CN104779408A - 一种快速启动的甲醇燃料电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速启动的甲醇燃料电源系统，燃料供给子系统包括相接的燃料罐和输送泵；燃料处理子系统包括平衡组件、重整器、氢气净化膜和氢气缓冲罐，平衡组件连接在输送泵和重整器之间，氢气净化膜连接在重整器和氢气缓冲罐之间；发电子系统通过第一电磁阀与燃料处理子系统相连，发电子系统通过第二电磁阀与外接氢气存储装置相连，外接氢气存储装置出口处的管线上设有减压阀，该减压阀和第二电磁阀之间的管线上设有手动阀门，第一电磁阀和第二电磁阀将氢气缓冲罐或外接氢气存储装置的氢气送入电堆发电；重整器处于预热阶段未产生氢气时，若要求该电源系统发电，关闭第一电磁阀开启第二电磁阀，由外接氢气存储装置为发电子系统提供氢气。

Description

一种快速启动的甲醇燃料电源系统

技术领域

本发明涉及氢能源领域，具体而言，涉及一种快速启动的甲醇燃料电源系统。 

背景技术

目前，传统通信基站采用油机和铅酸蓄电池作为备用电源，但具有工作效率低、噪音环境污染严重、功率密度低等问题。燃料电池技术能够克服传统通信基站备用电源的缺点，作为新型的备用电源技术在备用电源保障领域受到越来越多的重视。 

燃料电池发电技术必须有合适的燃料。在目前技术阶段，相比纯氢燃料而言，甲醇重整现场制氢和纯化技术是具有现实意义的燃料电池氢源。这种氢源能量密度高、能量转换效率大，并且液体燃料容易运输、补充和储存，在经济性等方面也具有很明显的优势。然而，如何提供稳定的氢源仍是亟需解决的问题。 

发明内容

本发明提供一种快速启动的甲醇燃料电源系统，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。 

为达到上述目的，本发明提供了一种快速启动的甲醇燃料电源系统，包括：燃料供给子系统、燃料处理子系统、发电子系统和外接氢气存储装置，其中： 

所述燃料供给子系统包括相连接的燃料罐和输送泵，用于储存和输运甲 醇水溶液燃料至所述燃料处理子系统； 

所述燃料处理子系统包括平衡组件、重整器、氢气净化膜和氢气缓冲罐，所述平衡组件连接在所述输送泵和所述重整器之间，所述氢气净化膜连接在所述重整器和所述氢气缓冲罐之间，用于将来自所述燃料供给子系统经过重整后的含有氢气的蒸汽进行提纯和干燥，得到纯净的氢气，并存储在所述氢气缓冲罐中； 

所述发电子系统通过第一电磁阀与所述燃料处理子系统相连接，所述发电子系统通过第二电磁阀与所述外接氢气存储装置相连接，其中，所述外接氢气存储装置出口处的管线上设置有减压阀，所述减压阀和所述第二电磁阀之间的管线上还设置有第一手动阀门，所述氢气缓冲罐与所述第一电磁阀之间的管线上还设置有第二手动阀门，这些阀门将燃料处理子系统中的氢气缓冲罐或所述外接氢气存储装置中的氢气送入电堆发电； 

其中，当所述重整器处于预热阶段还未产生氢气时，此时如果要求该电源系统发电，可以关闭所述第一电磁阀，开启所述第二电磁阀，由所述外接氢气存储装置为所述发电子系统提供氢气进行发电。 

进一步地，所述外接氢气存储装置为炭纤维缠绕铝内胆氢气瓶。 

进一步地，所述发电子系统的氢气入口之前的管线上还设置有减压阀。 

进一步地，所述氢气缓冲罐与所述发电子系统的电堆之间的供氢管路上还设置有三通管，所述三通管一端连接所述第一电磁阀，一端连接所述第二电磁阀，一端连接所述减压阀。 

本发明在系统准备预热或正在预热过程中，此时重整器还未产生氢气，氢气缓冲罐中还没有足够的氢气能够向电堆输出时，市电突然掉电，通过本发明的快速启动方案可保证立即有氢气进入电堆开始发电，向外输出稳定电力，保障负载不间断运行，满足不同的应急情况需求。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明一个实施例的快速启动的甲醇燃料电源系统示意图； 

