CN102748585A

CN102748585A - 一种燃料电池备用电源高压供氢系统

Info

Publication number: CN102748585A
Application number: CN2012102173519A
Authority: CN
Inventors: 张存满; 马建新; 周伟; 吕洪
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明属于新能源技术领域，公开了一种燃料电池备用电源高压供氢系统，该系统包括氢气自动供给单元、氢气加注受气单元和安全控制单元，氢气自动供给单元和氢气加注受气单元以管路进行连接，氢气加注受气单元和安全控制单元以导线进行连接。本发明提供了一种更安全有效的高密度燃料电池备用电源用高压供氢系统，其最大特点在于大幅提高系统储氢密度的同时，扩大系统适用范围、增强系统的使用便捷性和安全性，同时通过优化复合储氢瓶的设计和制造工艺，大幅降低备用电源用高压储氢气瓶的制造成本。

Description

一种燃料电池备用电源高压供氢系统

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种燃料电池备用电源高压供氢系统。

背景技术

在石油资源日趋紧缺和环境污染日趋严重的双重压力下，迫使人们不断追求能源利用效率的最大化和排放的最小化。由于低碳燃料的高能效、低排放等特点，气态燃料在不久的将来必将会占有越来越重要的地位，从液化石油气、煤气化合成气、天然气，最终发展到氢气。由于氢气具有来源广泛、使用效率高、使用过程中对环境友好以及可持续性等特点，是一种理想的二次能源，可以预见在未来的能源结构中将占有重要地位。

与燃料电池结合使用是氢最为理想、最为重要的利用方式，近些年来对燃料电池汽车的研究受到了高度关注，相比氢燃料电池汽车对燃料电池技术本身的高可靠性、长寿命以及低成本的苛刻要求，氢燃料电池在分布式能源中的应用要求要低的多，更易于优先产业化推广，特别是在备用电源、家庭热电联供中的应用已经进入到商业化阶段。由于氢是世界上最轻的物质，其存储密度很难与其它物质相比，氢的高密度储存已经成为了世界性的难题，已经成为制约氢能技术发展的瓶颈之一。目前乃至今后相当长的时间内，氢气的高压存储仍然是一种主要方式，不仅因为其具有明显的成本优势，而且其环境温度范围内快速的动力学相应特性也是其它储氢方式无法比拟的。特别是对于作为野外使用的燃料电池基站备用电源，采用压缩氢气储存是国际公认的最佳选择。与蓄电池备用电源相比，燃料电池备用电源最大的优势之一就是连续供电时间更长，供电时间的长短仅与氢气的储存量相关，因此，提高燃料电池备用电源系统的储氢容量是非常重要的。

对于采用压缩气态方式存储的备用电源储氢系统，要想提高储氢容量通常可以采用两种方式实现，第一是在储存压力不变的情况下，通过增加储氢瓶组的数量来实现；第二种方式是在不增加储氢瓶组的数量及重量的情况下，通过提高储氢瓶组的储存压力来实现。第一种方式是目前国际上示范应用采取的主要方式，其主要优点是利用现有成熟的钢制储氢瓶，不仅产业成熟，而且其成本也较低。但其也存在很多不足，比如储氢系统不仅体积庞大、重量储氢密度很低以及二次充氢更换不方便，而且该类型储氢系统的安全性能较低，致使其应用范围受到制约。而通过增大储存压力以提高储氢容量的第二种方式，在技术上更具有先进性，特别是通过开发轻质复合储氢气瓶作为储氢容器，不仅储氢系统容量在不增加体积的情况下可大幅增加，而且重量更轻，便于二次充氢更换，适用范围大大增加。鉴于高压储氢在燃料电池备用电源上应用的优势，设计和开发基于碳纤维缠绕的轻质复合储氢气瓶的高压供氢系统具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种燃料电池备用电源高压供氢系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种燃料电池备用电源高压供氢系统，该系统包括氢气自动供给单元、氢气加注受气单元和安全控制单元，氢气自动供给单元和氢气加注受气单元以管路进行连接，氢气加注受气单元和安全控制单元以导线进行连接。

所述的氢气自动供给单元包括高压复合储氢瓶组、外置式组合阀、稳态调压阀、低压压力传感器、低压电磁阀和供气系统控制模块；

高压储氢瓶组的汇总出口与外置式组合阀的进气口通过高压管路连接；外置式组合阀的排气口与稳态调压阀的进气口通过高压管路连接；稳态调压阀的低压排气口与低压电磁阀通过管路连接；低压压力传感器与稳态调压阀通过管路连接；低压电磁阀的出口与燃料电池阳极侧入口通过管路连接；外置式组合阀通过导线与供气系统控制模块连接。

