CN107768699B - 一种低功耗负载供电电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗负载供电电池装置，包括阳极反应池、阴极反应池、用于控制阳极反应池内液体温度的第一温度控制系统以及用于控制阴极反应池内液体温度的第二温度控制系统；绝热壳体内设置有左腔室、右腔室及燃料电池，阳极反应池设置于左腔室内，阴极反应池设置于右腔室内，其中，阳极反应池的气体出口经第一流通通道与燃料电池的阳极相连通，阴极反应池的气体出口经第二流通通道与燃料电池的阴极相连通，且第一流通通道内及第二流通通道内分别设置有阳极水气分离膜及阴极水气分离膜，燃料电池的底部设置有电加热元件，外部电源与电加热元件相连接，该装置避免燃料电池内气体压力过高，保证燃料电池安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及一种电池装置，具体涉及一种低功耗负载供电电池装置。
背景技术
工作在野外和水下等恶劣环境条件下的小型用电设备(如传感器)要求其供电电源具有耐低温、高能量密度和超长时间续航等方面的性能，这类小型用电设备功耗低，但一般工作时间长，目前这类设备多使用蓄电池进行供电。蓄电池在实际使用过程中存在许多问题。首先，蓄电池存在自放电问题，一般难以提供连续超长时间供电(1年以上)；其次，蓄电池在低温条件下工作性能低，以锂电池为例，其最佳工作温度为10℃-40℃之间，在低温(如-10℃以下)环境下，即便进行保温处理，锂电池仍然需要将其储存的部分化学能转换为热能，以维持其安全工作温度值，然而蓄燃料电池工作时会生成气体，对于深水布置的传感器供电，需要对电池和部件进行全封闭处理，因此存在燃料电池内气体压力过高的问题，释放蓄电池产生的气体比较困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低功耗负载供电电池装置，该装置避免燃料电池内气体压力过高，保证燃料电池安全稳定运行。
为达到上述目的，本发明所述的低功耗负载供电电池装置包括绝热壳体、燃料电池、阳极反应池、阴极反应池、第一流通通道、第二流通通道、外部电源、用于控制阳极反应池内液体温度的第一温度控制系统以及用于控制阴极反应池内液体温度的第二温度控制系统；
绝热壳体内设置有左腔室、右腔室及燃料电池，阳极反应池设置于左腔室内，阴极反应池设置于右腔室内，其中，阳极反应池的气体出口经第一流通通道与燃料电池的阳极相连通，阴极反应池的气体出口经第二流通通道与燃料电池的阴极相连通，且第一流通通道内及第二流通通道内分别设置有阳极水气分离膜及阴极水气分离膜，燃料电池的底部设置有电加热元件，外部电源与电加热元件相连接。
还包括加热电路开关、交直流逆变器及第一隔离板，其中，绝热壳体通过第一隔离板分隔为第一腔室及第二腔室，第一腔室通过燃料电池分割为左腔室及右腔室，加热电路开关及交直流逆变器位于第二腔室内，外部电源依次经交直流逆变器及加热电路开关与电加热元件相连接。
燃料电池的左侧设置有第二隔离板，第二隔离板的上端与左腔室顶部的内壁相连接，第二隔离板的下端与左腔室的底部之间设置有第一间隙，阳极反应池的顶部与第一腔室顶部的内壁之间设置有第二间隙，阳极反应池左侧面的外壁与第二隔离板之间设置有第三间隙，阳极反应池的入口设置于阳极反应池顶部的左侧，第一间隙、第三间隙及第二间隙依次相连通组成第一流通通道；
燃料电池的右侧设置于第三隔离板，第三隔离板的上端与右腔室的顶部之间设置有第四间隙，第三隔离板的下端与右腔室的底部相连接，阴极反应池顶部的外壁与右腔室顶部的内壁之间设置有第五间隙，阴极反应池的入口设置于阴极反应池顶部的右侧，第四间隙及第五间隙相连通组成第二流通通道。
还包括气液分离器、单向阀及冷凝器，其中，冷凝器的入口与燃料电池的阳极相连通，冷凝器的出口与气液分离器的入口相连通，气液分离器的气体出口与第一流通通道相连通，气液分离器的液体出口经单向阀与阳极反应池相连通。
左腔室的壁面设置有阳极入料口，其中，所述阳极入料口正对阳极反应池的入口；
右腔室的壁面设置有阴极入料口，其中，阴极入料口正对阴极反应池的入口。