图2为图1实施例中氢气管道连接结构放大图； 

图3为本发明一个实施例的快速启动的甲醇燃料电源系统应用示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

以下先介绍本发明的快速启动的甲醇燃料电源系统的实现原理。 

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。氢燃料电池以氢气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，工作温度一般为60～100℃。其最大特点是发电效率高(50％～70％)、环境友好、可以室温启动和具有高的比功率和比能量。 

甲醇重整燃料电池以甲醇水溶液作为燃料。燃料通过甲醇重整装置被转化为氢气和其它气体，氢气经过分离、提纯与干燥后存储在缓冲罐，由缓冲罐提供氢气通过燃料电池与空气中的氧气发生电化学反应，生成电流并对外输出电力。 

图1为本发明一个实施例的快速启动的甲醇燃料电源系统示意图；图2为图1实施例中氢气管道连接结构放大图。如图所示，该快速启动的甲醇燃料电源系统包括：燃料供给子系统、燃料处理子系统、发电子系统和外接氢气存储装置，其中： 

所述燃料供给子系统包括相连接的燃料罐和输送泵，用于储存和输运甲醇水溶液燃料至所述燃料处理子系统； 

所述燃料处理子系统包括平衡组件、重整器、氢气净化膜和氢气缓冲罐，所述平衡组件连接在所述输送泵和所述重整器之间，所述氢气净化膜连接在所述重整器和所述氢气缓冲罐之间，用于将来自所述燃料供给子系统经过重整后的含有氢气的蒸汽进行提纯和干燥，得到纯净的氢气，并存储在所述氢气缓冲罐中； 

所述发电子系统通过电磁阀1与所述燃料处理子系统相连接，所述发电子系统通过电磁阀2与所述外接氢气存储装置(在本实施例中采用的是氢气瓶)相连接，其中，所述外接氢气存储装置出口处的管线上设置有减压阀(外接氢气存储装置出口压力值较高，一般高达325Bar，通过设置一个减压阀，经过减压后，最终将压力降至1.03Bar(15Psi))，所述减压阀和之间的管线上还设置有手动阀门(以防出现意外时，能够手动切断外接氢气存储装置和其余管路连接)，同时氢气缓冲罐与电磁阀1之间的管线上也设置有手动阀门，这些阀门将燃料处理子系统中的氢气缓冲罐或所述外接氢气存储装置中的氢气送入电堆发电； 

其中，当所述重整器处于预热阶段时，关闭所述电磁阀1，开启所述电磁阀2，由所述外接氢气存储装置为所述发电子系统提供氢气进行发电。 

其次，在外接储氢装置到系统的连接末端增加一个电磁阀2，以选择控制氢气来源。 

进一步地，所述外接氢气存储装置为炭纤维缠绕铝内胆氢气瓶。 

进一步地，所述氢气缓冲罐与所述电磁阀1之间的管线上还设置有手动阀门，以防出现意外时，能够手动切断缓冲罐和其余管路的连接。 

进一步地，所述发电子系统的氢气入口之前的管线上还设置有减压阀。 

此外，还可以在氢气缓冲罐到发电子系统的电堆之间的供氢管路中增加一个三通管，如图2所示，三通管一端连接氢气缓冲罐出口的电磁阀1，一端连接外接氢气存储装置的电磁阀2，一端连接电堆进气管前的减压阀。 

