝置，在從外 界的氫氣源向儲氫裝置中補充氫氣時，能夠有效吸收補充氫氣過程中儲氫裝 置所釋放的熱量，從而避免或者顯著降低補充氫氣過程中的危險性。
本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種燃料電池的儲氫和充氫系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠循環(huán)使用系統(tǒng)本身的能量，有效吸收補充氫氣過程中儲氫裝 置所釋放的熱量，從而避免或者顯著降低補充氫氣過程中的危險性，同時還
能夠提高由外界的氫氣源向儲氫裝置補充氫氣的速度。
本發(fā)明的一方面提供一種燃料電池儲氫裝置，該儲氫裝置包括儲氫容 器，該儲氫容器具有氫氣出口和氫氣入口，該儲氫裝置還包括設(shè)置在儲氫容 器外圍的傳熱通道，該傳熱通道具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口。
在本發(fā)明的這種儲氫裝置中，在通過外界的氫氣源向儲氫裝置中補充氫 氣的過程中，通過設(shè)置在儲存裝置外圍的傳熱通道中流動的冷卻介質(zhì)，能夠 有效吸收儲氫裝置釋放的熱量，從而提高了向儲氫裝置中補充氫氣的安全 性。
本發(fā)明另一方面提供一種燃料電池的儲氫和充氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了包括 上述的儲氫裝置之外，還包括充氫裝置，該充氫裝置包括兩端分別與所述冷 卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口連通的冷卻介質(zhì)管路，設(shè)置在該冷卻介質(zhì)管路上 的驅(qū)動裝置，以及兩端分別與所述氫氣入口和外界的氫氣源連通的充氫管 路。
在本發(fā)明的儲氫和充氫系統(tǒng)中，在由外界的氫氣源向儲氫裝置補充氫氣 的過程中，氫氣在從高壓氫氣源經(jīng)過充氫管路補充到儲氫裝置中時，為氣體 釋放過程，氫氣源釋放氫氣端會吸收熱量。與此同時，從傳熱通道循環(huán)流回 到冷卻介質(zhì)管路中的冷卻介質(zhì)由于吸收了儲氫裝置散發(fā)的熱量而溫度升高。 因此，在充氫裝置中，熱量可以從冷卻介質(zhì)管路轉(zhuǎn)移到氫氣源，從而可以有 效利用系統(tǒng)本身的能量，提高整個系統(tǒng)的效率。


圖1是本發(fā)明的燃料電池儲氫裝置的一種典型實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明儲氫裝置的一種優(yōu)選實施例的截面示意圖。
圖3是本發(fā)明燃料電池儲氫和充氫系統(tǒng)的一種典型實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明燃料電池儲氫和充氫系統(tǒng)中的一種冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明燃料電池儲氫和充氫系統(tǒng)中的另一種冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的典型實施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明的燃料電池儲氫裝置10的一種典型實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，本發(fā)明的燃料電池儲氫裝置10主要包括儲氫容器11和設(shè) 置在儲氫容器11外圍的傳熱通道12。
儲氫容器11 一般為儲氫高壓鋼瓶或金屬氫化物儲氫合金容器，具有氫 氣入口 16和氫氣出口 13。儲氫容器ll中的氫氣通過氫氣出口 13被源源不 斷地輸送到與之連接在一起的燃料電池1中，以便燃料電池1能夠持續(xù)發(fā)電。 當(dāng)儲氫容器11中的氫氣使用一段時間之后而需要補充時，則可以通過氫氣 入口 16，從外界的氫氣補充裝置或者氫氣源補充氫氣。
傳熱通道12設(shè)置在儲氫容器11的外圍，并具有冷卻介質(zhì)入口 14和冷 卻介質(zhì)出口 15。在需要對儲氫容器11進(jìn)行冷卻時，冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)入 口 14進(jìn)入到傳熱通道12中，然后從冷卻介質(zhì)出口 15排出，使得冷卻介質(zhì) 在傳熱通道12中循環(huán)流動，從而有效冷卻儲氫容器ll。
