CN102610839A - 一种安全可控的便携式电源及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全可控的便携式电源与控制方法，旨在提供一种高功率和高比容量的便携式电源。本发明属于便携式电源领域，其特点是：便携式电源包括微型燃料电池、控制系统、制氢系统和电源外壳；其中，控制系统包括储能电池和供电线路控制器；制氢系统包括储水罐、微型泵和制氢反应器，储水罐和制氢反应器底部相通。燃料电池连接供电线路控制器，供电线路控制器连接储能电池和微型泵；微型泵通过不锈钢管连接储水罐出口和制氢反应器进水口，制氢反应器氢气出口连接燃料电池氢气入口。便携式电源工作时，储能电池首先启动微型泵，把水注入制氢反应器并与固态燃料反应产生氢气，氢气输送至燃料电池并产生电能；电能通过供电线路控制器供给用户、微型泵或储能电池。通过设定微型泵进水压力0.5～1MPa，控制制氢反应器固态燃料水解产氢速率，并通过储水罐有效处理制氢反应器固态燃料水解放热量大的问题。本发明的便携式电源具有装置简单、安全可靠、可控性好、输出电能平稳等优点，可广泛应用于电子和通讯设备等。

Description

一种安全可控的便携式电源及控制方法
技术领域
本发明属于便携式电源领域，特别是涉及一种适用于便携式燃料电池的氢气发生器及其控制方法。
背景技术
随着更小、更轻和更高性能的电子和通讯设备的迅速发展，作为电子和通讯设备不可或缺的便携式电源，对其性能尤其对比功率和比容量提出了越来越高的要求。目前，便携式电子产品大多使用锂离子电池，但锂离子电池的能量密度发展已经接近理论极限，相比较，燃料电池还有极大的能量密度发展空间，此外燃料电池也不需要慢长的充电时间。因此，大力开发燃料电池便携式电源，具有很好的市场前景。微型质子交换膜燃料电池除要求自身体积小、携带方便等要求外，还要求供氢系统储氢值大、产氢速度可控、安全及系统设计简单等。最近十年，国内外研究单位及企业开发了以固态金属铝或硼氢化物为原料的制氢技术及相关装置，并开发了燃料电池-制氢系统一体化的便携式电源，极大促进了微型质子交换膜电池的推广应用。
专利(200720149696.X)设计了便携式燃料电池系统，以硼氢化钠的水解反应产生的氢气为氢源，供给燃料电池作为燃料并产生电能。该方法能按需提供电能。该方法能自动控制硼氢化钠溶液输出速率，从而控制制氢反应器氢气产率；但该系统设计复杂，带有大量的辅助部件，而且无法提供便携式燃料电池系统启动电源。
专利(CN，200710072342.4)采用滴水加入法，设计了铝与碱溶液水解制氢装置，并控制氢气流量供给微型燃料电池。通过设计3个滴液管、U型软管、弹性膜、挡板等，利用装置内铝与碱反应产生的氢压，使弹性膜膨胀挤压U型软管，控制水的流量和氢气产量。该专利的优势在于：借助自身的氢气压力，控制铝与碱的反应。但是系统的设计复杂，带有大量的辅助部件，导致制氢装置体积庞大。其次，铝与碱液反应是剧烈的放热反应，大量的热量若未有效除去，可能导致水解产物急剧结块，影响反应的进行以及不安全因素等后果的产生。
发明内容
本发明旨在解决现有便携式电源存在的问题，设计了安全可控的制氢-储氢-燃料电池一体化便携式电源及控制方法。
