CN102569850A - 备用电源用燃料电池供氢系统 - Google Patents

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顾荣鑫
陈凌云
张超
沈军
陶少龙
徐麟
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Abstract

本发明涉及一种备用电源用燃料电池供氢系统，包括主供氢瓶组件，备用氢瓶组件，主供氢瓶组件和备用氢瓶组件分别通过高压减压阀经球阀与压差阀连接，且分别通过排空阀与排空管相连。主供氢瓶组件和备用氢瓶组件中的高压减压阀上分别设有P1,P2压力传感器，P1,P2压力传感器分别与控制器连接，用于实时监控两组氢瓶的压力，并通过控制器实时转化为氢气存余量；排空管尾端装有用于防止回火的阻火器；排空管路上装有用于导除排放过程中产生的静电的安全接地接口。该系统不仅能实现在线切换更换氢瓶，低压安全氢气卸放和空气吹扫，更能准确估算氢瓶剩余压力。

Description

备用电源用燃料电池供氢系统
技术领域
本发明涉及一种具备在线切换更换氢瓶，安全氢气泄压和管路吹扫功能，剩余能量的准确估算的供氢系统，尤其是一种作为备用电源用燃料电池供氢系统。
背景技术
当今全球能源紧张，油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池被认为是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，它通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为：
阳极（负极）：H2 → 2H+ + 2e
阴极（正极）：1/2O2 + 2H+ + 2e → H2O
电池反应：   H2 + 1/2O2 → H2O
备用电源主要是为了防止数码产品在长时间使用过程中发生断电或是没电的条件下所备用的电源。常规备用电源是以铅酸电池为燃料，但铅酸电池本身对环境污染，而且三年必须更换，成本也将大幅度提高。目前社会都在提倡环保，寻找新能源来代替。所以新能源燃料电池产生。燃料电池原理是以氢气和氧气为原料，通过电化学反应直接产生电能。由于氢气燃料本身无色无味，并且具有较低的着燃点，所以在氢安全使用显得至关重要。为保障燃料电池备用电源氢气安全供给和自动化，必须有一套和燃料电池相匹配的供氢系统。
目前市面上的供氢系统比较简易，更换氢瓶需系统处于停机状态才能更换。传统的管路剩余气体排放在高压端操作，排空时氢气压力高，流速快，操作危险性高，不适合于燃料电池备用电源氢气供应系统应用。
中国专利公开号为CN101151763氢燃料供给系统和燃料电池系统专利提到一种燃料电池的氢燃料供给系统具备切换装置，用于在以下状态的交替状态之间切换反应器，即将反应剂供给至反应器同时排出燃料气体的第一状态和将再生用气体供给至反应器同时排出再生排气的第二状态，反应器可进行转化过程和再生过程；以及控制设备，用于切换所述切换装置，以使当从所述第一状态切换至所述第二状态时，切换前残留在所述反应器中的残余转化气体在排气处理器中燃烧，并且在未经处理的条件下不作为所述残余转化气体排放。文中提到实现供氢系统切换装置，但对于在线更换氢瓶以及准确的估算氢瓶剩余压力未能够实现。     
发明内容
     本发明是要提供一种备用电源用燃料电池供氢系统，该系统不仅能实现在线切换更换氢瓶，低压安全氢气卸放和空气吹扫，更能准确估算氢瓶剩余压力。
     本发明是通过以下技术方案实现：一种备用电源用燃料电池供氢系统，包括主供氢瓶组件，备用氢瓶组件，主供氢瓶组件和备用氢瓶组件分别通过高压减压阀经球阀与压差阀连接，且分别通过排空阀与排空管相连。
主供氢瓶组件和备用氢瓶组件中的高压减压阀上分别设有P1,P2压力传感器，P1,P2压力传感器分别与控制器连接，用于实时监控两组氢瓶的压力，并通过控制器实时转化为氢气存余量；排空管尾端装有用于防止回火的阻火器(；排空管路上装有用于导除排放过程中产生的静电的安全接地接口；压差阀的氢气输出口通过低压减压阀和球阀与燃料电池备用电源连接。
主供氢瓶组件包括第一，二氢瓶和单向阀，第一，二氢瓶上面均设有手动阀，第一，二氢瓶分别通过单向阀经不锈钢管与高压减压阀连接。
备用氢瓶组件包括第三氢瓶和单向阀，第三氢瓶设有手动阀，第三氢瓶通过单向阀经不锈钢管与高压减压阀连接。
高压减压阀上设有高压表、中压表。低压减压阀上设有低压表。各氢瓶均通过钢瓶固定支架固定。
本发明的有益效果是：
     1．能在线切换更换氢瓶：
     在燃料电池正常运行情况下，氢瓶内的氢气逐渐用尽，当一侧压力低于设定值时，该系统通过压差阀的作用自动切换到另一组氢瓶，保障了燃料电池不间断运作，并可同时更换用尽的氢瓶组。
2．具有安全氢气泄压和管路吹扫功能：
