CN105244519B - 金属氢化物储氢与燃料电池联合系统 - Google Patents

金属氢化物储氢与燃料电池联合系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于手机信号基站的备用电源系统技术领域，特别涉及一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统。本发明将金属氢化物储氢罐设置在与排风管道连通的热交换腔室内，当燃料电池工作时，金属氢化物储氢罐利用从燃料电池排出的热空气加热储氢合金粉末进行放氢，保证储氢合金粉末处于有效放氢温度区，从而令其有效放氢量达到最高。引入到热交换腔室中并且被储氢合金粉末冷却的空气与新鲜空气混合后，循环提供给燃料电池，因此可以提高燃料电池的冷却性能。本发明的方法并不局限于空冷式燃料电池系统，还可应用于水冷式燃料电池系统。

Description

金属氢化物储氢与燃料电池联合系统
技术领域
本发明属于备用电源系统技术领域，特别涉及一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。
背景技术
用于手机信号基站应急发电用的燃料电池系统，一般采用质子交换膜燃料电池，这种燃料电池系统的燃料电池主体通常为通过堆叠多个被称为单体电池的最小结构单元而获得的燃料电池堆。一般的燃料电池包括分别提供氢的阳极和提供氧的阴极，氢气在阳极侧的电解质膜表层的催化剂中转换为活性氢原子，并且进一步放出电子转换为氢离子，该反应被表达如下：
H2→2H++2e (公式1)
氢离子从阳极侧穿过电解质膜迁移到阴极，同时电子穿过外电路迁移到阴极形成电流，电流流过外电路中的负载为基站系统提供电力。
空气中的氧气在阴极的催化剂层中接收外电路提供的电子，分解为氧原子并进一步转换为氧离子，然后与穿过电解质膜迁移来的氢离子结合，产生水，部分水通过浓度扩散从阴极迁移到阳极。该反应被表达如下。
O2+4H++4e→2H2O (公式2)
在上述反应中存在各种损耗，如由电解质膜和电极电阻导致的电阻过电压，由氢氧之间的电化学反应导致的反应过电压，以及由氢氧穿过扩散层的迁移导致的扩散过电压，由此产生的废热需要被散去。
包括上述单体电池的燃料电池系统的冷却方式有水冷式和空冷式。水冷式燃料电池系统除了必要的水循环系统之外，还包括许多附件，如用于提供压缩空气以提高燃料电池堆的输出密度的压缩器，因而导致水冷式燃料电池系统复杂，体积庞大，价格昂贵，消耗电力巨大而且维修保养困难。空冷式燃料电池系统使用风扇提供空气作为反应气体和冷却介质。空冷式燃料电池系统消耗电力少、体积小、解构简单，价格低廉，且保养维修容易，但由于空气流量有限，冷却能力比水冷式燃料电池系统的冷却能力低。因此在某些情况下，燃料电池堆的工作温度范围窄，且容易产生燃料电池过热停机的问题。
另外，对于手机信号基站的备用电源系统而言，为燃料电池提供氢气的储氢系统一般使用高压容器储氢。使用高压钢瓶存储氢气对环境条件要求少，成本低廉，但由于充氢所需压力高，因此一般需要通过更换气瓶进行氢气补充，而不能利用水电解制氢补充。由于每次紧急停电时启动并使用燃料电池备用电源所需的工作时间不定，氢气消耗量不同，如果使用高压气瓶难以控制氢气残留量与更换气瓶补充氢气的时间，容易造成资源浪费或者储氢量不足。
而金属氢化物包括储氢合金包括AB2(TiMn2)，AB(TiFe)，AB5(LaNi5)，A2B(Mg2Ni)和BCC相(Ti-V基)合金，其中以AB2系和AB系储氢合金适用于常温环境，且储氢合金存储氢气所需的充氢压力低，储氢量大，可以在常温下达到吸氢最大值，可以使用储氢合金罐与与电解水制氢系统的组合，在电力充足的时候电解水制氢，利用储氢合金可以在较低压力下大量吸氢的特性补充氢气储备，在紧急停电的时候放出氢气提供电力。
但金属氢化物储氢罐吸放氢过程对环境温度要求较高。储氢合金在放氢过程中需要大量吸热，如果温度过低会导致放氢量降低；在吸氢过程中大量放热，如果温度过高会导致吸氢性能下降。因此在手机基站用应急发电燃料电池系统中直接使用金属氢化物储氢罐时，需要特殊的罐体设计以提高换热效率。