所述第一温度控制系统包括阳极冷却系统及阳极加热系统，其中，阳极冷却系统包括阳极上冷却热管、阳极冷却热管压力常闭控制阀及阳极下冷却热管，其中，阳极上冷却热管内嵌于左腔室顶部的外壁上，阳极下冷却热管的下端插入于阳极反应池内，阳极上冷却热管通过阳极冷却热管压力常闭控制阀与阳极下冷却热管相连接；
阳极加热系统包括阳极下加热热管、阳极加热热管压力常开控制阀及位于阳极反应池内的阳极上加热热管，其中，阳极下加热热管通过阳极加热热管压力常开控制阀与阳极上加热热管相连接。
第二温度控制系统包括阴极冷却系统及阴极加热系统，其中，所述阴极冷却系统包括阴极上冷却热管、阴极冷却热管压力常闭控制阀及阴极下冷却热管，其中，阴极上冷却热管内嵌于右腔室顶部的外壁上，阴极下冷却热管的下端插入于阴极反应池内，阴极上冷却热管通过阴极冷却热管压力常闭控制阀与阴极下冷却热管相连接；
阴极加热系统包括阴极下加热热管、阴极加热热管压力常开控制阀及位于阴极反应池内的阴极上加热热管，其中，阴极下加热热管通过阴极加热热管压力常开控制阀与阴极上加热热管相连接。
第二腔室内还设置有输出电路开关、控制器、升压器及负载，其中，燃料电池的阳极与升压器输入端的正极相连接，燃料电池的阴极经输出电路开关与升压器输入端的负极相连接，升压器的输出端与负载相连接，升压器的控制端与控制器相连接。
第二腔室内还设置有电能储存器件及充放电电路开关，其中，电能储存器件的正极经充放电电路开关与燃料电池的阳极相连接，电能储存器件的负极与燃料电池的阴极相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的低功耗负载供电电池装置在具体工作时，阳极反应池内的液体为金属硼氢化物水溶液，阴极反应池内的液体为过氧化氢水溶液，根据金属硼氢化物水解反应生成氢气，金属硼氢化物分解生成氧气，氧气与氢气在燃料电池中发生电化学反应，从而产生电流，进而通过该电流为低功耗负载供电。同时，需要说明的是，金属硼氢化物水解速度及过氧化氢分解速度均与温度相关，通过第一温度控制系统及第二温度控制系统控制阳极反应池及阴极反应池内液体的温度，即可达到控制金属硼氢化物水解速度及过氧化氢分解速度的目的，实现调节燃料电池阳极和阴极内氢气及氧气的工作压力，以确保燃料电池内氢气和氧气工作压力在设计压力范围内，进而避免燃料电池内气体压力过高，保证燃料电池安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1为绝热壳体、2为阳极入料口、3为阳极水气分离膜、4为阳极上冷却热管、5为阳极冷却热管压力常闭控制阀、6为阳极下冷却热管、7为气液分离器、8为单向阀、9为冷凝器、10为燃料电池、11为阴极上冷却热管、12为阴极冷却热管压力常闭控制阀、13为阴极下冷却热管、14为阴极水气分离膜、15为阴极入料口、16为阴极反应池、17为阴极上加热热管、18为阴极加热热管压力常开控制阀、19为阴极下加热热管、20为电加热元件、21为阳极下加热热管、22为阳极加热热管压力常开控制阀、23为阳极上加热热管、24为充放电电路开关、25为电能储存器件、26为插头、27为交直流逆变器、28为加热电路开关、29为输出电路开关、30为控制器、31为升压器、32为负载、33为阳极反应池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的低功耗负载供电电池装置包括绝热壳体1、燃料电池10、阳极反应池33、阴极反应池16、第一流通通道、第二流通通道、外部电源、用于控制阳极反应池33内液体温度的第一温度控制系统以及用于控制阴极反应池16内液体温度的第二温度控制系统；绝热壳体1内设置有左腔室、右腔室及燃料电池10，阳极反应池33设置于左腔室内，阴极反应池16设置于右腔室内，其中，阳极反应池33的气体出口经第一流通通道与燃料电池10的阳极相连通，阴极反应池16的气体出口经第二流通通道与燃料电池10的阴极相连通，且第一流通通道内及第二流通通道内分别设置有阳极水气分离膜3及阴极水气分离膜14，燃料电池10的底部设置有电加热元件20，外部电源与电加热元件20相连接。
本发明还包括加热电路开关28、交直流逆变器27及第一隔离板，其中，绝热壳体1通过第一隔离板分隔为第一腔室及第二腔室，第一腔室通过燃料电池10分割为左腔室及右腔室，加热电路开关28及交直流逆变器27位于第二腔室内，外部电源依次经交直流逆变器27及加热电路开关28与电加热元件20相连接。
