CN118039963A - 阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，包括风冷式氢燃料电池、冷凝器、混合腔、微型水箱、液滴拦截装置、固态氢化物水解反应器以及控制系统；风冷式氢燃料电池的阴极出口经冷凝器与液滴拦截装置相连，液滴拦截装置的气路出口与混合腔相连通，混合腔与风冷式氢燃料电池相连通；液滴拦截装置的水路出口经微型水箱、固态氢化物水解反应器与风冷式氢燃料电池相连通；混合腔上开设新风入口；冷凝器与控制系统相连。本发明中阴极半封闭循环回路的设计，冷凝回收了氢燃料电池氢氧反应生成的水，有效降低了系统所需携带的储备水量，改善了电池内部环境湿度，提高了电池电化学性能，满足移动便携式氢燃料电池系统的高标准要求。
Description
技术领域
本发明属于固态氢化物在线制氢、高能量密度移动便携式氢燃料电池技术领域，具体涉及一种阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统。
背景技术
氢能，因其零碳排放、高热值、灵活变电、易获取等多方面优势，在中国未来能源结构中处于战略性地位，其产业发展受到越来越多的关注，以氢交通领域为应用场景代表的移动便携式氢燃料电池系统，将是氢能产业发展的“先导性应用”(於晨,葛磊,王海旭.中国氢能产业展望[M].波士顿咨询公司,2023)。
移动便携式氢燃料电池系统的主要挑战在于如何在有限空间内和允许载荷下实现高安全、重负载、长续航、快补充的综合性能目标。现如今，依据不同的储氢方式，包括高压气态储氢、深冷液态储氢、深冷高压超临界储氢、固态储氢和有机液体储氢，设计了多种氢燃料电池系统，其中，固态储氢配合固态氢化物水解反应释氢的方式具备应用在移动便携式氢燃料电池系统的潜力。常温常压的固态储氢保证了储氢过程的高安全性，常温常压固态氢化物水解反应释氢保证了释氢过程的高安全性；同时，固态氢化物水解反应过程中不存在高额寄生能耗(如维持高温反应环境等)，而且水提供的额外氢离子增大了释氢总量，进一步提高了系统有效氢容量，从而满足重负载、长续航的性能需求；另外，通过更换储氢材料的方式可以实现系统能量的快速补充，方便快捷。因此，基于固态储氢配合固态氢化物在线水解反应释氢的储供氢方式的移动便携式氢燃料电池系统具备应用潜力。
受限于固态氢化物材料本身的反应动力、传热传质等特性，系统往往需要储备并提供相对过量的水来保证水解反应稳定持续的进行，从而在一定程度上削弱了该氢燃料电池系统高能量密度的优势，如何在保证释氢速率、满足供能需求的前提下，减少氢燃料电池系统携带的储备水成为其转化为实际先进应用成果的主要技术问题。
此外，氢燃料电池的冷却方式分为水冷式和风冷式。相较于水冷式，风冷式不需要额外的冷却回路和冷却介质储罐等独立辅助装置，仅需通过增大阴极送风流量来同时实现供氧和换热功能，因此风冷式氢燃料电池系统相对更加紧凑，更加适用于移动应用场景。但由于传统风冷式氢燃料电池过量的干燥阴极送风，导致电池内部环境湿度急剧降低，使得电池运行状态远偏离于最佳状态，电池能量转换效率显著降低。因此，在维持风冷式氢燃料电池系统紧凑性的优势前提下，如何改善电池内部环境湿度，提高电池的电化学性能同样也是急需解决的技术难题。
发明内容
为解决现有以固态氢化物在线水解制氢为氢源的风冷式氢燃料电池系统中水分储备需求过大、电池内部环境湿度低的问题，本发明的目的是提供一种阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，该电池系统避免了系统过多的水分损失，实现风冷式氢燃料电池发电产水的高比例回收，并且保证电池内部环境湿度，提高了电池的电化学性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，包括风冷式氢燃料电池、冷凝器、混合腔、微型水箱、液滴拦截装置与固态氢化物水解反应器以及控制系统；