所述的高压储氢瓶组包括多个高压储氢气瓶和手动瓶阀，手动瓶阀以螺纹连接方式连接位于高压储氢气瓶口上，然后各手动瓶阀以高压管线并联连接。

所述的多个为2~20个。

所述的外置式组合阀上设置有易溶栓、高压电磁阀、手动针阀、高压压力传感器和溢流阀；易溶栓、高压电磁阀、手动针阀、高压压力传感器和溢流阀依次经过管路进行连接。

所述的氢气加注受气单元包括受气头和单向阀；受气头的出口与单向阀的进气口通过高压管路连接；单向阀的出口与高压储氢瓶组的入口通过高压管路连接。

所述的安全控制单元包括易溶栓、溢流阀、放空阀、氢气泄漏报警器、压力传感器和供氢系统控制模块；易熔栓与放空管通过管路连接；溢流阀的进气口与手动针阀的出气口连接，溢流阀的出气口与稳态调压阀的入口通过高压管路连接；放空阀与稳态调压阀的检修孔通过管路连接；氢气泄漏报警器和压力传感器分别与供氢系统控制模块通过导线连接。

所述的压力传感器包括高压压力传感器和低压压力传感器；高压压力传感器设置在外置式组合阀上，低压压力传感器与稳态调压阀通过管路连接。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明提供了一种更安全有效的高密度燃料电池备用电源用高压供氢系统，其最大特点在于大幅提高系统储氢密度的同时，扩大系统适用范围、增强系统的使用便捷性和安全性，同时通过优化复合储氢瓶的设计和制造工艺，大幅降低备用电源用高压储氢气瓶的制造成本。

本发明高压储氢瓶组的设计和集成的特点主要体现在能够满足在线更换储氢瓶（组）的技术要求、单体储氢瓶拆卸要方便，并能够在更换瓶组后执行自动吹扫，以避免空气混入燃料电池阳极侧引起安全事故。

本发明高压储氢瓶组用复合储氢气瓶采用碳纤维缠绕铝内胆的复合制造技术路线，但其不同于以往的车载用高压复合储氢气瓶。针对备用电源使用特性，可大幅降低该类型储氢气瓶的疲劳循环充放技术指标以此可有效降低该类型储氢瓶的制造成本，并且通过优化设计进一步提高其重量储氢密度。储氢工作压力不小于30MPa，储氢瓶水容积不小于9L。

本发明高压储氢瓶组共用一个外置式组合电磁阀是燃料电池备用电源用高压供氢系统不同于车载高压供氢系统最为显著的一个特征，与车载供氢系统相比，该设计不仅可大幅降低成本，而且对小尺寸的高压储氢瓶制备工艺提供了很大的便捷，同时有利于降低制造成本。采用该设计的依据是备用电源供氢系统不需考虑像汽车要求那样的碰撞安全性，只要考虑系统的氢泄漏安全性即可。

附图说明

图1为本发明实施例的燃料电池备用电源高压供氢系统的结构示意图。

其中：1为高压储氢瓶组；2为高压储氢气瓶；3为手动瓶阀；4为氢气泄漏报警器；5为易熔栓；6为高压电磁阀；7为手动针阀；8为高压压力传感器；9为溢流阀；10为外置式组合阀；11为低压压力传感器；12为稳态调压阀；13为低压电磁阀；14为放空阀；15为单向阀；16为受气头；17为燃料电池阳极侧入口；18为放空管；19为供氢系统控制模块。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

一种燃料电池备用电源高压供氢系统，该系统包括氢气自动供给单元、氢气加注受气单元和安全控制单元，氢气自动供给单元和氢气加注受气单元以管路进行连接，氢气加注受气单元和安全控制单元以导线进行连接。所述的氢气自动供给单元包括高压复合储氢瓶组1、外置式组合阀10、稳态调压阀12、低压压力传感器11、低压电磁阀13和供气系统控制模块19；

高压储氢瓶组1的汇总出口与外置式组合阀10的进气口通过高压管路连接；外置式组合阀10的排气口与稳态调压阀12的进气口通过高压管路连接；稳态调压阀12的低压排气口与低压电磁阀13通过管路连接；低压压力传感器11与稳态调压阀12通过管路连接；低压电磁阀13的出口与燃料电池阳极侧入口17通过管路连接；外置式组合阀10通过导线与供气系统控制模块19连接。

