CN107171005A - 一种氢燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池系统及其控制方法。本发明利用反应溶液水解制氢，通过控制器控制反应室反应的压力和温度，以及散热器的温度和储氢室的压力，并控制反应溶液的溶液量，是一种安全、高效、实用性强的制氢技术，本发明的制氢燃料电池启动和负荷响应时间短、可靠性高，并且可对温度、湿度、压力、催化剂接触状况、溶液供应、功率调节等过程及参数进行集成控制，可以为燃料电池提供压力和流量可控的气源；采用液压泵将反应溶液注入装有催化剂的管式反应器，通过控制反应溶液的流速来控制发生氢气的速度；本发明对氢气需要量的变化作出快速响应，易实现输出氢气流量准确控制及系统参数的智能控制。

Description

一种氢燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢氧燃料电池制备领域，具体涉及一种基于硼氢化钠制氢的氢燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池是继火电、水电和核电之后的第4代发电技术，它是唯一兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化特点的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。按燃料的来源，燃料电池又可分为三类。第一类是直接式燃料电池，即其燃料直接用氢气或轻醇类；第二类是间接式燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过某种方法(如重整转化)将轻醇、天然气、汽油等化合物转变成氢(或氢的混合物)后再供给燃料电池发电；第三类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电解分解成氢和氧，再将氢和氧输入燃料电池发电。作为燃料电池的一种，氢氧燃料电池(Hydrogen-Oxygen Fuel Cell)以氢气为燃料作还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。
氢燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢气、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水，此时氢电极上有多余电子带负电，氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。其具有如下特点：产物是水，清洁环保；容易持续通氢气和氧气，产生持续电流；能量转换率较高；排放废弃物少；噪音低。因此，氢氧燃料电池近年来受到人们的广泛关注。
目前国内外氢燃料电池的相关专利的研究内容基本上围绕着燃料电池的结构设计、电极材料、反应装置、电解质组成优化以及氢气的制造与储存系统等方面。
氢燃料电池用储氢材料的研究面临着挑战。金属氢化物用作储氢材料由于其储存及运输氢安全、方便的特点而备受青睐，但由于热力学、动力学和金属原子量上的限制，一些可逆金属氢化物储氢质量分数只能达到1.5％～2.5％。配位轻金属氢化物的储氢质量分数在金属氢化物中相对较高，这些配位轻金属氢化物中又以铝氢化物(MXAlH4)和硼氢化物(MXBH4)储氢质量分数最大，最大可达到18.4％(LiBH4)。
国外的Amendola研究组设计出两种实现该反应的方案。方案I类似于扁昔发生器，利用压筹将储罐中静止的NaBH4溶液驱入装有催化剂的反应管，NaBH4溶液由反应管底部进入，产生的氢气由反应管顶部通过控制阀逸出。通过控制反应管中氢气的压力可以调节反应管中NaBH4液面高低，从而也就控制了氧气的生成速度。方案2是使用小型机械泵将NaBH4溶液注入装有催化剂的管式反应器.通过控制NaBH4溶液的流速来控制产氢速度，该方案可对氢气需要量的变化做出快速响应。
A.Pozio等发明了一种新型、由硼氢化钠溶液水解制取氢气的装置，其特点是由两块平行的磁性平板围成反应区域，硼氧化钠碱性溶液包含在磁场之中。ENEA粉末催化剂是由直径为10微米的磁性球体组成，并在其表面涂有Ru的涂层，并使催化剂均匀的分布于磁性容器表面上，这种特殊的催化剂可以保证高动力速率且能提高其化学稳定性。在这个研究的基础上，A.Pozio等人又致力于一种新型便携式燃料电池能源发生器的设计，并取得了一定的成果。
国内的学者如杨汉西等人采用硼化镍作催化剂，进行了用硼氢化钠溶液水解制取氢气的研究，并取得了理想的效果。他们还公开了一项有关氢气制备方法及装置的专利(CNl438169)，将金属硼氢化物的水溶液或碱性水溶液与通过化学沉积在多孔载体村料的过渡金属硼化物催化剂接触.硼氧化物发生水解反应.释放出氢气。