在氢瓶更换过程中需要进行氢气泄压和管路中残余空气的吹扫流程，在更换前，需排放管路内剩余氢气，更换后吹扫管路中的夹杂空气，本发明通过高压减压阀(4)降低氢气压力后，通过排空阀(8)进行氢气卸放和空气吹扫；在排空管尾端装有阻火器(7)，有效防止回火；排空管路上装配有安全接地接口，有效导除排放过程中产生的静电。 
3．能准确估算氢瓶压力：
通过两个高压防爆压力传感器P1，P2实时监控两组氢瓶的压力，并通过控制器实时转化为氢气存余量。
4．具有多级监控压力系统：
为了能够精确检测压力波动，安装有多级压力传感器以及压力表双重检测。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的备用电源用燃料电池供氢系统20，包括主供氢瓶组件，备用氢瓶组件。它由压差阀10、手动阀1、排空阀8、球阀9、低压表13、高压表5、中压表6、单向阀2、阻火器7、高压减压阀3、低压减压阀12、不锈钢管道等组成。
主供氢瓶组件和备用氢瓶组件分别通过高压减压阀3经球阀9与压差阀10连接，且分别通过排空阀8与排空管相连。主供氢瓶组件和备用氢瓶组件中的高压减压阀3上分别设有P1,P2压力传感器4，11，P1,P2压力传感器4，11分别与控制器连接，用于实时监控两组氢瓶的压力，并通过控制器实时转化为氢气存余量；排空管尾端装有用于防止回火的阻火器7；排空管路上装有用于导除排放过程中产生的静电的安全接地接口；压差阀10 氢气输出口通过低压减压阀12和球阀9与燃料电池备用电源17连接。
主供氢瓶组件包括第一，二氢瓶14，15和单向阀2，第一，二氢瓶14，15上面均设有手动阀1，第一，二氢瓶14，15分别通过单向阀2经不锈钢管与高压减压阀3连接。
备用氢瓶组件包括第三氢瓶16和单向阀2，第三氢瓶16设有手动阀1，第三氢瓶16通过单向阀2经不锈钢管与高压减压阀3连接。
高压减压阀3上设有高压表5、中压表6。低压减压阀12上设有低压表13。各氢瓶均通过钢瓶固定支架18固定。
（1）    备用电源用燃料电池供氢系统特点能够实现在线切换并在不影响燃料电池工作情况下更换氢瓶。氢气不间断补给切换和氢瓶在线更换功能：通过当主供氢瓶组件输出压力输出小于20bar时，压差阀10自动切换到备用氢瓶组件输出氢气，并通过压力传感器4输出压力信号给数据中心报警要求氢瓶更换。在线氢瓶更换时，先关闭手动阀1与球阀9，打开排空阀8排除管内剩余氢气，拆卸系统上原来的氢瓶组。更换新氢瓶组后，打开排空阀8，吹扫管内空气。整个更换过程毫不影响燃料电池正常工作，可进行在线操作。此供氢系统氢瓶与高压减压阀连接处安装单向阀2，安装单向阀2不仅能防止气体回路，而且使得更换氢瓶灵活性。第一氢瓶14与第二氢瓶15虽在同一管路上，如无单向阀2，更换瓶组需同时更换，安装单向阀2可在系统运行的情况下单独更换第一氢瓶14或第二氢瓶15，这样的优势在于不影响燃料电池正常运行就能更换氢瓶。
（2）      目前供氢系统氢气排放在高压出排放，高压排放缺点在于不经过高压转低压减压阀直接排放，高压排放氢气流速过快，容易产生静电，导致事故发生。本发明供氢系统排放设计在中压处，使得压力减压后，不会因流速过快导致静电。将手动阀1与球阀9关闭，打开排空阀8，使管内氢气排出。虽然压力从高压减至低压，能确保排放不易产生静电，但以防万一，在中压排放管路上安装阻火器7，作用在于万一产生静电导致火花，阻火器可阻挡火花回路，确保管路以及人生安全。
（3）      通过压力传感器及时预判瓶内剩余压力提醒是否更换氢瓶。氢气储量的实时准确估算：由P1,P2压力传感器4，11、控制器、执行器、CAN通信部件、氢瓶等组成。通过P1,P2压力传感器4，11检测氢瓶压力，输出信号是将采集出来的数据传送到CAN通信部件，执行器根据CAN通信部件数据中心分析执行相应的措施。通过P1,P2压力传感器4，11实时监控氢瓶内部压力，能及时告知用户是否需要更换氢瓶。正常供氢由第一氢瓶14与第二氢瓶15同时供给，第三氢瓶(16)为备用。 
（4）    当P1压力传感器4检测到低于设定压力值时，系统将自动切换到氢瓶3供氢。P2压力传感器11检测到低于设定压力值时，系统将自动切断供氢，并告知用户需更换第一氢瓶14、第二氢瓶15与第三氢瓶16。
（5）      在高压减压阀3设有高压表5及中压表6，低压减压阀12设有低压表13能清晰的让用户更直观的看到氢气供给压力以及瓶内剩余压力。不仅有压力传感器，还有压力表，双重显示更能够精准的现实压力。
对于不同的压力采取相应的措施如下：
1）              当压力传感器1显示20bar，提醒更换第主氢瓶。
2）              当压力传感器2显示20bar，提示关机，需同时更换第一组，第二组氢瓶。
当压力传感器2提示15bar，提示氢瓶内剩余氢气量已用完，需立刻停机。

