CN106532087A - 燃料动力电池发电机及发电方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料动力电池发电机,其特征在于:该发电机包括氢气产生器和与氢气产生器连接的质子发电机；氢气产生器包括电解池、催化反应器、压力控制系统、自动调节系统、气水分离器、硅粒干燥净化室和液罐；本发明克服了背景技术的不足，其成本低，制造工艺简单，其利用水加低廉的催化剂，消耗小功率即产生氢气做燃料，直接把氢气转化成为电能的化学发电设备，其又称氢燃料电池，实质是氢燃料发电机。氢气随产随用，不用携带氢气罐，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用氢燃料直接转化为电能的发电设备及方法。
背景技术
当前汽车燃油是造成环境污染的重要因素。而人类社会的进步和人口的增加，对社会物资需求不断提高，而随之造成的环境污染越加严重，人们急待对环境改善的期望。电力汽车是零排放的最佳选择。曾对传统锂电池寄予厚望，但实践证明锂电池有易发热、爆炸等隐患，充电时间长，续航里程短，低温效率低等严重不足。而且制造工艺复杂、成本高，增加国家财政支出和客户端的负担。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种燃料动力电池发电机及发电方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
一种燃料动力电池发电机,其特征在于:该发电机包括氢气产生器和与氢气产生器连接的质子发电机；氢气产生器包括电解池、催化反应器、压力控制系统、自动调节系统、气水分离器、硅粒干燥净化室和液罐；催化反应器设置在电解池内，液罐和自动调节系统连接电解池，压力控制系统连接电解池和自动调节系统，气水分离器连接液罐，硅粒干燥净化室连接气水分离器，硅粒干燥净化室连接压力控制系统和质子发电机。
质子发电机为单体质子发电机或由两个以上单体质子发电机构成的发电机电堆结构，单体质子发电机包括阳极、质子交换膜、催化剂和阴极；阳极和阴极分设于质子交换膜两边，质子交换膜的两侧帖有催化剂，阴极是由多孔比面积大的石墨纳米粉压制，压制时留有使空气顺畅接触阴极表面的氧气导流槽，阳极是由铝纳米颗粒压制，压制时留有使氢气顺畅接触阳极表面的氢气导流槽，导流槽连接氢气产生器的硅粒干燥净化室。
单体质子发电机串联或并联在一起形成发电机电堆结构，相邻的两个单体质子发电机的阳极与阳极相连，阴极与阴极相连构成并联结构，相邻的两个单体质子发电机的阴极与阳极相连形成串联结构。
阳极连接有阴极柱，阴极上连接有阳极柱，相邻的两个单体质子发电机的极柱之间通过极柱连接棒连接，极柱连接棒上阵列设置有卡在极柱上的连接柱卡头。
每个氢气导流槽上设置有氢气入口，多个质子发电机上的氢气入口通过氢气输送总管串联在一起，并共同通过氢气产生器的氢气出口连接至硅粒干燥净化室。
氢气输送总管上阵列设置有连接氢气入口的分流管头。
压力控制系统通过电源压力开关连接至催化反应器。
压力控制系统为红外光压力控制器。
气水分离器通过流量显示器连接硅粒干燥净化室, 在硅粒干燥净化室与质子发电机连接的通道上设置有过压限压阀和压力表。
氢气产生器中有电解池，电解池内有催化反应器，催化反应器由红外光压力控制器自动控制氢气产量的压力，氢气流量有流量显示器瞬时显示，使氢气产量按设计需要自动调节系统自动调节，产氢压力控制在0.2-0.45MPa 左右，有压力表瞬时指示；
氢气产生器产生的氢气由电解池进入气水分离器，水蒸汽冷凝后返回液罐，氢气进入干燥室干燥后由氢气出口送入质子发电机阳极；
氢气连续不断稳定产生，也有过压保护设施，当压力达到设定值时，电源压力开关接点自动断开，切断电源，中止氢气生成，当低于设定压力时，电源开关接点连接，自动供电，继续产气，当超过设定限压，电源开关接点没有断开，过压限压阀自动开启放气使压力稳定在额定压力范围，起到压力双保险的作用。此发明氢气产生机起到了取代高压氢气瓶的作用；