如本發(fā)明的背景技術(shù)部分所述，CN 1472836A也公開了一種貯氫裝置， 其中也是在貯氫材料瓶外圍設(shè)置傳熱通道，但是該傳熱通道具有傳熱介質(zhì)進(jìn) 口和出口，在使用過程中是將傳熱介質(zhì)在傳熱通道中循環(huán)流動，從而對貯氫 材料瓶進(jìn)行加熱，以便貯氫材料瓶中的氫氣能夠更快速地供應(yīng)給燃料電池， 從而提高燃料電池的發(fā)電效率。該發(fā)明并未涉及從外界的氫氣源向貯氫材料
瓶中補充氫氣，更沒有考慮到在補充氫氣的過程中貯氫材料瓶會散發(fā)出大量 熱量的問題。因此，該發(fā)明與本發(fā)明要解決的技術(shù)問題截然不同，所以采用 的技術(shù)方案也并不相同。
在本發(fā)明中，傳熱通道12可以采用本領(lǐng)域的各種結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)?氫容器ll進(jìn)行有效冷卻即可。
圖2是本發(fā)明儲氫裝置10的一種優(yōu)選實施例的截面示意圖。如圖所示, 在傳熱通道12中設(shè)置有多個環(huán)形的冷卻介質(zhì)流道12a、 12b、 12c，從而增加 冷卻介質(zhì)與儲氫容器11的熱交換效率，在需要時有效降低儲氫容器11的溫 度。
圖3是本發(fā)明燃料電池儲氫和充氫系統(tǒng)的一種典型實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖3所示，在本發(fā)明的儲氫和充氫系統(tǒng)中，除了包括上述的儲氫裝置 IO之外，還主要包括了充氫裝置20。該充氫裝置20主要包括冷卻介質(zhì)管路 21，設(shè)置在冷卻介質(zhì)管路21上的驅(qū)動裝置如增壓泵22，以及充氫管路23。 充氫管路23在使用時連接在氫氣入口 16與外界的氫氣源之間。冷卻介質(zhì)管 路21的兩端分別連接傳熱通道12的冷卻介質(zhì)入口 14和冷卻介質(zhì)出口 15。 驅(qū)動裝置22 (后面稱之為增壓泵)設(shè)置在冷卻介質(zhì)管路21上，用于驅(qū)動冷 卻介質(zhì)進(jìn)入到傳熱通道12中，并在傳熱通道12以及冷卻介質(zhì)管路21中循 環(huán)流動。充氫管路23連接在儲氫容器11的充氫入口 16與外界的氫氣源之 間，用于將氫氣源中的氫氣通過氫氣源中的高壓而補充到儲氫容器ll中。
當(dāng)從氫氣源將氫氣補充到儲氫容器11中時，由于壓縮氣體做功或儲氫 過程的放熱反應(yīng)，為了避免儲氫容器11在充氫過程中由于高溫而爆裂，減 少充氫過程中的不安定因素，同時為了提高充氫速度，啟動增壓泵22驅(qū)動 冷卻介質(zhì)在傳熱通道12中循環(huán)以吸收儲氫容器11散發(fā)的熱量，之后冷卻介 質(zhì)將從冷卻介質(zhì)出口 15返回到冷卻介質(zhì)管路21中。為了降低冷卻介質(zhì)管路 21中的冷卻介質(zhì)的溫度，優(yōu)選在冷卻介質(zhì)管路21上還設(shè)置有冷卻裝置24。 該冷卻裝置24可以采用本領(lǐng)域的各種冷卻裝置，只要能有效降低冷卻介質(zhì) 管路21中的冷卻介質(zhì)的溫度即可。例如，冷卻裝置24可以簡單地使用風(fēng)冷 裝置例如風(fēng)扇。
如圖4所示，將冷卻介質(zhì)管路21的一段可以設(shè)計成蛇形管路，通過冷 卻裝置(風(fēng)扇)24吹掃該蛇形管路的表面，將管路中冷卻介質(zhì)的熱量傳遞到 空氣中，從而降低冷卻介質(zhì)的溫度。蛇形管路通過進(jìn)出口 21a、 21b連接到 冷卻介質(zhì)流通回路上，通過冷卻介質(zhì)的循環(huán)，將儲氫容器11的熱量傳遞到
空氣中。
另外，在氫氣通過充氫管路23從氫氣源補充到儲氫容器11的過程中， 氫氣從高壓環(huán)境釋放到低壓環(huán)境，為氣體釋放過程，氫氣源端吸收熱量，因 此，冷卻裝置24可采用延伸到氫氣源端的熱交換管路，利用氫氣源端釋放 氫氣時所要吸收的熱量來對冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。
如圖5所示，冷卻裝置24可以是設(shè)置在氫氣源外圍的熱交換管路，其 管路的進(jìn)出口分別連通冷卻介質(zhì)管路21，使得冷卻介質(zhì)流通。冷卻裝置24 通過緊密接觸或其他熱交換方式將其管路中冷卻介質(zhì)的熱量傳遞到氫氣源， 以滿足氫氣源在釋放氫氣時所要吸收的熱量。也就是說， 一方面，冷卻介質(zhì) 管路21中的冷卻介質(zhì)由于氫氣源吸收熱量而溫度降低，從而循環(huán)流入到傳 熱通道12中之后能有效降低儲氫容器11的溫度；另一方面，氫氣源從冷卻 介質(zhì)管路21中的冷卻介質(zhì)中吸收熱量以釋放氫氣，從而實現(xiàn)能量的平衡使 用，進(jìn)而在保持儲氫容器ll在安全溫度的情況下，提高了氫氣補充的速度。
