CN102800875A - 一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，属于燃料电池技术领域。包括有依次连接的反应釜、水过滤器、气体杂质过滤器、气体缓冲罐、压力调节阀、燃料电池、DC-DC转换器、蓄电池，上述的燃料电池上还连接有一个燃料电池控制器。此设备作为应急备用电源，在无电网情况下，使得照明、为手机，相机等电子产品随时随地充电等成为可能，该系统性能稳定、可靠。

Description

一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统
技术领域
本发明提供了燃料电池发电系统，特别涉及一种具有自制氢的燃料电池发电一体系统，属于燃料电池技术领域。
背景技术
某些金属和化合物可以被用来制取氢气。在这些材料中，铝(Al)是能制取高纯氢气且地球上原料丰富的一种。理论上，1g铝能产生约1.245L氢气(标况：0℃，1atm)。理论上，铝在酸性或碱性介质中都能产生氢气。下式是铝跟碱性溶液反应产生氢气的反应方程式，2摩尔铝能制取3摩尔的氢气。
2Al(s)+2OH-(aq)+6H2O(l)→2[Al(OH)4]-(aq)+3H2(g)…
此技术申请人已取得韩国专利及IP澳大利亚专利，专利号分别为KR10-0803074及AU2008227365。申请人在此技术基础上发明出均匀产气，且时间持久(4小时以上)的配方，能定量为燃料电池供应高纯度氢气。
上述过程为燃料电池提供了便宜而方便的氢源。氢燃料电池在过去30年在交通工具，军事，固定的和移动应用上非常活跃。目前来讲，此领域的研究对于减少燃烧化石能源，排放温室气体仍十分重要。燃料电池是一种高效的，高能量密度的装置，无需燃烧，将化学能直接转化成电能。当通入氢气，排出的仅有水，对环境友好。
但是现有技术中许多燃料电池系统造价昂贵，不易携带，限制了其使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种便于携带、可以提供直流/交流电，且性能稳定的燃料电池发电系统，并且使发电系统具有更好的可靠性，即使系统故障时仍能正常供电，采用如下技术方案：
一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，包括反应釜、燃料电池，其特征在于：包括有依次连接的反应釜、水过滤器、气体杂质过滤器、气体缓冲罐、压力调节阀、燃料电池、DC-DC转换器、蓄电池，上述的燃料电池上还连接有一个燃料电池控制器。
进一步地，上述的反应釜上还连接有一个安全阀，以防反应釜内部瞬时压力过大，泄压确保安全。
进一步地，上述反应釜上还包括有一个透视窗，可以观察反应釜内部情况。
上述的水过滤器的作用是去除氢气中携带的水蒸汽，由于本发明中生成的氢气供给燃料电池时，会携带有少量水蒸气，为了使燃料电池接收到干燥的氢气，氢气在进入燃料电池前需要去除其中带有的水分。水过滤器可以采用常规的气体脱水方法，例如通过干燥剂、冷凝收集水蒸气等方法。上述的水过滤器上还可以安装放水阀，用于将吸收的水排出。上述的水过滤器上还可以安装一个可视窗口，用于观察过滤器内部的情况。
上述的气体杂质过滤器的作用是用于除去微量杂质气体，如CO2、N2、SOX等，提高氢气纯度。气体杂质过滤器可以采用分子筛，变压吸附氢气中的微量杂质气体；也采用其它的常规物理或者化学方法也可以达到去除氢气中微量杂质气体的目的。
系统中还可以安装气体缓冲罐，其作用是让反应釜中产生的气体缓冲后进入到燃料电池中。
在燃料电池上带可以安装一个氢气出口，用于将燃料电池中的氢气排出。
燃料电池控制器的作用是对燃料电池的启动、关闭、运行、输出进行控制，其对燃料电池的输出电压，输出电流，运行温度进行检测，实现欠压保护、过流保护、过温保护的功能，确保燃料电池安全的运行。在上述的燃料电池控制器上还可以连接有一个DC电源供应器，用于向燃料电池控制器供电。
上述的DC-DC转换器是将燃料电池产生的电能进行转化后输送至蓄电池。