所述的高压储氢瓶组1包括多个高压储氢气瓶2和手动瓶阀3，手动瓶阀3以螺纹连接方式连接位于高压储氢气瓶2口上，然后各手动瓶阀3以高压管线并联连接。

所述的多个为2~20个。

所述的外置式组合阀10上设置有易溶栓5、高压电磁阀6、手动针阀7、高压压力传感器8和溢流阀9，易溶栓5、高压电磁阀6、手动针阀7、高压压力传感器8和溢流阀9依次经过管路进行连接。

所述的氢气加注受气单元包括受气头16和单向阀15；受气头16的出口与单向阀15的进气口通过高压管路连接；单向阀15的出口与高压储氢瓶组1的入口通过高压管路连接。

所述的安全控制单元包括易溶栓5、溢流阀9、放空阀14、氢气泄漏报警器4、压力传感器和供氢系统控制模块19；易熔栓5与放空管18通过管路连接；溢流阀9的进气口与手动针阀7的出气口连接，溢流阀9的出气口与稳态调压阀12的入口通过高压管路连接；放空阀14与稳态调压阀12的检修孔通过管路连接；氢气泄漏报警器4和压力传感器分别与供氢系统控制模块19通过导线连接。

所述的压力传感器包括高压压力传感器8和低压压力传感器11；高压压力传感器8设置在外置式组合阀10上，低压压力传感器11与稳态调压阀12通过管路连接。

一种燃料电池备用电源用高压供氢系统，高压储氢瓶组1内高压氢气首先通过手动瓶阀3（工作时为常开状态）、管路系统进入组合式高压电磁阀6，然后通过压力调节器减压后向备用燃料电池系统供氢。

所述的高压储氢瓶组1工作压力不小于30MPa，每一个高压储氢气瓶2安装手动瓶阀3，且该阀工作期间为常开状态，只有在在线更换或非原位充氢时才进行开关操作，并且所有高压储氢瓶组1共用一个外置式组合阀10，通过该阀的开和关实现对备用燃料电池系统的自动供氢控制。稳态调压阀12具有安全监控和保护功能，同时系统设计采取了电控与机械双重保护措施。

以应用于5kW燃料电池基站备用电源的高压供氢系统为例，对本发明的实施方式进一步说明。

复合高压储氢气瓶2以螺纹连接方式安装手动瓶阀3，然后把所有储氢瓶（带瓶阀）集成构成高压储氢瓶组1；易熔栓5、高压电磁阀6、手动针阀7、高压压力传感器8、溢流阀9以及与阀体组合集成为外置式组合阀10；高压储氢瓶组1与外置式组合阀10通过高压管路相连，再与稳态调节阀12通过高压管路相连，并将低压压力传感器11与稳态调压阀12的低压腔体相连；稳态调压阀12的低压出口与低压电磁阀13通过管路连接；低压电磁阀13的出口再与燃料电池阳极侧入口17相连。至此构成了从高压储存到燃料电池的低压进气入口的完整供氢管路系统。受气头16、单向阀15与高压储氢瓶组1相连，构成氢气加注通道。在此基础上，易熔栓5、稳态调压阀12的安全泄压阀的出口以及与稳态调压阀12的安全检修孔相连的放空阀14分别与放空管18相连，构成供氢系统的应急排空系统。外置式组合阀10的高压电磁阀6、高压压力传感器8、低压压力传感器11、低压电磁阀13、以及氢气泄漏报警器4分别通过导线与供氢系统控制模块19相连，以实现供氢系统的自动控制与安全监控。

供氢系统用外置式组合阀10由高压电磁阀6、高压压力传感器8、手动针阀7、溢流阀9、易熔栓5组成，高压电磁阀6是实现氢气供给自动控制的主体。高压压力传感器8主要是用于检测高压储氢瓶组1中氢气储存状态，并将结果实时自动录入电源总控系统。溢流阀9和易熔栓5主要是出于安全性考量，当后端供氢管路系统发生故障，氢气流量过度增大时，溢流阀9将自动关闭，以避免氢气再次泄漏，从而提高系统氢安全性。在发生火灾时，当供氢系统的温度超过易熔栓5的熔化温度时，易熔合金熔化，高压储氢瓶组1中的氢气将通过放空管18快速放空，以避免爆炸的发生，提高系统安全性。