因此，通過本發(fā)明的儲氫和充氫系統(tǒng)，不僅可以加快為儲氫容器11充 氫的速度，提高充氫效率，還可以循環(huán)使用能量，提高整個系統(tǒng)的能量利用 效率。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池儲氫裝置(10)，該儲氫裝置(10)包括儲氫容器(11)，該儲氫容器(11)具有氫氣出口(13)和氫氣入口(16)，其特征在于，該儲氫裝置(10)還包括設(shè)置在儲氫容器(11)外圍的傳熱通道(12)，該傳熱通道(12)具有冷卻介質(zhì)入口(14)和冷卻介質(zhì)出口(15)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲氫裝置，其中，所述傳熱通道(12)內(nèi)具 有多個環(huán)形的冷卻介質(zhì)流道(12a、 12b、 12c)。
3、 一種燃料電池的儲氫和充氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括儲氫裝置(10)和充 氫裝置(20)，其特征在于，所述儲氫裝置(10)包括儲氫容器(11)，該儲 氫容器(ii)具有氫氣出口 (13)和氫氣入口 (16)，該儲氫裝置(10)還 包括設(shè)置在儲氫容器(11)外圍的傳熱通道(12)，該傳熱通道(12)具有 冷卻介質(zhì)入口 (14)和冷卻介質(zhì)出口 (15);所述充氫裝置(20)包括兩端 分別與所述冷卻介質(zhì)入口 (14)和冷卻介質(zhì)出口 (15)連通的冷卻介質(zhì)管路(21)，設(shè)置在該冷卻介質(zhì)管路(21)上的驅(qū)動裝置(22)，以及兩端分別與 所述氫氣入口 (16)和外界的氫氣源連通的充氫管路(23)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的儲氫和充氫系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動裝置(22)是增壓泵。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的儲氫和充氫系統(tǒng)，其中，所述冷卻介質(zhì)管路 (21)還包括冷卻裝置(24)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的儲氫和充氫系統(tǒng)，其中，所述冷卻介質(zhì)管路 (21)的一部分設(shè)計成蛇形管路，所述冷卻裝置(24)是設(shè)置在該蛇形管路 附近的風(fēng)扇。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的儲氫和充氫系統(tǒng)，其中，所述冷卻裝置(24) 是設(shè)置在氫氣源外圍的熱交換管路，該熱交換管路的進(jìn)出口分別連通冷卻介 質(zhì)管路(21)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池儲氫裝置，該儲氫裝置包括儲氫容器，該儲氫容器具有氫氣出口和氫氣入口，該儲氫裝置還包括設(shè)置在儲氫容器外圍的傳熱通道，該傳熱通道具有冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口。本發(fā)明還提供一種燃料電池的儲氫和充氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了包括上述的儲氫裝置之外，還包括充氫裝置，該充氫裝置包括兩端分別與所述冷卻介質(zhì)入口和冷卻介質(zhì)出口連通的冷卻介質(zhì)管路，設(shè)置在該冷卻介質(zhì)管路上的驅(qū)動裝置，以及兩端分別與所述氫氣入口和外界的氫氣源連通的充氫管路。在本發(fā)明的儲氫和充氫系統(tǒng)中，可以有效利用系統(tǒng)本身的能量，提高整個系統(tǒng)的效率。
文檔編號H01M8/04GK101162782SQ20061014021
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者振 張, 董俊卿, 趙志強(qiáng) 申請人:比亞迪股份有限公司