CN109286032A - 氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统 - Google Patents

氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，氢气发生器的气体出口与氢气预热器的吸热侧入口相连通，氢气预热器的吸热侧出口与燃料电池的阳极气体入口相连通，燃料电池的阳极气体出口与氢气预热器的放热侧入口相连通，氢气预热器的放热侧出口与冷凝器的管侧入口相连通，冷凝器的管侧出口与氢气发生器的液体入口相连通，该系统的质量储氢密度能够达到21wt％以上。

Description

氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电 系统
技术领域
本发明属于制氢及燃料电池发电技术领域，涉及一种氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统。
背景技术
目前燃料电池发电系统一般采用压缩储氢或物理吸附储氢，以上储氢方法目前的技术水平达到的质量储氢密度有限，均远远低于10w％。碱性金属硼氢化物是一种安全、环保的含氢化合物，其理论质量储氢密度高，如硼氢化钠的质量储氢密度达到10.8w％，其作为化学储氢方式具有很大的应用前景。
碱性金属硼氢化物一般通过水解反应释放氢气，如常温下硼氢化钠的化学反应式为：
NaBH4+6H2O→NaBO2·4H2O+4H2
上述水解反应生成的氢气供应给燃料电池进行发电。从上述反应式可以发现，通常情况下，碱性金属硼氢化物水解制氢系统需要大量水作为反应物，如果考虑反应物水，常温下硼氢化钠水解制氢系统的储氢质量密度仅为5.5wt％。而当水解反应温度达到65℃时，硼氢化钠的水解反应为：
NaBH4+4H2O→NaBO2·2H2O+4H2
则可见，该反应可以相应地得到与反应物水相同摩尔数的氢气，进而氢气供应给氢氧燃料电池发电，获得相同摩尔数的水，再将氢氧燃料电池反应生成物水回收后用于硼氢化钠水解反应，水在整个制氢-发电系统中构成闭式循环。基于此原理，硼氢化钠水解制氢系统的质量储氢密度可达到21wt％。为实现上述目标，关键是要解决以下问题：首先，需要控制金属硼氢化物水解反应过程，确保反应物水可以生成相同摩尔数的氢气；其次，要完全回收氢氧燃料电池生成物水，并供应给碱性金属硼氢化物的水解反应。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，该系统的质量储氢密度能够达到21wt％以上。
为达到上述目的，本发明所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统包括氢气发生器、氢气预热器、燃料电池、冷凝器、引风机、空气预热器、电加热器及蓄电池系统；
氢气发生器的气体出口与氢气预热器的吸热侧入口相连通，氢气预热器的吸热侧出口与燃料电池的阳极气体入口相连通，燃料电池的阳极气体出口与氢气预热器的放热侧入口相连通，氢气预热器的放热侧出口与冷凝器的管侧入口相连通，冷凝器的管侧出口与氢气发生器的液体入口相连通；
引风机的气体出口与冷凝器的壳侧入口相连通，冷凝器的壳侧出口与空气预热器的吸热侧入口相连通，空气预热器的吸热侧出口与电加热器的气体入口相连通，电加热器的气体出口与燃料电池的阴极气体入口相连通，燃料电池的阴极气体出口与空气预热器的放热侧入口相连通，空气预热器的放热侧出口与外界相连通；燃料电池的正极及负极与蓄电池系统相连接。
蓄电池系统包括DC-DC转换器、第一电阻、第二电阻、稳压二极管、三极管及蓄电池；
燃料电池的正极及负极与DC-DC转换器的输入端连接，第一电阻的一端与燃料电池的负极相连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端及稳压二极管的阳极相连接，稳压二极管的阴极与燃料电池的负极相连接，第二电阻的另一端与三极管的基极相连接，三极管的集电极与蓄电池相连接，三极管的发射极接地，DC-DC转换器的输出端与蓄电池相连接。
氢气发生器的气体出口连通有安全阀。
