CN108232231A - 矿井用燃料电池备用电源系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种矿井用燃料电池备用电源系统，该系统包括氢气源(1)、氧气源(5)和燃料电池(3)，所述氢气源(1)与所述燃料电池(3)的阳极入口(31)连通，所述氧气源(5)与所述燃料电池(3)的阴极入口(33)连通，所述燃料电池(3)的阳极出口(32)封闭。在本公开的矿井用燃料电池备用电源系统中，一方面，通过采用纯氧作为氧化剂气体，不仅避免了井下空气中的一氧化碳等有害气体对燃料电池的毒化，而且能够大幅提高燃料电池的输出功率；另一方面，通过将燃料电池的阳极出口封闭，避免了将未反应的氢气排放到环境中，以此方式，使得本公开的燃料电池备用电源系统能够适合于在矿井下使用。

Description

矿井用燃料电池备用电源系统
技术领域
本公开涉及燃料电池领域，具体地，涉及一种矿井用燃料电池备用电源系统。
背景技术
氢氧燃料电池是一种以氢气作还原剂，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装置。氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁环保、排放废弃物少、噪音低等特点。作为极具发展前途的新动力电源，氢氧燃料电池广泛应用于汽车、大型电站、便携移动电源、应急电源、家庭电源等领域。
传统的氢氧燃料电池通常直接以空气作为氧化剂气体，这样一方面能降低使用成本，另一方面能够防止电池内部积水过多，防止水淹电极，保证电池始终具有较佳性能。然而，传统的氢氧燃料电池却无法在矿井下使用，原因在于，矿井下的空气中含有较多的一氧化碳、二氧化硫等有害气体，这些有害气体会毒化燃料电池的催化剂。《矿井空气成份技术标准》中规定，一氧化碳的浓度不高于24ppm，二氧化硫的浓度不高于5ppm，这些限值大大超过了燃料电池所能承受的有害气体的阈值(一般规定一氧化碳的浓度不高于1ppm，二氧化硫的浓度不高于4ppb)。另外，传统的氢氧燃料电池在阳极出口处都会有少量(2-10％)未反应的氢气排出，而矿井下对于氢气的排放有着极为严格的要求(根据《矿井空气成份技术标准》的规定，氢气的局部聚集浓度不超过0.5％)，这同样导致传统的氢氧燃料电池无法在矿井下使用。
发明内容
本公开的目的是提供一种适于在矿井下使用的燃料电池备用电源系统。
为了实现上述目的，本公开提供一种矿井用燃料电池备用电源系统，该系统包括氢气源、氧气源和燃料电池，所述氢气源与所述燃料电池的阳极入口连通，所述氧气源与所述燃料电池的阴极入口连通，所述燃料电池的阳极出口封闭。
可选地，所述燃料电池的阳极出口通过第一阀门封闭。
可选地，所述氢气源和氧气源中的至少一者为通过化学反应生成气体的气体生成器。
可选地，所述氢气源为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，所述氧气源为氧气储罐。
可选地，所述氢气源为氢气储罐，所述氧气源为通过化学反应生成氧气的氧气生成器。
可选地，所述氢气源为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，所述氧气源为通过化学反应生成氧气的氧气生成器。
可选地，所述氢气源为通过金属氢化物与水反应生成氢气的氢气生成器。
可选地，所述氢气源为通过IA-IIIA族金属单质与水反应生成氢气的氢气生成器。
可选地，所述氧气源为通过过氧化物与水反应生成氧气的氧气生成器。
可选地，所述系统还包括用于冷却所述燃料电池的鼓风机，该鼓风机吹出的空气经过所述燃料电池流向所述气体生成器。
可选地，所述氢气源的出口通过第二阀门与所述燃料电池的阳极入口连通。
可选地，所述氧气源的出口通过第三阀门与所述燃料电池的阴极入口连通。
可选地，所述系统还包括气水分离装置和氧气压缩机，所述气水分离装置的入口与所述燃料电池的阴极出口连通，所述气水分离装置的出口与所述氧气压缩机的入口连通，所述氧气压缩机的出口与所述燃料电池的阴极入口连通。
可选地，所述气水分离装置的出口和所述氧气源的出口分别通过第三阀门与所述燃料电池的阴极入口连通。
可选地，所述气水分离装置为水冷凝器或干燥器。
在本公开的矿井用燃料电池备用电源系统中，一方面，通过采用纯氧作为氧化剂气体，不仅避免了井下空气中的一氧化碳等有害气体对燃料电池的毒化，而且能够大幅提高燃料电池的输出功率；另一方面，通过将燃料电池的阳极出口封闭，避免了将未反应的氢气排放到环境中，以此方式，使得本公开的燃料电池备用电源系统能够适合于在矿井下使用。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据本公开的一种实施方式的矿井用燃料电池备用电源系统的示意图。