本发明包括微型燃料电池、控制系统、制氢系统和电源外壳；控制系统包括储能电池和供电线路控制器；制氢系统包括储水罐、微型泵和制氢反应器；储水罐和制氢反应器并列放置在电源外壳底部，微型燃料电池、储能电池、供电线路控制器和微型泵并列放置在储水罐正上方；燃料电池连接供电线路控制器，供电线路控制器连接储能电池和微型泵；微型泵通过不锈钢管连接储水罐出口和制氢反应器进水口，制氢反应器氢气出口通过分离膜、调压阀、不锈钢管和氢气流量计连接燃料电池氢气入口。
所述的储水罐为两个空心圆柱体的结合体，两个空心圆柱体底部连通；其中之一空心圆柱体顶部焊接平板，平板中间焊接隔板，隔板前侧排列微型燃料电池、微型泵和储水罐进水口，隔板后侧排列储能电池和供电线路控制器；另外一个空心圆柱体存放制氢反应器，其内壁直径与制氢反应器外壁半径相同，该空心圆柱体底部2-5cm处直径小于制氢反应器；两个空心圆柱体结合处插入制氢反应器进水管，进水管与微型泵相连。所述的储水罐体与制氢反应器底部相通，可解决制氢反应器固态燃料水解反应放热量大的问题。
所述的制氢反应器表面为凹凸不一的螺纹。
所述的便携式电源的控制方法，其特征是：铝合金(或铝/硼氢化钠混合物)预先储存在制氢发生器内，水通过微型泵，从储水罐通过制氢反应器进水管注入制氢反应器，反应产生氢气，形成一定压力，当氢压达到设定值甚至超出微型泵进水压力时，水停止流入。
所述的微型泵最大进水压力设定值为0.5～1MPa。
工作原理：本发明通过固体燃料(铝合金、硼氢化钠或铝合金/硼氢化钠体系)与水反应制造氢气，产生的氢气透过分离膜，通过氢气流量计输送到燃料电池，燃料电池产生电能，电能输送到储能电池，然后通过供电线路控制器把电能输送到用户(包括微型泵)。微型泵最大进水压力设定值为0.5～1MPa。当制氢反应器的氢气压力大于微型泵的设定进水压力时，阻止水注入制氢反应器，从而阻止制氢反应的进行。当燃料电池逐渐将制氢反应器内的氢气消耗，氢气压力小于微型泵的设定进水压力时，水继续注入，固体燃料与水的反应将重复上述过程。固体燃料(铝合金或铝合金/硼氢化钠体系)与水反应是剧烈的放热过程，本专利把储水罐和制氢反应器底部相连，实现有效的热管理。燃料电池与储能电池、供电线路控制器相连；燃料电池产生的电能可直接输送给用户，也可把多余的电能储存在储能电池中。储能电池可提供微型泵的起始电源。
与以往的技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明的便携式电源结构简单、易维护、成本低；
2)本发明的便携式电源设计了燃料电池-储能电池协同供电模式，提高了便携式电源的供电能力和供电时间；
3)本发明设计了燃料电池发电-储能电池-供电线路控制的模式，解决了便携式电源微型泵的启动难题，也解决了燃料电池产生的电能储存问题；
4)本发明的便携式电源储水罐与制氢反应器底部相连，解决了固态燃料水解反应放热量大的安全问题；
5)本发明的便携式电源通过控制微型泵的最大进水压力，有效控制制氢发生器内部的氢气压力，保证了便携式电源的安全问题；
6)本发明适用于铝合金水解反应、固态硼氢化钠和催化剂体系的水解和铝合金/鹏氢化钠体系的水解反应。
综上所述，本发明的便携式电源具有比功率高、比容量大、安全可靠、系统成本低等优点，可广泛应用于电子和通讯设备。
附图说明
图1为本发明便携式电源的俯视图。1-燃料电池，2-控制系统，3-储能电池，4-电源外壳，5-微型泵，6-空心圆柱体，7-制氢反应器，8-制氢反应器氢气出口，9-氢气导管，10-制氢反应器进水口，11-储水罐出水口，12-进水管，13-电源线，14-挡板，15-储水罐进水口。