风冷式氢燃料电池的阴极出口经冷凝器与液滴拦截装置相连，液滴拦截装置的气路出口与混合腔相连通，混合腔与风冷式氢燃料电池的阴极入口相连通；
液滴拦截装置的水路出口经微型水箱、固态氢化物水解反应器与风冷式氢燃料电池的阳极入口相连通；
混合腔上开设有新风入口；
冷凝器与控制系统相连。
进一步的，风冷式氢燃料电池包括单电池组件；单电池组件一侧上部设置阳极出口，下部设置阳极入口；另一侧上部设置阴极入口，下部设置阴极出口；阴极出口处设置有温度传感器；阳极出口处设置有电磁阀；
风冷式氢燃料电池阳极入口与固态氢化物水解反应器相连，阴极入口与混合腔相连，阴极出口与冷凝器相连，温度传感器和电磁阀与控制系统相连。
进一步的，冷凝器内设置有主动式换热装置，主动式换热装置与控制系统相连。
进一步的，冷凝器内表面涂覆有疏水涂层。
进一步的，混合腔包括腔体，循环气体出口，新风入口以及循环气体入口；
腔体顶部设有循环气体出口，腔体底部设有循环气体入口，新风入口开设在腔体侧壁上；
循环气体入口与液滴拦截装置相连，循环气体出口与风冷式氢燃料电池的阴极入口之间设置有循环风机，循环风机与控制系统相连；新风入口处设置有新风风机，新风风机与控制系统相连。
进一步的，液滴拦截装置包括外壳，外壳内设置拦截组件，外壳顶部设置气体入口，外壳侧壁上设置气路出口，外壳底部设置水路出口；
气体入口与冷凝器相连，气路出口与混合腔相连，水路出口与微型水箱相连。
进一步的，还包括三通阀门，气路出口与三通阀门的入口相连，三通阀门的第一出口与背压阀相连，三通阀门的第二出口与混合腔相连；
拦截组件表面呈亲水特性。
进一步的，固态氢化物水解反应器包括供氢管路，缓冲空间，压力探针，反应器壳体，轻质元素氢化物材料床层以及进水管路；
反应器壳体顶部设置供氢管路，反应器壳体底部设置进水管路，反应器壳体内下半部分空间填充轻质元素氢化物材料床层，上半部分空间为缓冲空间，进水管路伸入轻质元素氢化物材料床层中，缓冲空间侧壁上设置有压力探针；
进水管路与微型水箱相连，供氢管路与的阳极入口相连，压力探针与控制系统相连。
进一步的，进水管路与微型水箱之间设置有单向阀和蠕动泵，蠕动泵与控制系统相连，供氢管路经减压阀与阳极入口相连。
进一步的，轻质元素氢化物材料床层的轻质元素氢化物材料为硼氢化钠、硼氢化锂、铝氢化钠、铝氢化锂、氨硼烷或氢化镁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，通过设置风冷式氢燃料电池，风冷式氢燃料电池从阴极出口流出的含阴极尾气的循环气体，流入至冷凝器中进行水分冷凝，冷凝后得到携带水液滴的循环气体，携带水液滴的循环气体经液滴拦截装置实现气液分离，其中分离出的水液滴经液滴拦截装置下壁的水路出口收集在微型水箱中，分离后的循环气体为干燥的循环气体，干燥的循环气体经气路出口流向下游，其中小部分排出系统，大部分在混合腔中与通过新风入口吹入的新鲜空气混合，混合后的循环气体为含新风的循环气体，含新风的循环气体经阴极入口流回至风冷式氢燃料电池阴极，形成阴极半封闭气体循环流动回路；本发明中，风冷式氢燃料电池阳极设置为阳极出口周期性封闭/吹扫运行模式，固态氢化物水解反应器中固态氢化物水解反应释放的氢气经阳极入口通入风冷式氢燃料电池阳极。干燥的循环气体中大部分流入下游混合腔，与输入的新鲜空气混合，含新风的循环气体流回风冷式氢燃料电池阴极入口，实现了阴极气体的半封闭循环流动，通过控制系统控制新风的流量，新鲜空气的输入保证了风冷式氢燃料电池阴极氧气消耗供给。阴极出口处高温高湿的含阴极尾气的循环气体，携带风冷式氢燃料电池氢氧反应产生的水进入冷凝器，绝大部分水冷凝为液态水，小部分水仍为气态水，冷凝后的携带水液滴的循环气体经液滴拦截装置完成气液分离，其中液态水被拦截，收集至微型水箱中；气液分离后的干燥的循环气体，其中小部分排出系统，仅携带少量水蒸气，避免了系统过多的水分损失，实现风冷式氢燃料电池发电产水的高比例回收。