为了避免上述问题，有文献提出了利用金属氢化物储氢系统放氢吸热的性能为燃料电池提供额外的冷却作用的设计。比如专利200810148884.X公开了利用金属氢化物储氢系统为燃料电池提供氢气的同时，也利用燃料电池的散热为金属氢化物升温的设计。然而在上述专利文献中公开的技术主要针对车载燃料电池系统进行设计，使用的耗电设备过多，不适用于基站应急备用电源系统，另外，对于储氢合金选择标准的不同也导致了适用设计的不同，如专利文献中的储氢系统主要使用了轻质的Mg基储氢合金，其所需要的300℃放氢温度对于基站用应急电源燃料电池系统，其升温所需时间和额外能耗方面并不适用于紧急停电状态下的基站燃料电池备用电源系统。专利文献中也未考虑储氢合金的抗毒化性能，而利用冷却剂作为热量转移介质的设计对无人监控下长期停机及需要紧急启动工作的储氢合金气罐存在较大的毒化风险。
发明内容
本发明的目的在于设计一种适用于金属氢化物特点的储氢罐及换热系统，利用燃料电池系统的废热，为金属氢化物储氢罐提供适合的放氢工作温度，使储氢合金达到最大有效储氢效率，并且利用金属氢化物储氢罐的吸热过程提高燃料电池堆的冷却性能。基于此，本发明提供了一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。
一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，该联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统；
所述燃料电池系统包括燃料电池3，燃料电池3的阴极侧与进风管道2连通，进风管道2的进风口设有过滤器1；燃料电池3的阳极侧与排风管道6的进风口连通；燃料电池3与第一温度传感器19连接，并通过导线连接至外部负载17；在进风管道2的进风口处或排风管道6的进风口处安装排风扇5；
排风管道6的排风口与热交换腔室7的一端连通；热交换腔室7另一端连接排气管道15的进气口，热交换腔室7与排气管道15的连接处设有清除阀24，排气管道15的排气口与所述进风管道2连通；热交换腔室7与氢气浓度传感器23连接，氢气浓度传感器23连接至清除阀24；
所述金属氢化物储氢系统包括金属氢化物储氢罐13，其内部填充储氢合金粉末14，所述金属氢化物储氢罐13设置在热交换腔室7内，其一端安装气阀8，气阀8一端连接氢气输出管道9，氢气输出管道9的另一端与热交换腔室7外侧的氢气供给管道10连通，氢气供给管道10通过氢气加压阀11连通至燃料电池3的阳极进气部；气阀8另一端连接氢气输入管16，氢气输入管16连接至所述电解水制氢系统的电解水制氢装置22；金属氢化物储氢罐13与第二温度传感器21连接；
所述第一温度传感器19、第二温度传感器21，以及排风扇5分别连接至排风扇控制器20。
所述热交换腔室7内壁设有散热叶片12。
所述热交换腔室7截面形状为圆形，其外壳下部设有支架18。
所述储氢合金粉末14为AB系或AB2系储氢合金。
所述排风扇5采用防爆结构。
本发明的有益效果为：
通过实际测试，燃料电池燃烧产生的废热与AB系或AB2系储氢合金放氢吸热所需的热能接近，实际使用中废热也存在许多损耗，因此设计中的散热通道得以简化。本发明将金属氢化物储氢罐设置在与排气管道连通的热交换腔室内，当燃料电池工作时，金属氢化物储氢罐利用从燃料电池排出的热空气加热储氢合金粉末进行放氢，保证储氢合金粉末处于有效放氢温度区，从而令其有效储氢量达到最高。该设计中，储氢合金粉末不会与水及其他物质接触，避免了AB系储氢合金因与水及其他物质接触反应毒化而失去储氢能力。此外，本发明可以将引入到热交换腔室中并且被金属氢化物储氢罐冷却的空气与新鲜空气混合后，循环提供给燃料电池堆，因此可以提高燃料电池堆的冷却性能。
附图说明
图1为本发明一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统示意图；