王新东等对硼氧化钠制氧技术做了相关研究，并申请了一项专利(CNl01049907A)，该方法利用装置内部两容器间的氢气压力差的作用，使反应料在装置内的两容器间流动，调节反应料与催化剂的接触量，从而来控制氢气的产生速率和氢气压力。由于装置内部的气压可以随外部氢气的需求速率变化，从而实现该装置根据外部氢气的需求量来自控调节氢气的生成速率，达到即时自控供氢的目的。该方法是密闭两容器内，通过导液管来接通，两密闭容器分别是反应区容器和储料区容器，储料区容器内的反应料通过导液管进入反应区容器后.在催化剂催化作用下产生氢气，产生的氢气再由导气管通往燃料电池。
发明内容
为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于硼氢化钠制氢的氢燃料电池及其控制方法，本发明的氢燃料电池系统可以利用微控制器对硼氢化钠制氢系统中的温度、流量、压力等多参数进行集成控制，实现反应系统安全可靠、自动化的要求，可以直接为氢燃料电池提供流量和压力可调的氢源。
本发明的一个目的在于提出一种氢燃料电池系统。
本发明的氢燃料电池系统包括：溶液箱、液压泵、高速电磁阀、反应室、三通阀、散热器、气液分离器、减压阀、废液箱、储氢箱、反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器、储氢箱压力传感器和控制器；其中，溶液箱内盛放反应溶液；溶液箱连接至液压阀，通过高速电磁阀连接至反应室的入口；反应室的出口连接至三通阀的入口；三通阀的侧面为入口，顶端为空气出口，底端为液体出口；三通阀的液体出口连接至废液箱；三通阀的空气出口连接至散热器，散热器的出口连接至气液分离器；气液分离器的出口分别连接至减压阀和废液箱；减压阀连接至储氢箱；反应室内壁分别设置反应室温度传感器和反应室压力传感器；散热器的进出口处分别设置散热器温度传感器；储氢箱内设置储氢箱压力传感器；液压泵、高速电磁阀、反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器和储氢箱压力传感器分别连接至控制器；控制器通过反应室压力传感器实时测量反应室内的气压，当气压低于阈值时，控制器开启液压泵，抽取溶液箱中的反应溶液，经高速电磁阀加入反应室中；控制器通过控制高速电磁阀的通断时间对加人溶液量进行微调，反应溶液在反应室内进行水解反应生成氢气；水解反应的产物进入三通阀，在重力的作用下，气体和液体分离；废液经三通阀底端的液体出口进入废液箱；氢气和水汽通过三通阀顶端的气体出口进入散热器；散热器降低水汽和氢气的温度，水汽变成了液态水经气液分离器进入废液箱；氢气经气液分离器进入减压阀，再经过减压阀进入储氢箱，最后由调速阀调节供给燃料电池使用；控制器实时采集散热器温度传感器的温度信息，当温度过高时，控制器报警或停机；控制器实时采集储氢箱压力传感器的压力信息，当储氢箱的压力过高时，控制器关闭液压泵的电源；控制器根据需要设置压力与温度的变化参数，由反应溶液的浓度计算并控制反应溶液加入量，并由反馈的压力与温度信号自动调节液压泵的电压及高速电磁阀的通断时间，从而精确控制反应室的压力和温度信号。
反应溶液采用硼氢化钠NaBH4溶液。硼氢化钠是一种强还原剂，广泛用于废水处理、纸张漂白和药物合成等方面。在催化剂的作用下，NaBH4在碱性水溶液中可水解生成氢气和水溶性偏硼酸钠。
液压泵采用小功率液压泵。
反应室采用管式反应器，长度为200mm～300mm。在反应室中放置催化剂。反应室的管壁上均匀分布多个喷口，喷口的直径为0.5mm～1mm；在小功率液压泵的作用下，反应溶液从喷口处雾化喷出，进入反应室，与催化剂充分接触；反应室里安装有压力传感器及温度传感器，可及时检测反应室中压强和温度，并作为控制制氢反应速度的反馈信号；水解反应后的产物有气体(主要是H2)和液体，反应室出口连接至一个三通阀，利用重力作用将反应产物中的气体和液体进行分离。
控制器包括AC/DC转换单元、微处理器单元和隔离驱动单元；其中，反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器和储氢箱压力传感器分别连接至AC/DC转换单元；AC/DC转换单元将模拟信号转换为电信号传输至微处理器单元；微处理器单元控制隔离驱动单元，驱动液压泵和高速电磁阀的启动和关闭；微处理器单元还连接至外部的输入输出设备，从而实现对温度和压力的控制。
本发明的另一个目的在于提供一种氢燃料电池系统的控制方法。
本发明的氢燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：