进一步的，阳极出口由电磁阀控制，能够执行长周期的阳极封闭指令和短时间的尾气吹扫指令。
进一步的，阴极半封闭气体循环流动回路中循环气体与外界环境气体交换，仅包含经背压阀的小部分干燥的循环气体排出和经新风风机的新鲜空气输入，其流量近似相等，且远小于阴极半封闭气体循环流动回路中循环气体的流量，因此系统与外界环境的气体交换仅对阴极高湿的环境产生微小的影响，高湿环境的维持改善了风冷式氢燃料电池的工作环境，提高了氢电转化的能量转化效率。
进一步的，阳极出口处设置电磁阀，可以采用阳极出口周期性封闭/吹扫运行模式，当阳极出口封闭时，保证了输入风冷式氢燃料电池阳极内氢气得到充分利用，当阳极出口吹扫时，实现了风冷式氢燃料电池阳极内尾气吹扫和气体氛围更新，在保证了阳极气体氛围中氢气含量足够的前提下，提高了氢气利用率，降低了氢气即储氢材料的携带需求。
进一步的，冷凝器内壁涂覆的疏水涂层能够促使水蒸气的冷凝过程始终保持为滴状冷凝，增大了冷凝器的冷凝效率，利于水液滴从冷凝器内壁的快速脱落，相同冷凝需求前提下，降低了冷凝器规格要求，减轻了系统体积和重量。
进一步的，液滴拦截装置材料表面性质具备亲水特性，便于吸引并拦截携带水液滴的循环气体中的微型水液滴，同时，均匀的涂覆降低了水液滴在器件表面的滚动接触角，利于水液滴低阻力、快速滚动，自动快速流入微型水箱，提高水分回收率。
进一步的，固态氢化物水解反应器内部空间上半部分为气体缓冲区，便于轻质元素氢化物材料水解释氢后氢气的排出；固态氢化物水解反应器下壁设置的进水管路伸入轻质元素氢化物材料床层，减小轻质元素氢化物材料床层内径向的供水差异，促进材料水解放氢反应的均匀进行。
进一步的，经背压阀排出系统的小部分干燥的循环气体，与经新风风机输入的新鲜空气，其流量近似相等，保证阴极半封闭气体循环流动回路气体压力的稳定性。
进一步的，固态氢化物水解反应器供氢管路与风冷式氢燃料电池阳极入口之间减压阀的设置，保证了风冷式氢燃料电池阳极内部环境气体压力的稳定。
进一步的，蠕动泵与固态氢化物水解反应器之间设置有单向阀，用于防止固态氢化物水解反应器内部氢气压力过大导致的水倒流和材料泄露。
进一步的，风冷式氢燃料电池阴极出口设置有温度传感器，监测并反馈阴极出口气体温度的变化，阴极气体循环流动的动力由循环风机提供，在系统产热功率发生变化时，同步调节循环风机运行流量，维持系统热平衡，保障系统的安全运行；固态氢化物水解反应器侧壁设置有氢气压力测点，利用反应器内氢气压力的变化调节蠕动泵，控制反应器的进水流量，从而保证反应器内水解放氢反应速率和氢气压力的稳定。
附图说明
图1为本发明的一种阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统结构图；
图2为本发明的风冷式氢燃料电池结构示意图；
图3为本发明的混合腔结构示意图；
图4为本发明的液滴拦截装置结构示意图；
图5为本发明的固态氢化物水解反应器结构示意图。
图中，1为风冷式氢燃料电池、101为单电池组件，102为阳极出口，103为阳极入口，104为阴极入口，105为温度传感器，106为阴极出口，2为循环风机，3为冷凝器，4为混合腔，401为腔体，402为循环气体出口，403为新风入口，404为循环气体入口，5为新风风机，6为微型水箱，7为蠕动泵，8为液滴拦截装置，801为拦截组件，802为气体入口，803为气路出口，804为水路出口，9为固态氢化物水解反应器，901为供氢管路，902为气体缓冲区，903为压力探针，904为反应器壳体，905为轻质元素氢化物材料床层，906为进水管路，10为控制系统，A为电磁阀，B为减压阀，C为背压阀，D为单向阀，A'为三通阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明公开了一种阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，包括风冷式氢燃料电池1、循环风机2、冷凝器3、混合腔4、新风风机5、微型水箱6、蠕动泵7、液滴拦截装置8、固态氢化物水解反应器9以及控制系统10。