Claims (9)

1.一种备用电源用燃料电池供氢系统，包括主供氢瓶组件，备用氢瓶组件，其特征在于：所述主供氢瓶组件和备用氢瓶组件分别通过高压减压阀（3）经球阀（9）与压差阀(10)连接，且分别通过排空阀(8)与排空管相连。
2.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述主供氢瓶组件和备用氢瓶组件中的高压减压阀（3）上分别设有P1,P2压力传感器（4，11），P1,P2压力传感器（4，11）分别与控制器连接，用于实时监控两组氢瓶的压力，并通过控制器实时转化为氢气存余量。
3.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述排空管尾端装有用于防止回火的阻火器(7)；排空管管路上装有用于导除排放过程中产生静电的安全接地接口。
4.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述压差阀(10)的氢气输出口通过低压减压阀（12）和球阀（9）与燃料电池备用电源（17）连接。
5.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述主供氢瓶组件包括第一，二氢瓶（14，15）和单向阀(2)，第一，二氢瓶（14，15）上面均设有手动阀(1)，第一，二氢瓶（14，15）分别通过单向阀(2)经不锈钢管与高压减压阀（3）连接。
6.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述备用氢瓶组件包括第三氢瓶（16）和单向阀(2)，第三氢瓶（16）设有手动阀(1)，第三氢瓶（16）通过单向阀(2)经不锈钢管与高压减压阀（3）连接。
7.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述高压减压阀（3）上设有高压表(5)和中压表(6)。
8.根据权利要求1所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述各氢瓶均通过钢瓶固定支架（18）固定。
9.根据权利要求4所述的备用电源用燃料电池供氢系统，其特征在于：所述低压减压阀（12）上设有低压表（13）。
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