从氢气产生器产生的氢气从其氢气输出口引出后进入质子发电机氢气入口到达阳极，阳极是用多孔铝颗粒纳米材料压制的为氢气和电解质提供较大的接触面，在电解质作用下，对氢气起了催化作用，电解质由质子交换膜两面贴催化剂构成，催化剂是由二氧化钼紧密辊压成一体，当氢气被电解质催化电解成氢离子H+和电子e_后，质子交换膜起到关键作用：质子交换膜有允许氢离子H＋通过和阻止电子e_通过的两面性，氢离子H＋迅速通过质子交换膜到阴极，与进入氧气导流槽内的空气中的氧结合生成水，并从通道排出，而同时被阻止的电子e_从电子通路通过形成电流送往各种负载做功或给蓄电池充电。
优点及效果：
本发明是一种燃料动力电池发电机及发电方法，氢气产生器所产生的氢气供给质子发电机电堆中各单片发电机发电所需要的氢气，以氢气为燃料，直接把氢气转化为电能。所产氧气可输送给各单片发电机阴极（正极）与空气混合参与反应生成水。氢气产生器中有电极和电解池，电极是高活性零极距催化（SPE ）电极，即与电解质合一，是固态电解技术。电解池内有催化反应器，催化反应器是由红外压力控制器自动控制产氢量、压力，起到取代高压氢气瓶的作用。质子发电机电堆是由多个单片质子发电机组成。单片发电机是由两个电极（阴极、阳极）和一个质子交换膜构成。单片发电机阴极采用纳米石墨粉压制而成，留有导流槽，以便空气顺畅接触阴极表面。阳极是由铝纳米颗粒压制，压制时留有导流槽以便氢气顺畅接触阳极表面，足够满足电解需要的氢气。电解质是由质子交换膜两面均喷涂辊压有强力催化作用的纳米二氧化钼的固化电解质膜。发电电源堆组的连接用铜质极柱棒，极柱棒带有卡头，使质子发电机单片机串并联更快捷、操作更安全。氢气输送到发电机电堆采用氢气输送总管，总管上带有软管的分流管，为发电机电堆各单片发电机输送氢气。
氢气产生器所产生的氢气和氧气，氢气供给质子发电机电堆中各单元发电机发电所需要的氢气，以氢气为燃料直接转化为电能，氧气输送给各单片机阴极（正极）参加反应生成水。氢气产生器中有电极，电极是高活性零极距催化（SPE ) 电极属固态电解技术。氢气产生器中有电解池，电解池内有催化反应器，催化反应器是由红外光压力控制器自动控制氢气产量、压力。起到取代高压氢气瓶的作用。质子发电堆是由多个单片质子发电机组成。单片质子发电机是由两个电极（阴极、阳极）和一个质子交换膜构成。
单片发电机阴极采用纳米石墨粉压制而成，并留有导流槽，以便空气顺畅的接触阴极表面。阳极是由铝纳米颗粒压制而成，并留有导流槽，以便氢气顺畅接触阳极表面，足够满足电解需要的氢气。电解质是由质子交换膜两面均喷涂辊压据有强力催化作用的纳米二氧化钼的固化电解质膜。
发电电源堆组的连接用特制的铜质极柱棒。极柱棒带有卡头，使发电电源堆组中各单片发电机的串并联更快捷、操作更安全。氢气输送到发电电源组中各单片发电机采用氢气输送总管，总管上带有分流管头，分流管头接软管接到各单片发电机氢气入口。
本发明克服了背景技术的不足，其成本低，制造工艺简单，其利用水加低廉的催化剂，消耗小功率即产生氢气做燃料，直接把氢气转化成为电能的化学发电设备，其又称氢燃料电池，实质是氢燃料发电机。氢气随产随用，不用携带氢气罐，安全可靠。
附图说明
图1为发电设备总体结构；
图2 单体质子发电机结构；
图3 发电机电堆外型；
图4 并联发电堆组；
图5 串联发电堆组；
图6 极柱连接棒；
图7 氢气输送总管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明提出了一种燃料动力电池发电机,其特征在于:该发电机包括氢气产生器111和与氢气产生器111连接的质子发电机222；氢气产生器111包括电解池1、催化反应器2、压力控制系统3、自动调节系统4、气水分离器6、硅粒干燥净化室7和液罐10；催化反应器2设置在电解池1内，液罐10和自动调节系统4连接电解池1，压力控制系统3连接电解池1和自动调节系统4，气水分离器6连接液罐10，硅粒干燥净化室7连接气水分离器6，硅粒干燥净化室7连接压力控制系统3和质子发电机222。电解池1、催化反应器2、压力控制系统3、自动调节系统4、气水分离器6、硅粒干燥净化室7和液罐10设置在外壳12内。