参见图2，风冷式氢燃料电池1包括单电池组件101，阳极出口102，阳极入口103，阴极入口104、温度传感器105以及阴极出口106；单电池组件101一侧上部设置阳极出口102，下部设置阳极入口103；另一侧上部设置阴极入口104，下部设置阴极出口106。阴极出口106处设置有温度传感器。
参见图1，风冷式氢燃料电池阳极出口102与电池阀A相连，风冷式氢燃料电池阳极入口103与减压阀B相连，减压阀B与固态氢化物水解反应器9的供氢管路901相连，固态氢化物水解反应器9的进水管路906与单向阀D相连，单向阀D与蠕动泵7相连，蠕动泵7与微型水箱6的出口相连。
冷凝器3内表面涂覆有疏水涂层，材料表面呈现疏水特性。
参见图4，液滴拦截装置8包括外壳，外壳内设置拦截组件801，外壳顶部设置气体入口802，外壳侧壁上设置气路出口803，外壳底部设置水路出口804。
拦截组件为丝网除沫器，用于拦截液滴。拦截组件经亲水涂料浸泡，材料表面呈现亲水特性。
参见图5，固态氢化物水解反应器9包括供氢管路901，缓冲空间902，压力探针903，反应器壳体904，轻质元素氢化物材料床层905以及进水管路906；
反应器壳体904顶部设有供氢管路901，反应器壳体904底部设有进水管路906，反应器壳体904内下半部分空间填充轻质元素氢化物材料床层905，上半部分空间为缓冲空间902，进水管路906伸入轻质元素氢化物材料床层905，缓冲空间902侧壁上设置有压力探针903。
轻质元素氢化物材料床层905的轻质元素氢化物材料为硼氢化钠、硼氢化锂、铝氢化钠、铝氢化锂、氨硼烷或氢化镁等可水解氢化物。
参见图3，混合腔4包括腔体401，循环气体出口402，新风入口403以及循环气体入口404；腔体401顶部设有循环气体出口402，腔体401侧壁上设有新风入口403，腔体401底部设有循环气体入口404。
参见图1，风冷式氢燃料电池1的阴极出口106与冷凝器3的入口相连，冷凝器3的出口与液滴拦截装置8的气体入口802相连，液滴拦截装置8的水路出口804与微型水箱6的入口相连，微型水箱6的出口与蠕动泵7入口相连，蠕动泵7出口经单向阀D与固态氢化物水解反应器9的进水管路906相连，固态氢化物水解反应器9的供氢管路901经减压阀B与风冷式氢燃料电池1的阳极入口103相连。液滴拦截装置8的气路出口803与三通阀门A'的入口相连，三通阀门A'的第一出口与背压阀C相连，三通阀门A'的第二出口与混合腔4的循环气体入口404相连，新风风机5与混合腔4的新风入口403相连，混合腔4的循环出口401与循环风机2相连，循环风机2与风冷式氢燃料电池1的阴极入口104相连。
冷凝器3内设置主动式换热装置。循环风机2、新风风机5、蠕动泵7、电磁阀A以及冷凝器3中主动式换热装置与控制系统10相连，循环风机2、新风风机5、蠕动泵7的流量大小，电磁阀A的开闭以及冷凝器3中主动式换热装置的运行功率受控于控制系统10。