图2为图1所示联合系统中热交换腔室的侧面透视图；
图3为图1所示联合系统的控制系统设计图。
标号说明：1-过滤器，2-进风管道，3-燃料电池，4-燃料电池堆，5-排风扇，6-排风管道，7-热交换腔室，8-气阀，9-氢气输出管道，10-氢气供给管道，11-氢气加压阀，12-散热叶片，13-金属氢化物储氢罐，14-储氢合金粉末，15-排气管道，16-氢气输入管，17-外部负载，18-支架，19-第一温度传感器，20-排风扇控制器，21-第二温度传感器，22-电解水制氢装置，23-氢气浓度传感器，24-清除阀
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1-3为本发明一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。所述系统是安装在手机基站中的应急用燃料电池备用电源系统，包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统。
所述燃料电池系统包括燃料电池3，燃料电池3是通过堆叠多个被称为单体电池的最小结构单元而获得的燃料电池堆4。燃料电池3的阴极侧与进风管道2连通，进风管道2的进气口设有过滤器1，将空气过滤后提供给燃料电池3，燃料电池3的阳极侧与排风管道6的进风口连通，用于将热空气从燃料电池3中排出，排风管道6的进风口处安装排风扇5。燃料电池3与第一温度传感器19连接，并通过导线连接至外部负载17。
排风管道6的排风口与热交换腔室7的一端连通，如图2所示，本实施例中热交换腔室7包括截面形状为圆形的外壳以及固定外壳的支架18，热交换腔室7内壁设有增加热交换效率的铝合金散热叶片12。热交换腔室7另一端连接排气管道15的进气口，热交换腔室7与排气管道15的连接处设有清除阀24，排气管道15的排气口与所述进风管道2连通。热交换腔室7与氢气浓度传感器23连接，氢气浓度传感器23连接至清除阀24。
所述金属氢化物储氢系统包括向燃料电池3提供氢气的金属氢化物储氢罐13，其内部填充能够在室温低压条件下大量吸放氢气的储氢合金粉末14，一般选择可以在常温下进行吸放氢反应的AB系(TiFe)或AB2(TiMn2)系储氢合金。金属氢化物储氢罐13设置在热交换腔室7内，其一端安装气阀8，气阀8一端连接氢气输出管道9，氢气输出管道9的另一端与热交换腔室7外侧的氢气供给管道10连通，氢气供给管道10通过氢气加压阀11连通至燃料电池3的阳极进气部。气阀8的另一端连接氢气输入管16，氢气输入管16连接至所述电解水制氢系统的电解水制氢装置22，向金属氢化物储氢罐13输入和补充氢气。金属氢化物储氢罐13与第二温度传感器21连接。
所述第一温度传感器19、第二温度传感器21，以及排风扇5分别连接至排风扇控制器20。
工作过程中，金属氢化物储氢罐13通过减压实现储氢合金粉末14的放氢反应，将存储在储氢合金粉末14中的氢气由氢气输出管道9和氢气供给管道10经由氢气加压阀11引入到燃料电池3的阳极进气部，提供给单体电池的阳极。进风管道2利用低压排风扇5将通过过滤器1引入的环境空气提供给单体电池的阴极。空气中的氧气作为反应气体，与氢气产生反应，利用氢氧结合产生水的电化学反应过程发电，产生的电流通过导线输送至外部负载17，剩余部分用于去除燃料电池3中的废热，起到冷却燃料电池3的作用。因此，燃料电池3是使用空气作为反应气体和冷却介质的空冷式燃料电池系统。
当第一温度传感器19测得燃料电池3达到预定温度时，排风扇控制器20即启动排风扇5，反应后的和冷却了燃料电池3的热空气被排风扇5抽出排入排风管道6，然后被释放到热交换腔室7中，在热交换腔室7中经过散热叶片12与金属氢化物储氢罐13中的储氢合金粉末14进行热交换，储氢合金粉末14为燃料电池3提供氢气过程中大量吸热，经冷却的空气由排气管道15排出，并导入燃料电池3的进气管道2，与新鲜空气混合后再次进入燃料电池3，对燃料电池3进行冷却。过程中，既有效防止了储氢合金粉末14由于氢气的绝热膨胀变冷而导致的放氢性能下降，还提高了燃料电池3的冷却性能。