图2为本发明便携式电源的截面图。1-电源外壳，2-空心圆柱体储水罐，3-燃料电池，4-档板，5-微型泵，6-制氢反应器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅附图1。
实施例1
一种便携式电源(见图1和图2)，包括微型燃料电池、控制系统、制氢系统和电源外壳；控制系统包括储能电池和供电线路控制器；制氢系统包括储水罐、微型泵和制氢反应器；储水罐和制氢反应器并列放置在电源外壳底部，微型燃料电池、储能电池、供电线路控制器和微型泵并列放置在储水罐正上方；燃料电池连接供电线路控制器，供电线路控制器连接储能电池和微型泵，解决便携式电源微型泵启动问题，同时燃料电池产生的多余电能可储存在储能电池中；微型泵通过不锈钢管连接储水罐出口和制氢反应器进水口，制氢反应器氢气出口通过分离膜、调压阀、不锈钢管和氢气流量计连接燃料电池氢气入口。储水罐与制氢反应器底部相通，有效解决制氢反应器固态燃料(铝合金或铝合金/硼氢化钠体系)水解放热量大的问题。微型泵设有氢气压力调控装置，压力调控装置根据变化控制反应原料进入氢气发生器的流量，从而控制制氢反应器固态燃料与水的反应。
实施例2
实施例1制氢装置的制氢方法，铝合金(或铝/硼氢化钠混合物)预先储存在制氢发生器内，储能电池提供便携式电源微型泵启动动力，把反应物水从储水罐经进水管注入制氢反应器，固态燃料与水反应产生氢气；氢气透过分离膜、调压阀、不锈钢管和氢气流量计进入燃料电池；燃料电池产生电能并供给用户。设定微型泵进水压力0.5MPa，调控制氢反应器氢气压力，氢气输送平稳，便携式电源运行良好。
实施例3
设定微型泵进水压力1MPa，其余同实施例2，氢气输送平稳，便携式电源运行良好。

Claims (5)

1.一种安全可控的便携式电源，包括微型燃料电池、控制系统、制氢系统和电源外壳；控制系统包括储能电池和供电线路控制器；制氢系统包括储水罐、微型泵和制氢反应器；储水罐和制氢反应器并列放置在电源外壳底部，微型燃料电池、储能电池、供电线路控制器和微型泵并列放置在储水罐正上方；燃料电池连接储能电池和供电线路控制器，供电线路控制器连接微型泵；微型泵通过不锈钢管连接储水罐出口和制氢反应器进水口，制氢反应器氢气出口通过分离膜、不锈钢管和氢气流量计连接燃料电池氢气入口。
2.根据权利要求1所述的便携式电源，其特征是：所述的储水罐为两个空心圆柱体的结合体，两个空心圆柱体底部连通；其中之一空心圆柱体顶部焊接平板，平板中间焊接隔板，隔板前侧排列微型燃料电池、微型泵和储水罐进水口，隔板后侧排列储能电池和供电线路控制器；另外一个空心圆柱体存放制氢反应器，其内壁直径与制氢反应器外壁半径相同，该空心圆柱体底部2-5cm处直径小于制氢反应器；两个空心圆柱体结合处插入制氢反应器进水管，进水管与微型泵相连。
3.根据权利要求1所述的便携式电源，其特征是：所述的制氢反应器表面为凹凸不一的螺纹。
4.根据权利要求1所述的便携式电源的控制方法，其特征是：铝合金(或铝/硼氢化钠混合物)预先储存在制氢发生器内，水通过微型泵，从储水罐通过制氢反应器进水管注入制氢反应器，反应产生氢气，形成一定压力，当氢压达到设定值甚至超出微型泵进水压力时，水停止流入；当制氢反应器内氢压小于微型泵设定进水压力，水注入制氢反应器。
5.根据权利要求4所述的便携式电源的控制方法，其特征是：所述的微型泵最大进水压力设定值为0.5～1MPa。
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