进一步地，在上述的蓄电池上还连接有一个AC-DC充电器，用于通过外部电源向蓄电池充电，防止制氢系统及燃料电池出现故障时，系统仍能供电。
本系统中还包括有一个电池管理系统(BMS)，连接于蓄电池上，其作用是管理、保护和均衡电池，可以采用常规的电池管理系统部件，对蓄电池进行健康状态测定、充放电时的电流、电压、电量等进行管理。
在蓄电池上还可以安装DC-AC转换器，用于将蓄电池中的电能转为交流电后，供用电设备使用。
在上述的DC-AC转换器上，还可以安装接触器，在接触器上还连接有时间继电器。用于对供电电路进行开闭控制。
为了防止在反应釜无法正常工作而不能产生足够的氢气时系统仍可以安全运行，本系统还可以安装有一个外接氢入口，用于外接氢气源，上述的外接氢入口通过一个回火器和单向阀连接于燃料电池的氢气入口。回火器的作用是防止氢气出现燃烧时向外蔓延，单向阀的作用是使外接氢气只能单向住燃料电池组件处流动。
为了使本发电一体系统更易携带，进一步地，本系统还可以安装在一个带有把手的箱体的，上述的箱体上还安装有散热装置，用于使系统工作时产生的热量及时排出，保持系统稳定运行。
本发明提供的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统的有益效果是：
(1)制氢便捷，发电迅速，携带方便，无噪音和污染，特别是在无电网地域，作为照明，小型充电设备是非常好的选择。
(2)此系统无需任何外接能源，使用一包粉剂可持续发电4小时以上。
(3)在系统出现故障时，可通过外接氢气源对系统提供氢气以维持燃料电池工作。
(4)当燃料电池系统出现故障时，可使用外接电源向蓄电池充电，并向用电设备供电。
附图说明
图1是本发明提供的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统的结构示意图。
其中1是反应釜；2是水过滤器；3是气体杂质过滤器；4是气体缓冲罐；5是压力调节阀；6是燃料电池；7是DC-DC转换器；8是蓄电池；9是DC-AC转换器；10是燃料电池控制器；11是AC-DC充电器；12是外部氢气入口；13是回火器；14是单向阀；15是水过滤器放水阀；16是单向阀；17是单向阀；18是排水口；19是透视窗；20是氢气出口；21是压力表；22是安全阀；23是接触器；24是时间继电器；25是电池管理系统；26是DC电源供应器。
具体实施方式
实施例1
本发明提供的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统的优选实施方式是：
如图1所示，一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，包括有依次连接的反应釜1、水过滤器2、气体杂质过滤器3、气体缓冲罐4、压力调节阀5、燃料电池6、DC-DC转换器7、蓄电池8，在燃料电池6上还有安装有燃料电池控制器10。
在反应釜1上还安装有一个排水口18和一个透视窗19。反应釜1上还连接有一个安全阀22和压力表21，以防反应釜1内部瞬时压力过大，泄压确保安全。反应釜1与水过滤器2之间通过单向阀16连接。
水过滤器2上还连接有水过滤器放水阀15。
气体缓冲罐4与压力调节阀5通过单向阀17连接。
燃料电池6上还连接有一个氢气出口20，燃料电池控制器10上连接有DC电源供应器26。
在蓄电池8上连接有一个DC-AC转换器9，可以使其向交流电用电设备供电，在DC-AC转换器9上带依次连接有接触器23和时间继电器24。
蓄电池8上还包括有一个AC-DC充电器11，用于燃料电池6工作故障或者电压过低时，通过外接电源向蓄电池8供电。
蓄电池8上还连接有一个电池管理系统25。电池管理系统25可以采用常规的电池管理系统部件的作用，用以管理、保护和均衡电池，本实施例中，电池管理系统25对蓄电池8进行健康状态测定、充放电时的电流、电压、电量等进行管理。电池管理系统25上连接有显示屏，可以更方便地进行操作。