此外，本发明中，储氢方式也可以采用数个工作压力为135Bar的钢瓶，需要额外增加相应的汇流排管路连接，以及阀门控制，需要更多占地面积和空间。 

在系统预热期间，还可采用同等容量的蓄电池来对外输出电力，保障负载的不间断运行，但蓄电池的温度控制，以及充放电管理相对复杂，增加系统的复杂程度。 

以下结合附图1、2、3详细阐述本发明的快速启动的甲醇燃料电源系统的工作过程。 

图3为本发明一个实施例的快速启动的甲醇燃料电源系统具体应用结构示意图。快速启动的甲醇燃料电源系统在使用时需与应用场景中的负载、整流器、蓄电池组一起并联在直流总线上，如图3所示。 

当ElectraGen-ME甲醇重整电源系统首次接入直流总线时，需要对系统的甲醇重整器进行3-4.5小时的预热。然后，系统进入待机状态。当市电消失，系统会自动由待机状态进入发电状态。此时，甲醇水溶液燃料从燃料罐进入燃料重整子系统，经过重整后，转化成氢气，存储在缓冲罐。当缓冲罐中的氢气存储到一定的量后，开始向发电子系统中的电堆供气，电堆进行发电，为并联在直流总线上的负载提供电力，保障其正常工作。 

然而，在系统进入待机状态前，需要3-4.5小时对甲醇重整器进行预热， 保证重整器能够正常工作，及时将甲醇溶液转化成氢气。在此期间内，没有氢气供应给燃料电池产生电力，系统不能对外输出电力。所以，如果在此期间遇到紧急情况，市电消失，而该系统又不能提供电力给负载，不能保障负载正常工作，将给用户造成损失。 

但由于本发明实施例中设置了外接氢气存储装置，上述状况将不会发生。 

图3实施例的具体工作过程如下： 

当系统首次安装好并连接在直流总线上，将甲醇装入燃料罐，系统控制面板的开关已打开，系统已经准备好进入预热阶段，外接氢气存储装置的各阀门已打开。此时，市电停电，系统工作将分为两个阶段。 

(1)预热阶段 

a、甲醇重整器部分 

图3实施例中系统配有4组12V100Ah的阀控式铅酸蓄电池做备用启动电源，由蓄电池来提供系统开机时所需的电压及功耗(电磁阀及风扇)。 

当市电断电时，先由蓄电池提供电力，保障系统开机，系统不能从直流总线上获取电力对重整器进行加热(加热功率约为1kW)，利用本方案中的外接氢气装置中的氢气供给电堆，电堆发电一部分供给负载，另一部分用来加热重整器，需要加热3-4.5个小时。 

b、发电子系统和外接氢气存储装置部分 

氢气从外接氢气存储装置的减压阀出来后，压力降至1.03Bar(15Psi)(该压力值和缓冲罐在正常工作时工作压力相近)，从电磁阀2通过，流向三通阀，再经过减压阀进入发电子系统的电堆中，进行发电。注意，此时电磁阀1处于关闭状态，防止在预热期间来自外接氢气存储装置的氢气流向缓冲罐，保证氢气只单向通往电堆。 

(2)预热结束阶段 

经过3-4.5小时，甲醇重整器预热完毕，当缓冲罐中氢气压力大于28Psi(193kPa)，重整器的状态由“Pressurize(增压)”变成“Online(发电)”，系统会自动打开缓冲罐的电磁阀1，同时关闭外接氢气存储装置的电磁阀2，由重整器为电堆提供氢气，不再使用外接的氢气来发电，系统进入正常发电状态。 