所述阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统的基本工作原理为：微型水箱6储存的水在蠕动泵7的作用下，经单向阀D，通过进水管路906输送至固态氢化物水解反应器9中，与轻质元素氢化物材料床层905发生固态氢化物水解制氢反应，释放的氢气暂存至缓冲空间902中，通过供氢管路901，经减压阀B、阳极入口103输送至风冷式氢燃料电池1阳极，参与电池内氢氧反应发电，风冷式氢燃料电池阳极出口处设置有电磁阀A，反应后的阳极尾气通过阳极出口102经电磁阀A周期性封闭或吹扫排出系统；含阴极尾气的循环气体经阴极出口106流入冷凝器3，经冷凝后的含阴极尾气的循环气体称为携带水液滴的循环气体，携带水液滴的循环气体通过入口802进入液滴拦截装置8，实现气液分离，其中，被拦截的水液滴通过水路出口804流入微型水箱6作为储备水，供固态氢化物水解反应消耗，经气液分离后的携带水液滴的循环气体称为干燥的循环气体，干燥的循环气体通过气路出口803，经三通阀门A'，小部分循环气体通过三通阀门A'的第一出口，经背压阀C排入大气环境，大部分循环通过三通阀门A'的第二出口，经循环气体入口404流入混合腔4，与新风风机5经新风入口403输入混合腔4的新鲜空气混合，经混合后的干燥的循环气体称为含新风的循环气体，含新风的循环气体在循环风机2的作用下，流回风冷式氢燃料电池1阴极，参与电池内氢氧反应发电。
所述阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统的基本控制原理为：固态氢化物水解反应器9中设置的压力探针903实时监测缓冲空间902的氢气压力并反馈压力电信号至控制系统10，当氢气压力偏离设定值时，通过调节蠕动泵7的输水流量，控制固态氢化物水解反应器9的进水速率，从而调节轻质元素氢化物材料床层905水解反应速率，保持固态氢化物水解反应器9供氢速率与风冷式氢燃料电池1耗氢速率的近似一致，维持固态氢化物水解反应器9的气体缓冲区902和风冷式氢燃料电池1阳极内部氢气压力的稳定性；设定风冷式氢燃料电池1的阳极出口102的封闭周期和频率，通过控制系统10向电磁阀A下达封闭和吹扫指令，实现风冷式氢燃料电池1的阳极出口102的周期性封闭/吹扫，保证阳极内氢气的高效利用和气体氛围的更新；设定新风风机5的额定运行流量，通过风冷式氢燃料电池1的阴极出口106处温度传感器105实时监测和反馈的温度电信号给控制系统10，控制系统10自动调节循环风机2的运行流量，同时调节冷凝器3中安装的主动式换热装置的运行功率，保证系统运行温度的稳定性。
下面为一个实施例。
向某一用能装置提供动力。假设该系统中组成风冷式氢燃料电池1的单电池数目为16，风冷式氢燃料电池1额定输出功率为200W，输出电压为12V，能量转换效率50％，稳定运行温度65℃；控制系统10及其被控部件，包括循环风机2，冷凝器3，新风风机5，蠕动泵7以及电磁阀A，总功率消耗约为30W；大气环境气体温度25℃，湿度忽略不计，气体密度1.205kg/m3，比热容1.005kJ/(kg K)。
系统开机启动时：打开连接有系统内各用能装置的内电路总开关，风冷式氢燃料电池1阳极内、固态氢化物水解反应器9缓冲空间902内残余的氢气，与阴极内空气中的氧气发生反应，产生30W电能，保证系统内控制系统及其部件的正常启动和按设置稳定运行，实现系统的自检和初始化；风冷式氢燃料电池1发电功率30W，电压12V，则电流2.5A，其中阳极耗氢速率、阴极耗氧速率以及电池产水速率由公式(1)计算：
其中为阳极耗氢速率，I为电流，N为单电池数目，/>为氢的相对分子质量，F为法拉第常数，其值大小等于96500C/mol，/>为阴极耗氧速率，/>为氧的相对分子质量，为电池产水速率，/>为水的相对分子质量。经计算可得，阳极耗氢速率、阴极耗氧速率以及电池产水速率分别为0.0004145g/s，0.003316g/s，和0.003731g/s。
风冷式氢燃料电池1的能量转换效率为50％，则其电池产热功率同为30W，假设循环气体经冷凝器冷凝后，气体温度可降至环境温度25℃，则阴极出口106与阴极进口104气体温差为40℃，循环风机2的运行流量由公式(2)计算：
其中，为循环风机的运行流量，Pheat为电池产热功率，cp为循环气体比热容，ΔT为阴极进出口温差。经计算可得，循环风机的运行流量为0.7463g/s。