为了防止反应釜1工作出现异常而无法制备足够的氢气时，燃料电池6还能正常工作，本系统中还包括有一个外部氢气入口12，通过相互连接的回火器13和单向阀14连接于燃料电池6上。回火器13的作用防止氢气出现燃烧时向外蔓延，属于安全保护装置；单向阀14的作用是使氢气单向住燃料电池6方向流动。
为了使本发电一体系统更易携带，本系统还安装在一个带有把手的箱体的，上述的箱体上还安装有散热装置，用于使系统工作时产生的热量及时排出，保持系统稳定运行，在附图中未标明。
本实施例中：
燃料电池6为质子交换膜燃料电池；
制氢剂包括铝、生石灰、氢氧化钠等组分，其制备方法可见韩国专利和澳大利亚专利，专利号为KR10-0803074和AU2008227365；
水过滤器2采用冷凝装置，通过冷凝收集水蒸气的方法去除氢气中的水分。
气体杂质过滤3器采用分子筛，对气体进行变压吸附以去除氢气中的杂质。
下面结合具体的操作步骤对本实施例作进一步地说明。
首先，在反应釜1中加入制氢剂170g以及110ml水，制备氢气过程中，注意使制氢剂浸没于水中，待反应釜1上的压力表21显示釜内压力达到0.2MPa后，打开压力调节阀5，反应釜1中产生的氢气通过水过滤器2和气体杂质过滤器3后，再由气体缓冲罐4进入到燃料电池6中，通过燃料电池控制器10让燃料电池6开始工作，产生电流，再通过DC-DC转换器7后，存储于蓄电池8。
待蓄电池8存入足够电能时，通过DC-AC转换器9，将电能输出为交流电(220V，50Hz)供用电设备使用。用电设备消耗功率为50W，可正常工作4小时以上。
必要时，通过时间继电器24和接触器23对交流电的输出进行控制。
反应釜1中的反应结束后，关闭用电设备，打开排水口18和水过滤器放水阀15，将体系中的水排出。
实施例2
为了说明本系统可以在制氢装置出故障时仍可以正常工作，现不使用反应釜1，采用外部氢源，各部件及装置同实施例1。
在外部氢气入口12处连接高纯氢(99.999%纯度)，打开压力调节阀5，氢气通过回火器13和单向阀14后，进入燃料电池6，气体压力为0.5Mpa，燃料电池6产生电流，通过DC-DC充电器7后，存储于蓄电池8，待蓄电池8存入足够电能时，通过DC-AC转换器9，将电能输出为交流电(220V，50Hz)供用电设备使用，用电设备消耗功率为100W，可正常平稳工作。

Claims (6)

1.一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于：包括有依次连接的反应釜(1)、水过滤器(2)、气体杂质过滤器(3)、气体缓冲罐(4)、压力调节阀(5)、燃料电池(6)、DC-DC转换器(7)、蓄电池(8)，所述的燃料电池(6)上还连接有一个燃料电池控制器(10)。
2.根据权利要求1所述的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于：所述的燃料电池控制器(10)上还连接有DC电源供应器(26)。
3.根据权利要求1所述的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于：在反应釜(1)上安装有安全阀(22)、设置有透视窗(19)。
4.根据权利要求1所述的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于：在蓄电池上(8)还连接有DC-AC转换器(9)、AC-DC充电器(11)、电池管理系统(25)。
5.根据权利要求3所述的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于：在所述的DC-AC转换器(9)上还连接有接触器(23)，接触器上连接有时间继电器(24)。
6.根据权利要求1所述的便携式高分子燃料电池及制氢发电一体系统，其特征在于外部氢气入口(12)通过相互连接的回火器(13)和单向阀(14)连接于压力调节阀(5)上。
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