质子发电机222为单体质子发电机或由两个以上单体质子发电机构成的发电机电堆结构，单体质子发电机外部为单片机壁隔13，单体质子发电机包括阳极14、质子交换膜15、催化剂16 和阴极17；阳极14和阴极17分设于质子交换膜15两边，质子交换膜15的两侧帖有催化剂16，阴极17是由多孔比面积大的石墨纳米粉压制，压制时留有使空气顺畅接触阴极17表面的氧气导流槽20，阳极14是由铝纳米颗粒压制，压制时留有使氢气顺畅接触阳极14表面的氢气导流槽19，导流槽19连接氢气产生器111的硅粒干燥净化室7。
单体质子发电机串联或并联在一起形成发电机电堆结构，相邻的两个单体质子发电机的阳极与阳极相连，阴极与阴极相连构成并联结构，相邻的两个单体质子发电机的阴极与阳极相连形成串联结构。
阳极14连接有阴极柱，阴极17上连接有阳极柱，相邻的两个单体质子发电机的极柱之间通过极柱连接棒25连接，极柱连接棒25上阵列设置有卡在极柱上的连接柱卡头26。
每个氢气导流槽19上设置有氢气入口18，多个质子发电机222上的氢气入口18通过氢气输送总管27串联在一起，并共同通过氢气产生器111的氢气出口11连接至硅粒干燥净化室7。
氢气输送总管27上阵列设置有连接氢气入口18的分流管头28。
压力控制系统3通过电源压力开关k连接至催化反应器2。
压力控制系统3为红外光压力控制器。
气水分离器6通过流量显示器8连接硅粒干燥净化室7, 在硅粒干燥净化室7与质子发电机222连接的通道上设置有过压限压阀5和压力表9。
下面结合附图对本发明做进一步的具体说明：
先介绍第一部分：氢气产生机如图1
当通电后，电解池中阴极（正极）产氢气，阳极（负极）产氧气。
反应式：2H2O→2H2↑+O2↑
氢气进入气/水分离器，将氢气和水（或水汽）分离。氢气进入干燥室（硅粒干燥剂）除湿后，经稳压阀，调节在额定压力（0.02-0.45Mpa 可调）输送给燃料电池入口。电解池的产氢压力由压力传感器控制在设定压力值上，当压力达到设定值时，电解池电源K 接点自动切断，停止产氢；低于设定压力时，K 接点闭合，电源自动恢复供电开始产氢。当压力达到设定值K 接点不断开继续产氢，压力继续上升，超过设定值时，压力保护器会自动开启排气阀释放部分气体，使氢气压力保持平衡，以达到双保险的作用。而阳极（负极）产的氧气送到质子发电机氧气导流槽通道20 与空气混合。
该发明氢气产生器电解中的电极是复合催化剂与离子膜合为一体形成的高活性零极距催化（SPE）电极，是固态电解技术。一次加碱可用半年以上。平时只补充纯净水。电解池电压为直流12V 或24V 。水可循环使用，耗用水量很少。
第二部分氢燃料发电机，即质子发电机222如图1所示
氢燃料发电机的关键部件是两个电极和一个质子交换膜。电极是用多孔材料制成，为氢气和电解质提供较大的接触面，还要对电化学反应起催化作用。两电极之间的质子交换膜是燃料电池的关键核心部件。这个质子交换膜有两面性，对氢分子经电化学反应产生的氢离子（H+即质子）和同时释放的电子(e_)有两种绝然不同的对待方式：对氢离子（即质子H+）有通过性，通过后与空气中的氧结合变成水（H2O ）排出；而对电子(e_)则阻止通过，使之另寻通路而形成的电路，电路上产生的电流则可直接带动各种负载和给蓄电池充电。为了质子交换膜更好的传导离子和加速电子速度，在质子交换膜两面加贴固体催化剂膜，与质子交换膜成为一个整体，形成固体电解质。阳极板膜与阴极板膜夹一片固体电解质膜所形成的单片电池是轻薄单片电池，每单片电池可达300W 以上。
氢气产生器111所产生的氢气供给质子发电机所需要的氢气，以氢气为燃料“燃烧“发电。
氢气产生器中有电解池，电解池内有催化反应器2 ，催化反器2 是由红外光压力控制器3 自动控制氢气产量的压力，氢气流量有流量显示器8 瞬时显示，使氢气产量按设计需要自动调节系统4 自动调节，产氢压力控制在0.2-0.45MPa 左右，有压力表9 瞬时指示。
产生的氢气由解池1 进入气水分离器6 ，水蒸汽冷凝后返回液罐10，氢气进入干燥室7 干燥后由氢气出口11送入质子发电机222阳极14。
氢气可连续不断稳定产生，也有过压保护设施。当压力达到设定值时，电源压力开关k 接点自动断开，切断电源，中止氢气生成，当低于设定压力时，电源开关k 接点连接，自动供电，继续产气。当超过设定限压，电源压力开关k接点没有断开，过压限压阀5 会自动开启放气使压力稳定在额定压力范围，起到压力双保险的作用。此发明氢气产生机起到了取代高压氢气瓶的作用。