同时，假设液滴拦截装置9的气液分离性能优异，干燥的循环气体只由干空气和水蒸气组成，认为冷凝、气液分离后的干燥的循环气体的湿度为对应温度下的饱和湿度，则含湿量为20.08g/kga，水蒸气流量为0.01499g/s；新风风机5的额定运行流量与干燥的循环气体经背压阀C排出的流量相同，设为风冷式氢燃料电池1阴极耗氧速率对应的空气消耗速率的2倍，由公式(3)计算：
其中，为新风风机的额定运行流量，经计算可得新风风机的额定运行流量为0.03158g/s。
干燥的循环气体与大气环境的湿度差异导致含新风的循环气体含湿量降低，其水蒸气流量降低至为0.01436g/s，含湿量降低至19.23g/kga；含新风的循环气体经风冷式氢燃料电池1氢氧反应产水增湿，则含阴极尾气的循环气体中水蒸气流量提高至0.01809g/s，忽略氧气消耗对干空气质量变化的影响，则含湿量提高至24.24g/kga；根据含阴极尾气的循环气体与干燥的循环气体中水蒸气流量的差异，可知水蒸气冷凝速率为0.0031g/s，水回收率由公式(4)计算：
其中，η为水回收率，为水蒸气冷凝速率。经计算可得，水回收率为83.09％，说明在系统开机启动阶段，该阴极半封闭循环水分回收运行模式具备优异的水分回收性能。
系统向外供能时：打开连接有系统外各用能装置的外电路总开关，向外界供能，风冷式氢燃料电池1输出功率阶跃激增至额定功率200W，电压保持12V不变，则电流增大为1.67A，增大的阳极耗氢速率、阴极耗氧速率以及电池产水速率由公式(1)计算，增大的阳极耗氢速率、阴极耗氧速率以及电池产水速率分别为0.002763g/s，0.02211g/s以及0.02487g/s；随着氢气的消耗增大，压力探针903监测并向控制系统10反馈固态氢化物水解反应器9缓冲空间902氢气压力降低的电信号，控制系统10输出电信号作用于蠕动泵7，增大进水流量，从而提高轻质元素氢化物材料床层905的放氢速率，满足风冷式氢燃料电池1的耗氢要求；相应的，新风风机5的额定运行流量与干燥的循环气体经背压阀C排出的尾气流量增大至0.2105g/s，满足风冷式氢燃料电池1的耗氧要求；同时，认为风冷式氢燃料电池1的能量转换效率仍为50％，随着输出功率增大至200W，电池自身产热相应地增加至200W，阴极出口106处的含阴极尾气的循环气体温度首先增大，温度传感器105向控制系统10反馈风冷式氢燃料电池1阴极出口106气体温度上升的电信号，控制系统10输出电信号作用于循环风机2，增大循环气体运行流量，由公式(2)计算，循环风机2运行流量增大至4.975g/s，同时控制系统10调整冷凝器3中主动式换热装置的运行功率，保证风冷式氢燃料电池1阴极出口106和冷凝后的携带水液滴的循环气体温度不变；同样地，冷凝、气液分离后的干燥的循环气体的湿度仍为对应温度下的饱和湿度，即20.08g/kga，则水蒸气质量流量为0.09990g/s；干燥的循环气体与新风混合后，含新风的循环气体含湿量为19.23g/kga，水蒸气流量为0.09567g/s；忽略氧气消耗对循环气体中干空气质量变化带来的影响，经风冷式氢燃料电池1氢氧反应产水增湿的含阴极尾气的循环气体，含湿量为24.31g/kga，水蒸气质量流量为0.1205g/s，则水蒸气冷凝速率为0.0206g/s，水回收率由公式(4)计算，水回收率为82.83％，说明在系统向外供能时，该阴极半封闭循环水分回收运行模式同样具备优异的水分回收性能。
以NaBH4为轻质元素氢化物材料为例，计算实现水分高效回收功能后，系统所需携带的储备水总量，NaBH4水解反应释氢反应式如下：
NaBH4(s)+(2+n+x)H2O(l)→NaBO2·nH2O(l)+4H2(g)+xH2O (5)