燃料电池10的左侧设置有第二隔离板，第二隔离板的上端与左腔室顶部的内壁相连接，第二隔离板的下端与左腔室的底部之间设置有第一间隙，阳极反应池33的顶部与第一腔室顶部的内壁之间设置有第二间隙，阳极反应池33左侧面的外壁与第二隔离板之间设置有第三间隙，阳极反应池33的入口设置于阳极反应池33顶部的左侧，第一间隙、第三间隙及第二间隙依次相连通组成第一流通通道；燃料电池10的右侧设置于第三隔离板，第三隔离板的上端与右腔室的顶部之间设置有第四间隙，第三隔离板的下端与右腔室的底部相连接，阴极反应池16顶部的外壁与右腔室顶部的内壁之间设置有第五间隙，阴极反应池16的入口设置于阴极反应池16顶部的右侧，第四间隙及第五间隙相连通组成第二流通通道。
本发明还包括气液分离器7、单向阀8及冷凝器9，其中，冷凝器9的入口与燃料电池10的阳极相连通，冷凝器9的出口与气液分离器7的入口相连通，气液分离器7的气体出口与第一流通通道相连通，气液分离器7的液体出口经单向阀8与阳极反应池33相连通。
左腔室的壁面设置有阳极入料口2，其中，所述阳极入料口2正对阳极反应池33的入口；右腔室的壁面设置有阴极入料口15，其中，阴极入料口15正对阴极反应池16的入口。
所述第一温度控制系统包括阳极冷却系统及阳极加热系统，其中，阳极冷却系统包括阳极上冷却热管4、阳极冷却热管压力常闭控制阀5及阳极下冷却热管6，其中，阳极上冷却热管4内嵌于左腔室顶部的外壁上，阳极下冷却热管6的下端插入于阳极反应池33内，阳极上冷却热管4通过阳极冷却热管压力常闭控制阀5与阳极下冷却热管6相连接；阳极加热系统包括阳极下加热热管21、阳极加热热管压力常开控制阀22及位于阳极反应池33内的阳极上加热热管23，其中，阳极下加热热管21通过阳极加热热管压力常开控制阀22与阳极上加热热管23相连接。
第二温度控制系统包括阴极冷却系统及阴极加热系统，其中，所述阴极冷却系统包括阴极上冷却热管11、阴极冷却热管压力常闭控制阀12及阴极下冷却热管13，其中，阴极上冷却热管11内嵌于右腔室顶部的外壁上，阴极下冷却热管13的下端插入于阴极反应池16内，阴极上冷却热管11通过阴极冷却热管压力常闭控制阀12与阴极下冷却热管13相连接；阴极加热系统包括阴极下加热热管19、阴极加热热管压力常开控制阀18及位于阴极反应池16内的阴极上加热热管17，其中，阴极下加热热管19通过阴极加热热管压力常开控制阀18与阴极上加热热管17相连接。
第二腔室内还设置有输出电路开关29、控制器30、升压器31及负载32，其中，燃料电池10的阳极与升压器31输入端的正极相连接，燃料电池10的阴极经输出电路开关29与升压器31输入端的负极相连接，升压器31的输出端与负载32相连接，升压器31的控制端与控制器30相连接；第二腔室内还设置有电能储存器件25及充放电电路开关24，其中，电能储存器件25的正极经充放电电路开关24与燃料电池10的阳极相连接，电能储存器件25的负极与燃料电池10的阴极相连接。
阳极反应池33内的液体为金属硼氢化物水溶液，阴极反应池16内的液体为过氧化氢水溶液，金属硼氢化物水溶液通过阳极入料口2进入到阳极反应池33内，过氧化氢水溶液经阴极入料口15进入到阴极反应池16内。
阳极反应池33内的金属硼氢化物持续不断发生水解反应，产生氢气，氢气通过阳极水气分离膜3进入燃料电池10的阳极，阴极反应池16内的过氧化氢持续不断发生分解反应，生成氧气，氧气通过阴极水气分离膜14进入燃料电池10的阴极。氢气与氧气在燃料电池10内发生电化学反应，电化学反应产生的电子通过外电路在阳极与阴极之间形成电流，并在燃料电池10阳极出生成水；燃料电池10产生的电能储存在电能储存器件25中或直接通过升压器31向负载32供电，电能储存器件25通过充放电电路开关24、输出电路开关29及升压器31向负载32供电，同时，通过控制器30控制升压器31。
需要说明的是，金属硼氢化物水解速度及过氧化氢分解速度均与温度相关，通过第一温度控制系统及第二温度控制系统控制阳极反应池33及阴极反应池16内液体的温度，即可达到控制金属硼氢化物水解速度及过氧化氢分解速度的目的，实现调节燃料电池10阳极和阴极内氢气及氧气的工作压力，以确保燃料电池10内氢气和氧气工作压力在设计压力范围内，具体控制过程如下：