本发明的工作原理：首先将高压供氢系统的各个部件按照系统设计进行集成。安装于储氢瓶口的瓶阀正常为常开状态，系统能够工作之前，首先需要对系统进行氮气置换，以消除系统中的空气。经过氮气置换之后，系统就可以进行氢气的加注了，首先外部高压氢源通过加氢抢与受气头16连接，高压氢气经过受气头16、单向阀15及高压管路进入高压储氢瓶组1内，充气时外置式组合阀10的激磁线圈断电，电磁阀处于关闭状态。当正常向外供气时，组合阀的电磁阀打开，高压氢气经过高压管路、稳态调压阀12、低压管路、低压电磁阀13向燃料电池系统供给稳定的低压氢气。充气和供气时，储氢瓶内的压力状态通过组合阀的压力传感器向控制系统输出信号。当储氢系统内氢气压力低于设定值时，控制系统将提醒需要加注氢气；当外置式组合阀10后端供氢管路系统发生泄漏、断裂等故障导致系统氢气流量过大时，组合阀中的溢流阀9将自动关闭；当供氢系统由于火灾等突发因素引起温度异常升高，且超过易熔栓5的熔化温度时，易熔合金熔化，高压储氢瓶组1中的氢气将快速释放，以避免爆炸事故的发生；当外置式组合阀10发生故障时，可通过手动针阀7进行安全放气；当稳态调压阀12发生故障时，具体表现如低压腔体中压力异常升高时（通过低压腔体内压力传感器监测数据判断），出于对下游燃料电池的保护，本发明采取电控与机械双重保护，分别是：在稳态调压阀12和燃料电池阳极侧入口17之间，安装一低压电磁阀13，当压力波动高于设定值时（通常可根据下游燃料电池的耐压性能设一压力范围），低压电磁阀13将自行关闭；同时在稳态调压阀12上还集成了安全泄压阀，当压力高于安全设定值时，安全泄压阀打开，并通过放空管18路排空；为了便于故障检查、系统维护，稳态调压阀12通常还需预留检修孔，检修孔与放空阀14连接，以便实现检修时手动泄压。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：该系统包括氢气自动供给单元、氢气加注受气单元和安全控制单元，氢气自动供给单元和氢气加注受气单元以管路进行连接，氢气加注受气单元和安全控制单元以导线进行连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的氢气自动供给单元包括高压复合储氢瓶组（1）、外置式组合阀（10）、稳态调压阀（12）、低压压力传感器（11）、低压电磁阀（13）和供气系统控制模块（19）；

高压储氢瓶组（1）的汇总出口与外置式组合阀（10）的进气口通过高压管路连接；外置式组合阀（10）的排气口与稳态调压阀（12）的进气口通过高压管路连接；稳态调压阀（12）的低压排气口与低压电磁阀（13）通过管路连接；低压压力传感器（11）与稳态调压阀（12）通过管路连接；低压电磁阀（13）的出口与燃料电池阳极侧入口（17）通过管路连接；外置式组合阀（10）通过导线与供气系统控制模块（19）连接。

3.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的高压储氢瓶组（1）包括多个高压储氢气瓶（2）和手动瓶阀（3），手动瓶阀（3）以螺纹连接方式连接位于高压储氢气瓶（2）口上，然后各手动瓶阀（3）以高压管线并联连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的多个为2~20个。

5.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的外置式组合阀（10）上设置有易溶栓（5）、高压电磁阀（6）、手动针阀（7）、高压压力传感器（8）和溢流阀（9），易溶栓（5）、高压电磁阀（6）、手动针阀（7）、高压压力传感器（8）和溢流阀（9）依次经过管路进行连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的氢气加注受气单元包括受气头（16）和单向阀（15）；受气头（16）的出口与单向阀（15）的进气口通过高压管路连接；单向阀（15）的出口与高压储氢瓶组（1）的入口通过高压管路连接。

7.根据权利要求1所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的安全控制单元包括易溶栓（5）、溢流阀（9）、放空阀（14）、氢气泄漏报警器（4）、压力传感器和供氢系统控制模块（19）；易熔栓（5）与放空管（18）通过管路连接；溢流阀（9）的进气口与手动针阀（7）的出气口连接，溢流阀（9）的出气口与稳态调压阀（12）的入口通过高压管路连接；放空阀（14）与稳态调压阀（12）的检修孔通过管路连接；氢气泄漏报警器（4）和压力传感器分别与供氢系统控制模块（19）通过导线连接。

8.根据权利要求7所述的燃料电池备用电源高压供氢系统，其特征在于：所述的压力传感器包括高压压力传感器（8）和低压压力传感器（11）；高压压力传感器（8）设置在外置式组合阀（10）上，低压压力传感器（11）与稳态调压阀（12）通过管路连接。