附图标记说明
1 氢气源 2 第二阀门
3 燃料电池 31 阳极入口
32 阳极出口 33 阴极入口
34 阴极出口 4 第一阀门
5 氧气源 6 第二阀门
7 气水分离装置 8 氧气压缩机
9 鼓风机 10 蓄电池
11 用电负载
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
如图1所示，本公开提供一种矿井用燃料电池备用电源系统，该系统在矿井下出现电力故障时启用。本公开的燃料电池备用电源系统包括氢气源1、氧气源5和燃料电池3，其中，氢气源1与燃料电池3的阳极入口31连通，用于向燃料电池3的阳极供应氢气；氧气源5与燃料电池3的阴极入口33连通，用于向燃料电池3的阴极供应氧气；燃料电池3的阳极出口32封闭。
在本公开的矿井用燃料电池备用电源系统中，一方面，通过采用纯氧作为氧化剂气体，不仅避免了井下空气中的一氧化碳等有害气体对燃料电池3的毒化，而且能够大幅提高燃料电池3的输出功率；另一方面，通过将燃料电池3的阳极出口32封闭，避免了将未反应的氢气排放到环境中，以此方式，使得本公开的燃料电池备用电源系统能够适合于在矿井下使用。
在本公开中，作为一种优选的实施方式，如图1所示，可以在燃料电池3的阳极出口32连接一个常闭阀门(即，第一阀门4)，通过该常闭阀门将阳极出口封闭。当备用电源系统使用一段时间之后，可以将该常闭阀门打开以排出电池内部积累的水，防止水淹电极，保证电池始终具有较佳的性能。排水完成后，再将阀门关闭。
为了避免因氢气和氧气同时存储而违反安全规定，在本公开中，氢气源1和氧气源5中的至少一者为通过化学反应生成气体的气体生成器，换句话说，氢气和氧气的供给至少有一个是采用现场制备的方式实现的，同时氢气的来源为非化石原料。相比于化石原料来源的氢气，非化石原料来源的氢气纯度更高，杂质种类更少。并且，如果采用化石原料制氢，则必须要使用氢气纯化装置以去除杂质(例如，一氧化碳、二氧化硫等)，增加成本。
另外，氧气的制取过程中不能混入环境中的空气。这是因为矿井下的空气中含有较多的一氧化碳、二氧化硫等有害气体，这些有害气体会毒化燃料电池的催化剂，导致电池性能下降甚至失效。
作为一种实施方式，氢气源1为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，氧气源5为氧气储罐，即，氢气的供给是采用现场制备的方式实现的。
作为另一种实施方式，氢气源1为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，氧气源5为通过化学反应生成氧气的氧气生成器，即，氢气的供给和氧气的供给都是通过现场制备的方式实现的。
在上述两种实施方式中，氢气的来源均为现场制备，而非采用压力容器储氢，由此可以降低氢气泄漏的可能性，符合更高的安全要求。
作为再一种实施方式，氢气源1为氢气储罐，氧气源5为通过化学反应生成氧气的氧气生成器，即，氧气的供给是通过现场制取的方式实现的。
在本公开中，由氢气发生器供应给燃料电池3的物质仅为氢气和水蒸气的混合物，不包含其它杂质；由氧气发生器供应给燃料电池3的物质仅为氧气和水蒸气的混合物，不包含其它杂质。
在本公开中，氢气生成器可以通过多种化学反应来生成氢气。例如，可以通过金属氢化物与水反应生成氢气，或者可以通过IA-IIIA族金属单质与水反应生成氢气。这里，所述金属氢化物例如可以为硼氢化钠、氢化镁、氢化钠、氢化钙等；所述IA-IIIA族金属单质例如可以为铝、钠、镁等。
在本公开中，氧气生成器可以通过多种化学反应来生成氧气。例如通过各种金属的过氧化物与水反应生成氧气。这里，所述过氧化物例如可以为过氧化钠、过氧化钙等。
如图1所示，本公开的备用电源系统还可以包括用于冷却燃料电池3的鼓风机9，该鼓风机9吹出的空气经过燃料电池3流向所述气体生成器(氢气生成器和/或氧气生成器)。以此方式，可以利用燃料电池3的废热来加热气体生成器，提高气体生成器的产气速率。
为了便于控制系统的运行和停止，如图1所示，氢气源1的出口可以通过第二阀门2与燃料电池3的阳极入口31连通，氧气源5的出口可以通过第三阀门6与燃料电池3的阴极入口33连通。这里，第二阀门2和第三阀门6可以为开关阀，也可以为流量控制阀。
燃料电池3在工作时会产生水，为防止电池内部积水过多而造成电池性能下降，优选地，如图1所示，本公开的系统还可以包括气水分离装置7和氧气压缩机8，气水分离装置7的入口与燃料电池3的阴极出口34连通，气水分离装置7的出口与氧气压缩机8的入口连通，氧气压缩机8的出口与燃料电池3的阴极入口33连通。从燃料电池3的阴极出口34排出的未反应的氧气与反应产生的水蒸气的混合物在经过气水分离装置7之后，水蒸气与氧气分离，水蒸气留在气水分离装置7中，氧气从气水分离装置7的出口排出，进入氧气压缩机8中，氧气压缩机8将氧气增压后再次供应给燃料电池3。通过这种方式，一方面能够实现氧气的回收利用，提高氧气的利用率；另一方面能够有效防止从阴极出口34排出的气体与外界空气接触，从而避免外界空气中的杂质对燃料电池可能产生的毒化；再一方面，采用气水分离装置7可以防止因电池内部积水过多而导致水淹电极，避免电池性能下降。