当氢气压力低于设计上限值且大于设计下限值时，阳极冷却热管压力常闭控制阀5处于关闭状态，阳极加热热管常开控制阀也处于关闭状态。由于阳极反应池33内金属硼氢化物水解为放热过程，阳极反应池33的温度逐渐上升，阳极反应池33中金属硼氢化物水解速率上升，同时产生氢气的速率上升，当氢气压力大于设计上限值时，阳极冷却热管压力常闭控制阀5打开，阳极冷却热管开始工作，阳极反应池33的温度逐渐下降，阳极反应池33内金属硼氢化物的水解速度下降，同时产生氢气的速率下降，氢气压力下降；当氢气压力低于设定上限值时，阳极冷却热管压力常闭控制阀5关闭，阳极上冷却热管4及阴极下冷却热管13停止工作；当氢气压力低于设定下限值时，阳极加热热管压力常开控制阀22打开，阳极下加热热管21及阳极上加热热管23开始工作，阳极反应池33的温度逐渐上升，阳极反应池33内金属硼氢化物的水解速度上升，氢气压力上升，当氢气压力高于设定下限值时，阳极加热热管压力常开控制阀22关闭停止工作，阳极上加热热管23及阳极下加热热管21停止工作。
当燃料电池10阴极侧氧气压力低于设计上限值且大于设计下限值时，阴极冷却热管压力常闭控制阀12处于关闭状态，阴极加热热管压力常开控制阀18处于关闭状态，由于阴极反应池16内双氧水分解为放热过程，阴极反应池16温度逐渐上升，过氧化氢分解速度上升，产生氧气速率上升，氧气压力上升，当氧气压力大于设定上限值时，阴极冷却热管压力常闭控制阀12打开，这时阴极上冷却热管11及阴极下冷却热管13开始工作，阴极反应池16的温度下降，过氧化氢分解速度下降，产生氧气速率下降，氧气压力下降。当氧气压力低于设定上限值时，阴极冷却热管压力常闭控制阀12关闭，阴极上冷却热管11及阴极下冷却热管13停止工作；当氧气压力低于设定下限值时，阴极加热热管压力常开控制阀18打开，这时阴极上加热热管17及阴极下加热热管19开始工作，阴极反应池16的温度逐渐上升，过氧化氢分解速度上升，氧气压力上升；当氧气压力高于设定下限值时，阴极加热热管压力常开控制阀18关闭，阴极上加热热管17及阴极下加热热管19停止工作。
燃料电池10的工作温度为600℃～800℃，装置启动时，将插头26连接220V外部电源上，外部电源输出的交流电经交直流逆变器27后对电加热元件20进行供电，电加热元件20逐渐将燃料电池10工作温度提升到600℃以上；在燃料电池10阴极由于电化学反应生成的水为气态，燃料电池10阳极出口为水和氢气混合气体，混合气流进入冷凝器9冷凝，使混合气体中的大部分水在冷凝器9中发生冷凝，然后再进入气液分离器7中进行气液分离，其中，分离出来的液体经单向阀8流入阳极反应池33内，分离出来的气体回流到燃料电池10的阳极中。
Claims (9)
1.一种低功耗负载供电电池装置，其特征在于，包括绝热壳体(1)、燃料电池(10)、阳极反应池(33)、阴极反应池(16)、第一流通通道、第二流通通道、外部电源、用于控制阳极反应池(33)内液体温度的第一温度控制系统以及用于控制阴极反应池(16)内液体温度的第二温度控制系统；
绝热壳体(1)内设置有左腔室、右腔室及燃料电池(10)，阳极反应池(33)设置于左腔室内，阴极反应池(16)设置于右腔室内，其中，阳极反应池(33)的气体出口经第一流通通道与燃料电池(10)的阳极相连通，阴极反应池(16)的气体出口经第二流通通道与燃料电池(10)的阴极相连通，且第一流通通道内及第二流通通道内分别设置有阳极水气分离膜(3)及阴极水气分离膜(14)，燃料电池(10)的底部设置有电加热元件(20)，外部电源与电加热元件(20)相连接。
2.根据权利要求1所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，还包括加热电路开关(28)、交直流逆变器(27)及第一隔离板，其中，绝热壳体(1)通过第一隔离板分隔为第一腔室及第二腔室，第一腔室通过燃料电池(10)分割为左腔室及右腔室，加热电路开关(28)及交直流逆变器(27)位于第二腔室内，外部电源依次经交直流逆变器(27)及加热电路开关(28)与电加热元件(20)相连接。