1)控制器通过反应室压力传感器实时测量反应室内的气压，当气压低于阈值时，控制器开启液压泵，抽取溶液箱中的反应溶液，经高速电磁阀加入反应室中；
2)控制器通过控制高速电磁阀的通断时间对加人溶液量进行微调，反应溶液在反应室内进行水解反应生成氢气；
3)水解反应的产物进入三通阀，在重力的作用下，气体和液体分离；废液经三通阀底端的液体出口进入废液箱；
4)氢气和水汽通过三通阀顶端的气体出口进入散热器；散热器降低水汽和氢气的温度，水汽变成了液态水经气液分离器进入废液箱；
5)氢气经气液分离器进入减压阀，再经过减压阀进入储氢箱；
6)由调速阀调节氢气的输出量，供给燃料电池使用；
7)控制器实时采集散热器温度传感器的温度信息，当温度过高时，控制器报警或停机；控制器实时采集储氢箱压力传感器的压力信息，当储氢箱的压力过高时，控制器关闭液压泵的电源；控制器根据需要设置压力与温度的变化参数，由反应溶液的浓度计算并控制反应溶液加入量，并由反馈的压力与温度信号自动调节液压泵的电压及高速电磁阀的通断时间，从而精确控制反应室的压力和温度信号。
本发明的优点：
本发明利用反应溶液水解制氢，通过控制器控制反应室反应的压力和温度，以及散热器的温度和储氢室的压力，并控制反应溶液的溶液量，是一种安全、高效、实用性强的制氢技术，本发明的制氢燃料电池启动和负荷响应时间短、可靠性高，并且可对温度、湿度、压力、催化剂接触状况、溶液供应、功率调节等过程及参数进行集成控制，可以为燃料电池提供压力和流量可控的气源；采用液压泵将反应溶液注入装有催化剂的管式反应器，通过控制反应溶液的流速来控制发生氢气的速度；本发明对氢气需要量的变化作出快速响应，易实现输出氢气流量准确控制及系统参数的智能控制。
附图说明
图1为本发明的氢燃料电池系统的结构框图；
图2为本发明的氢燃料电池系统的一个实施例的反应室的示意图；
图3为本发明的氢燃料电池系统的控制器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的氢燃料电池系统包括：溶液箱、液压泵、高速电磁阀、反应室、三通阀、散热器、气液分离器、减压阀、废液箱、储氢箱、反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器、储氢箱压力传感器和控制器。
本实施例中，反应溶液采用硼氢化钠溶液，NaBH4在碱性水溶液中可水解生成氢气和水溶性偏硼酸钠，反应如下：
NaBH4+2H2O→4H2↑+NaBO2 (1)
反应(1)是一个放热反应，每产生1mol的H2放出75kJ热量，而其他氢化物与水反应生成氢的典型反应热为125kJ/mol(H2)。因而，反应(1)更安全而且容易控制。
NaBH4分子自身含氢的质量百分比为10.6％，但从反应(1)可见，在NaBH4与水的反应中，水成为另一个氢源，每1g NaBH4的最大产氢量为0.212g。因此，硼氢化钠水解制氢具有很高的储氢效率。如果没有催化剂，上述反应也能进行，其反应速度与溶液的pH值和温度有关。当pH值为8时，即使在常温下，NaBH4溶液也会很快水解。因此，为了使NaBH4制氢能够得到实际应用，必须将其保持在强碱性溶液中，通常在NaBH4溶液中加入氢氧化钠。
要利用NaBH4的碱性溶液来生产氢气，必须有足够快的反应速度，使用催化剂或酸以及升高体系温度都可以加速硼氢化钠的水解反应速度，其中使用催化剂(尤其是多相催化剂)是最为有效的方法。常用的催化剂有金属氯化物(NiCl2或CoCl2)、硼化物、交换树脂载铷金属和金属氧化物Pt-LiCoO2，以及钴和镍的硼化物中的一种。
本实施例中，反应室长为250mm，采用的催化剂为泡沫状，用筛网将其固定在反应室内壁。如图2所示，反应室的管壁上均匀分布多个喷口，喷口的直径为0.5mm；在小功率液压泵的作用下，反应溶液从喷口处雾化喷出，进入反应室，与催化剂充分接触。
图3为控制器的结构框图。外部的输入输出设备采用键盘和显示屏。控制器选用的单片机具有5通道PWM信号输出、64K Flash的存储空间以及在线编程能力，使用其PWM模块可方便准确的调节液压泵的电压，64KFlash空间可满足程序和数据的存储，在线编程使系统调试方便快捷。通过键盘输入使系统开始工作并确定制氢速度，压力传感器采集反应室内的压强信号并反馈到控制系统中从而调节液压泵的电压或高速电磁阀的周期开关时间来控制系统的制氢速度，系统中安装温度传感器，可以对反应室温度及散热器进出口的温度等进行精确测量，温度一旦过高时控制系统报警或停机；显示屏中显示用户设定值、压力信号、温度信号和制氢速度等相关信息。温度传感器采用热敏电阻。