这里，气水分离装置7例如可以为水冷凝器或干燥器。
为了简化结构，减少系统中的设备数量，优选地，如图1所示，氧气压缩机8的出口也通过第三阀门6与燃料电池3的阴极入口33连通。当然，在其他实施方式中，氧气压缩机8的出口也可以通过另外设置的阀门与燃料电池3的阴极入口33连通。
在氧气源5为氧气生成器的情况下，氧气压缩机8的出口也可以依次通过氧气源5和第三阀门6与燃料电池3的阴极入口33连通。
另外，如图1所示，本公开的备用电源系统还可以包括蓄电池10，该蓄电池10可以仅作为燃料电池3的启动电源使用。具体地，当矿井电力系统故障时，在燃料电池3启动之前，可以通过蓄电池10启动气体生成器(氢气生成器和/或氧气生成器)并打开相应的阀门(例如，第二阀门2和第三阀门6)，以使燃料电池3启动，待燃料电池3运行稳定之后，蓄电池10停止供电。在这种情况下，蓄电池10的容量只需保证燃料电池3能正常启动即可。
在需要保证对用电负载11不间断供电的情况下，当矿井电力系统故障时，蓄电池10立即响应以向用电负载11供电，同时蓄电池10开始启动燃料电池3。待燃料电池3运行稳定之后，蓄电池10停止供电，之后完全依靠燃料电池3向用电负载11供电。这里，由于燃料电池3的启动时间通常设定在1分钟以内，也就是说，只需要蓄电池10维持很短的时间即可，因此蓄电池10可以具有较小的容量。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (12)

1.一种矿井用燃料电池备用电源系统，其特征在于，该系统包括氢气源(1)、氧气源(5)和燃料电池(3)，所述氢气源(1)与所述燃料电池(3)的阳极入口(31)连通，所述氧气源(5)与所述燃料电池(3)的阴极入口(33)连通，所述燃料电池(3)的阳极出口(32)封闭。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池(3)的阳极出口(32)通过第一阀门(4)封闭。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)和氧气源(5)中的至少一者为通过化学反应生成气体的气体生成器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，所述氧气源(5)为氧气储罐。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)为氢气储罐，所述氧气源(5)为通过化学反应生成氧气的氧气生成器。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)为通过化学反应生成氢气的氢气生成器，所述氧气源(5)为通过化学反应生成氧气的氧气生成器。
7.根据权利要求4或6所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)为通过金属氢化物与水反应生成氢气的氢气生成器。
8.根据权利要求4或6所述的系统，其特征在于，所述氢气源(1)为通过IA-IIIA族金属单质与水反应生成氢气的氢气生成器。
9.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述氧气源(5)为通过过氧化物与水反应生成氧气的氧气生成器。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于冷却所述燃料电池(3)的鼓风机(9)，该鼓风机(9)吹出的空气经过所述燃料电池(3)流向所述气体生成器。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气水分离装置(7)和氧气压缩机(8)，所述气水分离装置(7)的入口与所述燃料电池(3)的阴极出口(34)连通，所述气水分离装置(7)的出口与所述氧气压缩机(8)的入口连通，所述氧气压缩机(8)的出口与所述燃料电池(3)的阴极入口(33)连通。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述气水分离装置(7)为水冷凝器或干燥器。
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