质子发电机电堆单片机。氢燃料电池实质上就是用氢气发电的发电机，没有蓄电池的蓄电功能。每个质子发电机电堆都是由若干个单片机叠加而成。如图2质子发电机单片机剖图所示：单片机有阳极14 ，质子交换膜巧15、催化剂16 、阴极17都安装在独立的单片机壁隔13中，并有⊕引出端子。其工作原理是这样的：从氢气产生机产生的氢气从其氢气输出口11引出后进入质子发电机氢气入口18 到达阳极14 ，阳极14是用多孔铝颗粒纳米材料压制的为氢气和电解质提供较大的接触面，在电解质作用下，对氢气起了催化作用。电解质由质子交换膜15两面贴有催化剂16 ，催化剂是由廉价的新型强力催化功能的二氧化钼(MoO2 ）紧密辊压成一体。二氧化钼（MoO2）还具有快速传递离子和电子的特性。当氢气被电解质催化电解成氢离子H+和电子e_后，质子交换膜15 起到关键作用：质子交换膜15有允许氢离子H＋通过和阻止电子e_通过的两面性，氢离子H＋迅速通过质子交换膜15 到达阴极17，与进入氧气导流槽通道20内的空气中的氧（O2）结户合生成水，从通道排出。而同时被阻止的电子e_从电子通路通过形成电流送往各种负载做功或给蓄电池充电A。
如图2所示：本发明阴极17 ，是由多孔比面积大的石墨纳米粉压制。压制时留有氧气导流槽通道20以便空气顺畅接触阴极表面。阳极14是由铝纳米颗粒压制，压制时也留有导流槽19，以便氢气顺畅接触阳极1414 表面，足够满足电解需要的氢气。
如图2和图3所示，阴极17的空气导流槽20与图3空气入口网21内部是相通的，使阴极17 从空气中获得足够氧气与从质子交换膜15 穿透过来的氢离子H＋结合生成水排出。
如图4所示，为了方便安装和连接，单片发电机正负极从单片机对角线引出接发电堆体外的极柱。根据电路负载电压和电流大小的需要，如（负极）极柱22 与下一个（负极）极柱22 连接，（正极⊕）极柱23 与下一个（正极⊕）极柱23 相连接。依次连接若干个单片就构成了并联发电电源（或称电池）堆组。
同样道理如图5所示：单片机一正一负放置（正极⊕）极柱23与下一个（负极）极柱22 连接，依次连若干个单片机就构成了串联发电电源（或称电池）堆组。
极柱间连接用铜质做成极柱棒，如图6所示：只要极柱棒24上的卡头25 对准发电电源堆组上极柱（类似电插头对准插座）对齐按下即可。方便快捷，接触良好，安全可靠。
各单片机氢气输入的连接方式如图7所示：每个单片机均有一个氢气输入口管柱18 与氢气输送总管25 上的带有软管的分流管26 连接即可。
本发明有如下优越性：
1 ．本发明是一个燃料发电机，只“燃烧”纯净水，可应用于电动轿车、大巴车等，为电动车提供动力。
2 ．可以改变传统的用电模式，尤其在家庭用电可一改全部依赖国家电网习惯，可以以家庭为单元的独立电堆发电，随用随开，可交流，可直流，可连续可间断。平时只要一段时间加一点纯净水即可。
3 ．该发明应用范围广泛，小到几十瓦，大到大型发电电堆几十千瓦到几百千瓦可以满足中小企业用电。
4 ．本发明是一座不需充电的发电机按设计指标，只要发电机工作就有充足的电源，车辆续行里程就可以不受限制。
Claims (10)
1.一种燃料动力电池发电机,其特征在于:该发电机包括氢气产生器(111)和与氢气产生器(111)连接的质子发电机(222)；氢气产生器(111)包括电解池（1）、催化反应器（2）、压力控制系统（3）、自动调节系统（4）、气水分离器（6）、硅粒干燥净化室（7）和液罐（10）；催化反应器（2）设置在电解池（1）内，液罐（10）和自动调节系统（4）连接电解池（1），压力控制系统（3）连接电解池（1）和自动调节系统（4），气水分离器（6）连接液罐（10），硅粒干燥净化室（7）连接气水分离器（6），硅粒干燥净化室（7）连接压力控制系统（3）和质子发电机(222)。
2.根据权利要求1所述的燃料动力电池发电机,其特征在于:质子发电机(222)为单体质子发电机或由两个以上单体质子发电机构成的发电机电堆结构，单体质子发电机包括阳极（14）、质子交换膜（15）、催化剂（16） 和阴极（17）；阳极（14）和阴极（17）分设于质子交换膜（15）两边，质子交换膜（15）的两侧帖有催化剂（16），阴极（17）是由多孔比面积大的石墨纳米粉压制，压制时留有使空气顺畅接触阴极（17）表面的氧气导流槽（20），阳极（14）是由铝纳米颗粒压制，压制时留有使氢气顺畅接触阳极（14）表面的氢气导流槽（19），导流槽（19）连接氢气产生器(111)的硅粒干燥净化室（7）。