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢燃料电池系统包括：溶液箱、液压泵、高速电磁阀、反应室、三通阀、散热器、气液分离器、减压阀、废液箱、储氢箱、反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器、储氢箱压力传感器和控制器；其中，所述溶液箱内盛放反应溶液；所述溶液箱连接至液压阀，通过高速电磁阀连接至反应室的入口；所述反应室的出口连接至三通阀的入口；所述三通阀的侧面为入口，顶端为空气出口，底端为液体出口；三通阀的液体出口连接至废液箱；所述三通阀的空气出口连接至散热器，散热器的出口连接至气液分离器；所述气液分离器的出口分别连接至减压阀和废液箱；减压阀连接至储氢箱；所述反应室内壁分别设置反应室温度传感器和反应室压力传感器；所述散热器的进出口处分别设置散热器温度传感器；所述储氢箱内设置储氢箱压力传感器；所述液压泵、高速电磁阀、反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器和储氢箱压力传感器分别连接至控制器；所述控制器通过反应室压力传感器实时测量反应室内的气压，当气压低于阈值时，控制器开启液压泵，抽取溶液箱中的反应溶液，经高速电磁阀加入反应室中；控制器通过控制高速电磁阀的通断时间对加人溶液量进行微调，反应溶液在反应室内进行水解反应生成氢气；水解反应的产物进入三通阀，在重力的作用下，气体和液体分离；废液经三通阀底端的液体出口进入废液箱；氢气和水汽通过三通阀顶端的气体出口进入散热器；散热器降低水汽和氢气的温度，水汽变成了液态水经气液分离器进入废液箱；氢气经气液分离器进入减压阀，再经过减压阀进入储氢箱，最后由调速阀调节供给燃料电池使用；控制器实时采集散热器温度传感器的温度信息，当温度过高时，控制器报警或停机；控制器实时采集储氢箱压力传感器的压力信息，当储氢箱的压力过高时，控制器关闭液压泵的电源；控制器根据需要设置压力与温度的变化参数，由反应溶液的浓度计算并控制反应溶液加入量，并由反馈的压力与温度信号自动调节液压泵的电压及高速电磁阀的通断时间，从而精确控制反应室的压力和温度信号。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述反应室采用管式反应器，长度为200mm～300mm。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，在所述反应室内壁上设置筛网，筛网内盛放催化剂。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述反应室的管壁上均匀分布多个喷口，所述喷口的直径为0.5mm～1mm。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述控制器包括AC/DC转换单元、微处理器单元和隔离驱动单元；其中，所述反应室温度传感器、反应室压力传感器、散热器温度传感器和储氢箱压力传感器分别连接至AC/DC转换单元；所述AC/DC转换单元将模拟信号转换为电信号传输至微处理器单元；所述微处理器单元控制隔离驱动单元，驱动液压泵和高速电磁阀的启动和关闭；所述微处理器单元还连接至外部的输入输出设备，从而实现对温度和压力的控制。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述液压泵采用小功率液压泵。
7.一种氢燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)控制器通过反应室压力传感器实时测量反应室内的气压，当气压低于阈值时，控制器开启液压泵，抽取溶液箱中的反应溶液，经高速电磁阀加入反应室中；
2)控制器通过控制高速电磁阀的通断时间对加人溶液量进行微调，反应溶液在反应室内进行水解反应生成氢气；
3)水解反应的产物进入三通阀，在重力的作用下，气体和液体分离；废液经三通阀底端的液体出口进入废液箱；
4)氢气和水汽通过三通阀顶端的气体出口进入散热器；散热器降低水汽和氢气的温度，水汽变成了液态水经气液分离器进入废液箱；
5)氢气经气液分离器进入减压阀，再经过减压阀进入储氢箱；
6)由调速阀调节氢气的输出量，供给燃料电池使用；
7)控制器实时采集散热器温度传感器的温度信息，当温度过高时，控制器报警或停机；控制器实时采集储氢箱压力传感器的压力信息，当储氢箱的压力过高时，控制器关闭液压泵的电源；控制器根据需要设置压力与温度的变化参数，由反应溶液的浓度计算并控制反应溶液加入量，并由反馈的压力与温度信号自动调节液压泵的电压及高速电磁阀的通断时间，从而精确控制反应室的压力和温度信号。
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