当电解水制氢装置22将氢气输入到金属氢化物储氢罐13中时，储氢合金粉末14吸氢过程中温度上升，导致吸氢量下降，当第二温度传感器21测得金属氢化物储氢罐13超过预定温度时，排风扇控制器20即启动排风扇5，将外部环境空气引入热交换腔室7，环境空气通过散热叶片12冷却储氢合金粉末14，从而可以抑制由氢气的绝热压缩导致的储氢合金粉末14温度提高，由此可以缩短将氢气填充到金属氢化物储氢罐13中所需的时间，并提高储氢合金粉末14的吸氢量。
当氢气浓度传感器23测得热交换腔室7中氢气浓度超过警戒浓度时，控制系统将排气管道15关闭，并打开清除阀24，将热交换腔室7中的气体排出，因此可以防止氢气在热交换腔室7及进气管道2中燃爆，提高系统的安全性。另外排风扇5采用防爆结构，当氢气泄露到热交换腔室7中时，也可以安全地驱动排风扇5。
上述实施方式中，排风扇5设置排风管道6的进风口，但是也可以将排风扇5设置在燃料电池3的进风管道2的进风口处。
本发明的方法并不局限于空冷式燃料电池系统，还可应用于水冷式燃料电池系统。由于水冷式燃料电池系统中排放出的热水比空冷式燃料电池系统中排放出的热空气的温度更高，其防止储氢合金粉末14温度过低的效果更加理想。

Claims (5)

1.一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统；
所述燃料电池系统包括燃料电池(3)，燃料电池(3)的阴极侧与进风管道(2)连通，进风管道(2)的进风口设有过滤器(1)；燃料电池(3)的阳极侧与排风管道(6)的进风口连通；燃料电池(3)与第一温度传感器(19)连接，由第一温度传感器(19)测量燃料电池(3)的温度，且燃料电池(3)通过导线连接至外部负载(17)；在进风管道(2)的进风口处或排风管道(6)的进风口处安装排风扇(5)；
排风管道(6)的排风口与热交换腔室(7)的一端连通；热交换腔室(7)另一端连接排气管道(15)的进气口，热交换腔室(7)与排气管道(15)的连接处设有清除阀(24)，排气管道(15)的排气口与所述进风管道(2)连通；热交换腔室(7)与氢气浓度传感器(23)连接，由氢气浓度传感器(23)测量热交换腔室(7)中的氢气浓度，氢气浓度传感器(23)连接至清除阀(24)；
所述金属氢化物储氢系统包括金属氢化物储氢罐(13)，其内部填充储氢合金粉末(14)，所述金属氢化物储氢罐(13)设置在热交换腔室(7)内，其一端安装气阀(8)，气阀(8)一端连接氢气输出管道(9)，氢气输出管道(9)的另一端与热交换腔室(7)外侧的氢气供给管道(10)连通，氢气供给管道(10)通过氢气加压阀(11)连通至燃料电池(3)的阳极进气部；气阀(8)另一端连接氢气输入管(16)，氢气输入管(16)连接至所述电解水制氢系统的电解水制氢装置(22)；金属氢化物储氢罐(13)与第二温度传感器(21)连接，由第二温度传感器(21)测量金属氢化物储氢罐(13)的温度；
所述第一温度传感器(19)、第二温度传感器(21)，以及排风扇(5)分别连接至排风扇控制器(20)。
2.根据权利要求1所述一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，热交换腔室(7)内壁设有散热叶片(12)。
3.根据权利要求1所述一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，热交换腔室(7)截面形状为圆形，其下部设有支架(18)。
4.根据权利要求1所述一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，所述储氢合金粉末(14)为AB系或AB2系储氢合金。
5.根据权利要求1所述一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，排风扇(5)采用防爆结构。
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