关于本发明实施例中氢气及氢气瓶参数选择 

(1)氢气要求 

氢气应满足具体应用系统中燃料电池堆的燃料参数要求，一个实施例的参数要求如表1所示： 

表1 

外接氢气存储装置中的氢气应当保障系统在预热过程中，电堆所发电力能够保障系统以额定功率输出。应该考虑系统最大可能所需的氢气量。系统的发电过程应当考虑如下两个因素： 

a、预热时间 

氢气瓶的储存量应比系统要求的最长预热时间多出一些作为备用。 

系统开机后，对甲醇重整器进行预热，系统两种预热模式，系统预热功耗与预热时间的关系如表2所示。本方案采用最长预热时间4.5h来考虑设计方案。 

表2 

预热功耗(W)	1000	500
			预热时间(h)	3	4.5

b、输出功率大小 

当系统以额定功率输出时，氢气瓶的存储量应满足系统对氢气的需求量。 

以系统的额定功率为5kW为例，考虑系统以5kW功率输出4.5h时所需的实际氢气量。 

根据表1可知，系统以5kW功率输出时，氢气消耗量为0.45kg/h，根据预热最长时间为4.5h，计算得出外接存储装置中所需存储的氢气量为： 

0.45kg/h×4.5h＝2.025kg 

(2)氢气瓶选择 

此方案主要考虑炭纤维缠绕铝内胆氢气瓶(简称炭纤维瓶)，规格参数如表3所示，同体积下能够存储更多的氢气。 

表3 

由表3可知，一个炭纤维瓶能够储氢2.11kg，需要数量为： 

2.025kg/2.11kg＝0.96 

取整为1个。 

综上所述，本发明具有以下有益效果： 

(1)能够在系统进行预热阶段不能向电堆供氢时，通过外接氢气存储装置，为电堆提供充足的氢气，保证电堆正常发电，为负载提供持续稳定电力， 为用户挽回损失。 

(2)本发明采用的外接氢气装置与系统的管路以及相应阀组的连接可靠，在实现目的的同时，结构实现最简化。 

(3)在系统预热阶段，甲醇重整器、外接氢气存储装置、发电子系统中氢气管路阀组的控制方式能够可靠保障电堆正常发电，对外输出电力。 

(4)在系统预热结束进入正常发电状态，甲醇重整器、外接氢气存储装置、发电子系统中的氢气管路阀组的控制方式能够可靠保障电堆正常发电，对外输出电力。 

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。 

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (4)

1.一种快速启动的甲醇燃料电源系统，其特征在于，包括：燃料供给子系统、燃料处理子系统、发电子系统和外接氢气存储装置，其中：

所述燃料供给子系统包括相连接的燃料罐和输送泵，用于储存和输运甲醇水溶液燃料至所述燃料处理子系统；

所述燃料处理子系统包括平衡组件、重整器、氢气净化膜和氢气缓冲罐，所述平衡组件连接在所述输送泵和所述重整器之间，所述氢气净化膜连接在所述重整器和所述氢气缓冲罐之间，用于将来自所述燃料供给子系统的经过重整后的含有氢气的蒸汽进行提纯和干燥，得到纯净的氢气，并存储在所述氢气缓冲罐中；

所述发电子系统通过第一电磁阀与所述燃料处理子系统相连接，所述发电子系统通过第二电磁阀与所述外接氢气存储装置相连接，其中，所述外接氢气存储装置出口处的管线上设置有减压阀，所述减压阀和所述第二电磁阀之间的管线上还设置有第一手动阀门，所述氢气缓冲罐与所述第一电磁阀之间的管线上还设置有第二手动阀门，所述的第一电磁阀和第二电磁阀用于将所述氢气缓冲罐或所述外接氢气存储装置中的氢气送入电堆发电，系统向外输出电力；

其中，当所述重整器处于预热阶段时，关闭所述第一电磁阀，开启所述第二电磁阀，由所述外接氢气存储装置为所述发电子系统提供氢气进行发电。

2.根据权利要求1所述的甲醇燃料电源系统，其特征在于，所述外接氢气存储装置为炭纤维缠绕铝内胆氢气瓶。

3.根据权利要求1所述的甲醇燃料电源系统，其特征在于，所述发电子系统的氢气入口之前的管线上还设置有减压阀。

4.根据权利要求3所述的甲醇燃料电源系统，其特征在于，所述氢气缓冲罐与所述发电子系统的电堆之间的供氢管路上还设置有三通管，所述三通管一端连接所述第一电磁阀，一端连接所述第二电磁阀，一端连接所述减压阀。