3.根据权利要求2所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 单体质子发电机串联或并联在一起形成发电机电堆结构，相邻的两个单体质子发电机的阳极与阳极相连，阴极与阴极相连构成并联结构，相邻的两个单体质子发电机的阴极与阳极相连形成串联结构。
4.根据权利要求3所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 阳极（14）连接有阴极柱，阴极（17）上连接有阳极柱，相邻的两个单体质子发电机的极柱之间通过极柱连接棒（25）连接，极柱连接棒（25）上阵列设置有卡在极柱上的连接柱卡头（26）。
5.根据权利要求3所述的燃料动力电池发电机,其特征在于:每个氢气导流槽（19）上设置有氢气入口（18），多个质子发电机(222)上的氢气入口（18）通过氢气输送总管（27）串联在一起，并共同通过氢气产生器(111)的氢气出口（11）连接至硅粒干燥净化室（7）。
6.根据权利要求5所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 氢气输送总管（27）上阵列设置有连接氢气入口（18）的分流管头（28）。
7.根据权利要求1所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 压力控制系统（3）通过电源压力开关（k）连接至催化反应器（2）。
8.根据权利要求1所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 压力控制系统（3）为红外光压力控制器。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的燃料动力电池发电机,其特征在于: 气水分离器（6）通过流量显示器(8)连接硅粒干燥净化室（7）, 在硅粒干燥净化室（7）与质子发电机(222)连接的通道上设置有过压限压阀(5)和压力表(9)。
10.利用权利要求2所述的燃料动力电池发电机所实施的发电方法,其特征在于:氢气产生器（111） 中有电解池（1），电解池内有催化反应器（2），催化反应器（2） 由红外光压力控制器（3） 自动控制氢气产量的压力，氢气流量有流量显示器（8） 瞬时显示，使氢气产量按设计需要自动调节系统（4） 自动调节，产氢压力控制在0.2-0.45MPa 左右，有压力表9瞬时指示；
氢气产生器（111）产生的氢气由电解池（1） 进入气水分离器（6） ，水蒸汽冷凝后返回液罐（10），氢气进入干燥室（7） 干燥后由氢气出口（11）送入 质子发电机（222）阳极（14）；
氢气连续不断稳定产生，也有过压保护设施，当压力达到设定值时，电源压力开关（k）接点自动断开，切断电源，中止氢气生成，当低于设定压力时，电源开关（k） 接点连接，自动供电，继续产气，当超过设定限压，电源开关（k） 接点没有断开，过压限压阀（5） 自动开启放气使压力稳定在额定压力范围，起到压力双保险的作用；
此发明氢气产生机起到了取代高压氢气瓶的作用；
从氢气产生器（111） 产生的氢气从其氢气输出口（11）引出后进入质子发电机（222）氢气入口（18） 到达阳极（14） ，阳极（14）是用多孔铝颗粒纳米材料压制的为氢气和电解质提供较大的接触面，在电解质作用下，对氢气起了催化作用，电解质由质子交换膜（15）两面贴催化剂（16）构成 ，催化剂是由二氧化钼紧密辊压成一体，当氢气被电解质催化电解成氢离子H+和电子e_后，质子交换膜（15） 起到关键作用：质子交换膜（15）有允许氢离子H＋通过和阻止电子e_通过的两面性，氢离子H＋迅速通过质子交换膜（15） 到阴极（17），与进入氧气导流槽（20）内的空气中的氧结合生成水，并从通道排出，而同时被阻止的电子e_从电子通路通过形成电流送往各种负载做功或给蓄电池充电。
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