3.根据权利要求2所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，燃料电池(10)的左侧设置有第二隔离板，第二隔离板的上端与左腔室顶部的内壁相连接，第二隔离板的下端与左腔室的底部之间设置有第一间隙，阳极反应池(33)的顶部与第一腔室顶部的内壁之间设置有第二间隙，阳极反应池(33)左侧面的外壁与第二隔离板之间设置有第三间隙，阳极反应池(33)的入口设置于阳极反应池(33)顶部的左侧，第一间隙、第三间隙及第二间隙依次相连通组成第一流通通道；
燃料电池(10)的右侧设置有第三隔离板，第三隔离板的上端与右腔室的顶部之间设置有第四间隙，第三隔离板的下端与右腔室的底部相连接，阴极反应池(16)顶部的外壁与右腔室顶部的内壁之间设置有第五间隙，阴极反应池(16)的入口设置于阴极反应池(16)顶部的右侧，第四间隙及第五间隙相连通组成第二流通通道。
4.根据权利要求1所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，还包括气液分离器(7)、单向阀(8)及冷凝器(9)，其中，冷凝器(9)的入口与燃料电池(10)的阳极相连通，冷凝器(9)的出口与气液分离器(7)的入口相连通，气液分离器(7)的气体出口与第一流通通道相连通，气液分离器(7)的液体出口经单向阀(8)与阳极反应池(33)相连通。
5.根据权利要求1所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，左腔室的壁面设置有阳极入料口(2)，其中，所述阳极入料口(2)正对阳极反应池(33)的入口；
右腔室的壁面设置有阴极入料口(15)，其中，阴极入料口(15)正对阴极反应池(16)的入口。
6.根据权利要求1所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，所述第一温度控制系统包括阳极冷却系统及阳极加热系统，其中，阳极冷却系统包括阳极上冷却热管(4)、阳极冷却热管压力常闭控制阀(5)及阳极下冷却热管(6)，其中，阳极上冷却热管(4)内嵌于左腔室顶部的外壁上，阳极下冷却热管(6)的下端插入于阳极反应池(33)内，阳极上冷却热管(4)通过阳极冷却热管压力常闭控制阀(5)与阳极下冷却热管(6)相连接；
阳极加热系统包括阳极下加热热管(21)、阳极加热热管压力常开控制阀(22)及位于阳极反应池(33)内的阳极上加热热管(23)，其中，阳极下加热热管(21)通过阳极加热热管压力常开控制阀(22)与阳极上加热热管(23)相连接。
7.根据权利要求1所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，第二温度控制系统包括阴极冷却系统及阴极加热系统，其中，所述阴极冷却系统包括阴极上冷却热管(11)、阴极冷却热管压力常闭控制阀(12)及阴极下冷却热管(13)，其中，阴极上冷却热管(11)内嵌于右腔室顶部的外壁上，阴极下冷却热管(13)的下端插入于阴极反应池(16)内，阴极上冷却热管(11)通过阴极冷却热管压力常闭控制阀(12)与阴极下冷却热管(13)相连接；
阴极加热系统包括阴极下加热热管(19)、阴极加热热管压力常开控制阀(18)及位于阴极反应池(16)内的阴极上加热热管(17)，其中，阴极下加热热管(19)通过阴极加热热管压力常开控制阀(18)与阴极上加热热管(17)相连接。
8.根据权利要求2所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，第二腔室内还设置有输出电路开关(29)、控制器(30)、升压器(31)及负载(32)，其中，燃料电池(10)的阳极与升压器(31)输入端的正极相连接，燃料电池(10)的阴极经输出电路开关(29)与升压器(31)输入端的负极相连接，升压器(31)的输出端与负载(32)相连接，升压器(31)的控制端与控制器(30)相连接。
9.根据权利要求2所述的低功耗负载供电电池装置，其特征在于，第二腔室内还设置有电能储存器件(25)及充放电电路开关(24)，其中，电能储存器件(25)的正极经充放电电路开关(24)与燃料电池(10)的阳极相连接，电能储存器件(25)的负极与燃料电池(10)的阴极相连接。
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