其中，n为生成水合物所消耗的额外水的份额，x为推进反应稳定持续进行所必须的额外水的份额；假设x等于2，且当反应温度低于53.6℃时，n等于4，则维持NaBH4稳定水解反应释氢所需要的水的总份量2+n+x等于8，不含其他器件的NaBH4床层质量能量密度为4.4wt％。
由反应式(6)可知，
2H2(g)+O2(g)→2H2O(g) (6)
风冷式氢燃料电池氢氧反应产水摩尔量等于NaBH4水解反应氢气释放摩尔量，水分回收率设为80％，则实际系统所需携带储备水的总份量为4.8，仅为传统状况下的60％，质量能量密度提升至6.4wt％。
以阳极出口周期性封闭/吹扫运行模式的200s封闭周期和1s吹扫周期为例，计算相同负载条件下，该模式与阳极出口全开放运行模式下的氢化物消耗总量。风冷式氢燃料电池单电池数目为32个，总输出功率为1000W，输出电压为24V，输出电流为41.67A，则阳极耗氢速率由公式(1)计算，阳极耗氢速率为0.01382g/s。由于在阳极出口全开放运行模式下，一部分输入的氢气未参与反应，造成氢气的浪费，因此可假设阳极出口全开放运行模式下阳极氢气利用率约为80％，而在阳极出口周期性封闭/吹扫运行模式下，封闭期间输入阳极的氢气全部被用于氢氧反应，即利用率为100％，仅在吹扫期间利用率近似视为80％。计算可知，在阳极出口全开放模式下，氢气所需输入量为3.472g，而在阳极出口封闭/吹扫运行模式下，氢气所需输入量为2.781g，减少氢气消耗量约20％。
本发明中，固态氢化物在线水解反应释氢，输入氢燃料电池阳极，阳极出口周期性封闭/吹扫；氢燃料电池阴极尾气由循环气体带出，在循环回路中，经冷凝、气液分离、尾气排放以及新风输入，完成电池产水的冷凝、收集以及气体氛围的更新；使用硼氢化钠等轻质元素氢化物作为系统储氢材料，通过固态氢化物可控水解反应，实现在线按需释氢；通过回收氢燃料电池氢氧反应产水，有效降低了系统所需携带的储备水量；同时，循环回路的设计改善了电池内部环境湿度，提高电池电化学性能；创新性地设计并采用了风冷式氢燃料电池阴极半封闭循环水分回收运行模式，通过引入紧凑型冷凝器、液滴拦截装置，构建半封闭型的阴极气流流动回路，在保证系统耗氧需求和维持系统热平衡的前提下，实现了水分的高效回收再利用，降低了水分携带储备需求，极大地减小了水箱体积和系统总重量，提高了系统氢容量和功率密度；同时采用阳极出口周期性封闭/吹扫运行模式，在保证阳极内氢气含量占比和整体气体氛围健康的前提下，提高了氢气利用率，在相同任务载荷需求条件下，降低了系统所需携带的储氢材料数量，进一步提高了系统的能量密度，，满足移动便携式氢燃料电池系统的高标准要求，对推进移动便携式氢燃料电池系统的落实具有参考借鉴意义。
以上所述仅为本发明的众多实施例之一而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，包括风冷式氢燃料电池(1)、冷凝器(3)、混合腔(4)、微型水箱(6)、液滴拦截装置(8)与固态氢化物水解反应器(9)以及控制系统(10)；
风冷式氢燃料电池(1)的阴极出口(106)经冷凝器(3)与液滴拦截装置(8)相连，液滴拦截装置(8)的气路出口(803)与混合腔(4)相连通，混合腔(4)与风冷式氢燃料电池的阴极入口(104)相连通；
液滴拦截装置(8)的水路出口(804)经微型水箱(6)、固态氢化物水解反应器(9)与风冷式氢燃料电池的阳极入口(103)相连通；
混合腔(4)上开设有新风入口(403)；
冷凝器(3)与控制系统(10)相连。
2.根据权利要求1所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，风冷式氢燃料电池(1)包括单电池组件(101)；单电池组件(101)一侧上部设置阳极出口(102)，下部设置阳极入口(103)；另一侧上部设置阴极入口(104)，下部设置阴极出口(106)；阴极出口(106)处设置有温度传感器(105)；阳极出口(102)处设置有电磁阀；