还包括PIC微型控制器、用于检测氢气发生器气体出口处氢气温度的第一温度传感器、用于检测氢气发生器气体出口处氢气压力的压力传感器、用于检测燃料电池输出电压的电压传感器、用于检测燃料电池输出电流的电流传感器、用于检测氢气发生器液体入口处水温的第二温度传感器以及用于检测电加热器空气入口处空气温度的第三温度传感器，PIC微型控制器的输入端与第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器、电流传感器及电压传感器相连接，PIC微型控制器的输出端与引风机的控制端、安全阀的控制端、电加热器的控制端及DC-DC转换器的电流控制端相连接。
燃料电池为固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统在具体工作时，燃料电池生成的高温水蒸汽经空气预热器及冷凝器冷凝后回到氢气发生器中参与氢气的生成，氢气发生器再利用水生成氢气，从而使得水在整个系统中形成闭式循环，无需额外添加，极大的简化了系统结构及操作，同时本发明通过水的闭式循环以提高制氢系统的储氢质量密度，经试验，以氢气发生器通过硼氢化钠水解制氢为例，本发明中制氢系统的质量储氢密度能够达到21wt％以上。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2为本发明中氢气发生器5的结构示意图。
其中，1为空气预热器、2为氢氧燃料电池、3为引风机、4为冷凝器、5为氢气发生器、6为第二温度传感器、7为氢气预热器、8为第一温度传感器、9为压力传感器、10为安全阀、11为电压传感器、12为电流传感器、13为电加热器、14为第三温度传感器、15为蓄电池、16为DC-DC转换器、17为稳压二极管、18为第一电阻、19为第二电阻、20为三极管、21为PIC微型控制器、2A为超声波液体雾化器、2B为燃料盒、2C为固体燃料、2D为密封盖板、2E为气体出口、2F为液体入口、201为气液混流腔体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统包括氢气发生器5、氢气预热器7、燃料电池2、冷凝器4、引风机3、空气预热器1、电加热器13及蓄电池系统；氢气发生器5的气体出口2E与氢气预热器7的吸热侧入口相连通，氢气预热器7的吸热侧出口与燃料电池2的阳极气体入口相连通，燃料电池2的阳极气体出口与氢气预热器7的放热侧入口相连通，氢气预热器7的放热侧出口与冷凝器4的管侧入口相连通，冷凝器4的管侧出口与氢气发生器5的液体入口2F相连通；引风机3的气体出口与冷凝器4的壳侧入口相连通，冷凝器4的壳侧出口与空气预热器1的吸热侧入口相连通，空气预热器1的吸热侧出口与电加热器13的气体入口相连通，电加热器13的气体出口与燃料电池2的阴极气体入口相连通，燃料电池2的阴极气体出口与空气预热器1的放热侧入口相连通，空气预热器1的放热侧出口与外界相连通；燃料电池2的正极及负极与蓄电池系统相连接。
蓄电池系统包括DC-DC转换器16、第一电阻18、第二电阻19、稳压二极管17、三极管20及蓄电池15；燃料电池2的正极及负极与DC-DC转换器16的输入端连接，第一电阻18的一端与燃料电池2的负极相连接，第一电阻18的另一端与第二电阻19的一端及稳压二极管17的阳极相连接，稳压二极管17的阴极与燃料电池2的负极相连接，第二电阻19的另一端与三极管20的基极相连接，三极管20的集电极与蓄电池15相连接，三极管20的发射极接地，DC-DC转换器16的输出端与蓄电池15相连接。
参考图2，氢气发生器5的气体出口2E连通有安全阀10；本发明还包括PIC微型控制器21、用于检测氢气发生器5气体出口2E处氢气温度的第一温度传感器8、用于检测氢气发生器5气体出口2E处氢气压力的压力传感器9、用于检测燃料电池2输出电压的电压传感器11、用于检测燃料电池2输出电流的电流传感器12、用于检测氢气发生器5液体入口2F处水温的第二温度传感器6以及用于检测电加热器13空气入口处空气温度的第三温度传感器14，PIC微型控制器21的输入端与第一温度传感器8、第二温度传感器6、第三温度传感器14、压力传感器9、电流传感器12及电压传感器11相连接，PIC微型控制器21的输出端与引风机3的控制端、安全阀10的控制端、电加热器13的控制端及DC-DC转换器16的电流控制端相连接。