风冷式氢燃料电池阳极入口(103)与固态氢化物水解反应器(9)相连，阴极入口(104)与混合腔(4)相连，阴极出口(106)与冷凝器(3)相连，温度传感器(105)和电磁阀与控制系统(10)相连。
3.根据权利要求1所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，冷凝器(3)内设置有主动式换热装置，主动式换热装置与控制系统(10)相连。
4.根据权利要求3所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，冷凝器(3)内表面涂覆有疏水涂层。
5.根据权利要求1所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，混合腔(4)包括腔体(401)，循环气体出口(402)，新风入口(403)以及循环气体入口(404)；
腔体(401)顶部设有循环气体出口(402)，腔体(401)底部设有循环气体入口(404)，新风入口(403)开设在腔体(401)侧壁上；
循环气体入口(404)与液滴拦截装置(8)相连，循环气体出口(402)与风冷式氢燃料电池(1)的阴极入口(106)之间设置有循环风机(2)，循环风机(2)与控制系统(10)相连；新风入口(403)处设置有新风风机(5)，新风风机(5)与控制系统(10)相连。
6.根据权利要求1所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，液滴拦截装置(8)包括外壳，外壳内设置拦截组件(801)，外壳顶部设置气体入口(802)，外壳侧壁上设置气路出口(803)，外壳底部设置水路出口(804)；
气体入口(802)与冷凝器(3)相连，气路出口(803)与混合腔(4)相连，水路出口(804)与微型水箱(6)相连。
7.根据权利要求6所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，还包括三通阀门，气路出口(803)与三通阀门的入口相连，三通阀门的第一出口与背压阀相连，三通阀门的第二出口与混合腔(4)相连；
拦截组件(801)表面呈亲水特性。
8.根据权利要求1所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，固态氢化物水解反应器(9)包括供氢管路(901)，缓冲空间(902)，压力探针(903)，反应器壳体(904)，轻质元素氢化物材料床层(905)以及进水管路(906)；
反应器壳体(904)顶部设置供氢管路(901)，反应器壳体(904)底部设置进水管路(906)，反应器壳体(904)内下半部分空间填充轻质元素氢化物材料床层(905)，上半部分空间为缓冲空间(902)，进水管路(906)伸入轻质元素氢化物材料床层(905)中，缓冲空间(902)侧壁上设置有压力探针(903)；
进水管路(906)与微型水箱(6)相连，供氢管路(901)与的阳极入口(103)相连，压力探针(903)与控制系统(10)相连。
9.根据权利要求8所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，进水管路(906)与微型水箱(6)之间设置有单向阀和蠕动泵(7)，蠕动泵(7)与控制系统(10)相连，供氢管路(901)经减压阀与阳极入口(103)相连。
10.根据权利要求8所述的阴极半封闭循环与阳极封闭的移动便携式氢燃料电池系统，其特征在于，轻质元素氢化物材料床层(905)的轻质元素氢化物材料为硼氢化钠、硼氢化锂、铝氢化钠、铝氢化锂、氨硼烷或氢化镁。
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