燃料电池2为固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，这三种燃料电池的共性是生成物水均在氢气侧产生，因此可以实现生成物水的完全回收，为系统的闭式水循环提供了可能。
氢气发生器5为壳体侧壁开口的中空箱体结构，其中，开口的位置处覆盖有密封盖板2D，密封盖板2D通过法兰及密封圈与壳体相连接，壳体内设置有燃料盒2B及超声波液体雾化器2A，燃料盒2B内装有固体燃料2C，燃料盒2B的上下侧壁上开设有若干孔洞，以便燃料盒2B内外保持连通，燃料盒2B的外部空间为气液混流腔体201，气体在燃料盒2B内与气液混流腔体201之间能够自由流动，燃料盒2B与密封盖板2D之间通过楔形插槽固定连接。壳体的底部与燃料盒2B之间保持一定距离，液体位于壳体的底部，超声波液体雾化器2A的入口与壳体底部的液体相连通，气体出口2E及液体入口2F均位于壳体的顶部，气体出口2E处设置有透气阀，通过透气阀阻止液体通过。
固体燃料2C为多孔介质结构，固体燃料2C内分布有若干毛细纤维，气液混流腔体201中的雾化液滴经壁面孔洞进入燃料盒2B内后即被毛细纤维吸收并向固体燃料2C内部传递。
固体燃料2C为淀粉系高吸水材料与碱金属硼氢化物的混合物；或者固体燃料2C为定粉系高吸水材料、碱性金属硼氢化物以及碱性金属硼氢化物水解催化剂的混合物；其中，碱性金属硼氢化物为LiBH4、NaBH4、KBH4、Ca(BH4)2或Mg(BH4)2；碱性金属硼氢化物水解催化剂为Co-B粉体、Ni-Co催化剂、Ru/Ni泡沫催化剂、CoCl2催化剂、苹果酸或柠檬酸；淀粉高吸水性材料为淀粉酯接枝苯乙烯高吸水材料、支链淀粉酶制水凝胶、甲醛改性淀粉接枝丙稀腈共聚物、环氧氯丙烷改性淀粉接枝丙烯腈共聚物及缩水甘油醚交联淀粉接枝丙烯腈共聚物中的一种或几种的混合物。
毛细纤维为纤维素系高吸水性材料，其中，纤维素高吸水性材料为天然纤维棉、麻、丝和毛，羟乙基纤维素高吸水性材料、羧甲基纤维素高吸水性材料、纤维素黄原酸盐高吸水性材料、纤维素接枝共聚高吸水性材料、纤维素接枝丙烯腈高吸水性材料及纤维素接枝丙烯酸高吸水性材料中的一种或几种的混合物。
本发明的具体工作过程为：
氢气发生器5产生的氢气经氢气预热器7预热后进入燃料电池2的阳极发生反应，同时，引风机3输出的空气经冷凝器4壳侧及空气预热器1后进入到燃料电池2阴极参与反应。燃料电池2阳极生成的高温水蒸气经阳极气体出口进入氢气预热器7中预热氢气，然后再进入冷凝器4被冷凝成液态水，最后进入到氢气发生器5中；燃料电池2阴极排出的高温混合气体进入空气预热器1中预热空气后排出。燃料电池2输出的电能经DC-DC转换器16电压变换后存储至蓄电池15中。
需要说明的是，本发明在实现过程中，需要实现较高的质量储氢密度，则必须保证水的闭式循环，为实现该目的，氢气发生器5的发生温度必须严格控制，以硼氢化钠水解制氢为例，该控制温度须为65℃，以保证固态碱性金属硼氢化物按特定反应式进行，其次，本发明中各部分的气体管路需要贴附隔热材料，以防止热量损耗。
另外，本发明中通过蓄电池15为引风机3、电加热器13、安全阀10、第一温度传感器8、压力传感器99电压传感器11、电流传感器12、第三温度传感器14、超声波液体雾化器2A、第二温度传感器6及PIC微型控制器21提供工作电源，另外，蓄电池15可以对外接负载供电。
同时当燃料盒2B中固体燃料2C消耗完时，则打开密封盖板2D，以更换固体燃料2C，氢气发生器5底部的积液为闭式循环的，无需添加，在实际操作中，可以根据需要进行定时更换即可。
参考图1，当电加热器13空气进入口处空气温度未达到预设温度时，电加热器13则自动开启。当燃料电池2输出电压大于稳压二极管17的反向击穿电压时，则开启DC-DC转换器16，燃料电池2经DC-DC转换器16在安全环境下向蓄电池15充电；当燃料电池2输出电压小于稳压二极管17的反向击穿电压时，稳压二极管17的电阻极大，相当于断路，同时导致DC-DC转换器16与蓄电池15之间的线路断开，即完成燃料电池2负载的切除，避免低电压条件下的负载连接，延长燃料电池2的使用寿命。
另外，PIC微型控制器21接收第一温度传感器8、压力传感器9、电压传感器11、电流传感器12、第三温度传感器14及第二温度传感器6检测的信号，并根据接收到的信号控制引风机3、安全阀10、电加热器13及DC-DC转换器16，使蓄电池15输出的电压恒定并维持系统稳定运行。

Claims (5)

1.一种氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，其特征在于，包括氢气发生器(5)、氢气预热器(7)、燃料电池(2)、冷凝器(4)、引风机(3)、空气预热器(1)、电加热器(13)及蓄电池系统；
氢气发生器(5)的气体出口(2E)与氢气预热器(7)的吸热侧入口相连通，氢气预热器(7)的吸热侧出口与燃料电池(2)的阳极气体入口相连通，燃料电池(2)的阳极气体出口与氢气预热器(7)的放热侧入口相连通，氢气预热器(7)的放热侧出口与冷凝器(4)的管侧入口相连通，冷凝器(4)的管侧出口与氢气发生器(5)的液体入口(2F)相连通；
引风机(3)的气体出口与冷凝器(4)的壳侧入口相连通，冷凝器(4)的壳侧出口与空气预热器(1)的吸热侧入口相连通，空气预热器(1)的吸热侧出口与电加热器(13)的气体入口相连通，电加热器(13)的气体出口与燃料电池(2)的阴极气体入口相连通，燃料电池(2)的阴极气体出口与空气预热器(1)的放热侧入口相连通，空气预热器(1)的放热侧出口与外界相连通；燃料电池(2)的正极及负极与蓄电池系统相连接。
2.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，其特征在于，蓄电池系统包括DC-DC转换器(16)、第一电阻(18)、第二电阻(19)、稳压二极管(17)、三极管(20)及蓄电池(15)；
燃料电池(2)的正极及负极与DC-DC转换器(16)的输入端连接，第一电阻(18)的一端与燃料电池(2)的负极相连接，第一电阻(18)的另一端与第二电阻(19)的一端及稳压二极管(17)的阳极相连接，稳压二极管(17)的阴极与燃料电池(2)的负极相连接，第二电阻(19)的另一端与三极管(20)的基极相连接，三极管(20)的集电极与蓄电池(15)相连接，三极管(20)的发射极接地，DC-DC转换器(16)的输出端与蓄电池(15)相连接。
3.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，其特征在于，氢气发生器(5)的气体出口(2E)连通有安全阀(10)。
4.根据权利要求3所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，其特征在于，还包括PIC微型控制器(21)、用于检测氢气发生器(5)气体出口(2E)处氢气温度的第一温度传感器(8)、用于检测氢气发生器(5)气体出口(2E)处氢气压力的压力传感器(9)、用于检测燃料电池(2)输出电压的电压传感器(11)、用于检测燃料电池(2)输出电流的电流传感器(12)、用于检测氢气发生器(5)液体入口(2F)处水温的第二温度传感器(6)以及用于检测电加热器(13)空气入口处空气温度的第三温度传感器(14)，PIC微型控制器(21)的输入端与第一温度传感器(8)、第二温度传感器(6)、第三温度传感器(14)、压力传感器(9)、电流传感器(12)及电压传感器(11)相连接，PIC微型控制器(21)的输出端与引风机(3)的控制端、安全阀(10)的控制端、电加热器(13)的控制端及DC-DC转换器(16)的电流控制端相连接。
5.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池与固态碱性金属硼氢化物一体化制氢及发电系统，其特征在于，燃料电池(2)为固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。
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