CN109301402B - 一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，该一体化发电系统包括密闭反应液箱、发电堆、一级气液分离器、散热器、二级气液分离器及氢燃料电池；密闭反应液箱与发电堆通过出液管连接，发电堆与一级气液分离器通过第一导液管连接，一级气液分离器与散热器通过第二导液管连接，散热器与密闭反应液箱通过第一回液管连接；一级气液分离器与二级气液分离器之间通过输气管连接，二级气液分离器与氢燃料电池通过供气管连接；密闭反应液箱中装有反应液。本发明创新地将空气电池和氢燃料电池组成了一体化发电系统，该一体化发电系统不仅能够实现连续高效发电，而且还具有安全、方便、节能、环保、应用范围广等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，更为具体来说，本发明为一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统。
背景技术
目前，对于氢燃料电池来说，其使用的燃料氢通常由储氢设备提供。但是，通过储氢设备为氢燃料电池供氢的方式存在如下问题：(1)现有氢燃料电池发电系统难以实现连续发电且供电能力受限，应用范围窄，储存的氢气容易被消耗完，特别对于负载用电需求较大的场合，上述情况更为明显；(2)在氢气耗完后需要重新充氢，充氢过程中无法使用氢燃料电池，充氢过程极为不方便且可能发生危险；(3)氢自身是易燃易爆物质，储存氢必然存在安全隐患。
因此，如何能够实现氢燃料电池的连续供电、拓宽氢燃料电池的应用范围、提高氢燃料电池的便利性以及安全性，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为了解决现有氢燃料电池存在的无法连续供电、供电能力有限、应用范围窄、存在安全隐患、便利性较差、可靠性较低等问题，本发明创新地提供了一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，是一种将空气电池和氢燃料电池结合的联合发电系统，能够在制氢的同时进行发电，本发明能够对氢进行高效的收集，从而彻底解决了现有技术存在的诸多问题。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，该一体化发电系统包括密闭反应液箱、发电堆、一级气液分离器、散热器、二级气液分离器及氢燃料电池；所述密闭反应液箱与发电堆的进液口之间通过出液管连接，发电堆的出液口与一级气液分离器的进液孔之间通过第一导液管连接，一级气液分离器的出液孔与散热器的进液口之间通过第二导液管连接，散热器的出液口与密闭反应液箱的之间通过第一回液管连接；一级气液分离器的排气孔与二级气液分离器的进气口之间通过输气管连接，二级气液分离器的排气口与所述氢燃料电池之间通过供气管连接；所述密闭反应液箱中装有反应液。
基于上述的技术方案，本发明有效实现了氢燃料电池和空气电池一体化、连续发电的目的，空气电池既是发电设备也是产氢设备，氢气随产随用，不需要再为氢燃料电池储备氢气，本发明不仅解决了氢燃料电池的供氢问题，且显著增强了发电系统整体的能量转换效率、实现了节能环保，从而彻底解决了现有技术存在的诸多问题。
进一步地，二级气液分离器的下部与所述密闭反应液箱之间通过第二回液管连接。
基于上述改进的技术方案，通过设置第二回液管，本发明能够实现对二级气液分离器除去的且液化后的水汽进行有效地回收，从而保证反应液循环系统的持续稳定工作。
进一步地，所述二级气液分离器内固定有至少一层滤网；所述二级气液分离器的进气口的高度低于排气口的高度，二级气液分离器内的滤网的高度大于进气口的高度且小于排气口的高度。
基于上述改进的技术方案，通过对滤网结构和位置的设计，使进入二级气液分离器的氢气水汽混合气体通过滤网，本发明能够利用滤网实现对氢气中包含的水汽进行高效地滤除。
进一步地，二级气液分离器的下部开有排水口，所述排水口与所述第二回液管连接，所述第二回液管上设置有排液阀；所述二级气液分离器上固定有上下设置的上液位传感器和下液位传感器，所述上液位传感器和下液位传感器均与所述排液阀通信连接，二级气液分离器的高度大于密闭反应液箱的高度。
基于上述改进的技术方案，本发明能够根据二级气液分离器中的液体量控制是否将二级气液分离器中的液体回流至密闭反应液箱，且通过二级气液分离器的高度设计使气液分离产生的液体充分地回流至密闭反应液箱，保证反应液循环通道内反应液的持续和稳定，以满足本发明持续发电的目的。
进一步地，所述二级气液分离器包括集液箱体和集液箱盖，所述集液箱体与所述集液箱盖形成密闭空间；所述集液箱盖上固定有多根冷凝热管，冷凝热管的冷凝段朝上且伸出所述集液箱盖，冷凝热管的蒸发段朝下且置于所述密闭空间内；所述二级气液分离器的进气口的高度低于排气口的高度，二级气液分离器的下部开有排水口，所述排水口与所述第二回液管连接。
基于上述改进的技术方案，本发明提供了一种除湿性能较优异的二级气液分离器，通过冷凝热管的设置，本发明能够实现对回收的氢气进行高效除湿，而且环境温度越低，本发明的除湿效果越好。
进一步地，所述一级气液分离器包括桶体和上端盖，所述上端盖与所述桶体密封连接，桶体的直径自下而上逐渐增大，所述上端盖呈锥形且锥尖朝上，所述排气孔开设于所述锥尖上，一级气液分离器的进液孔和一级气液分离器的出液孔均开设于所述桶体上；所述桶体呈细长状。
基于上述改进的技术方案，本发明能够通过细长的一级气液分离器实现对水汽进行较好的冷凝作用，从而实现将大部分水汽从氢气中分离出去，实现对氢气的高效纯化；锥形上端盖的设计，能够进一步将氢气与水汽隔离，实现对氢气的进一步纯化，从而显著提高气液分离的效果。
进一步地，该一体化发电系统还包括液泵，所述液泵设置于所述第一导液管和/或第一回液管上；所述发电堆为铝空气发电堆。
基于上述改进的技术方案，本发明能够通过液泵驱动的方式实现反应液的连续循环，在(铝)空气发电方案的基础上，保证空气电池可连续高效发电。另外，本发明优选地通过铝空气发电堆产生大量氢气，以供氢燃料电池使用；大量实验表明，通过铝空气发电堆构建本发明的发电系统，能量转换效率更高、发电能力更强。
进一步地，所述发电堆包括多个相互串联的单体，所述单体包括密封壳体及设于所述密封壳体内的防水透气膜，所述防水透气膜将密封壳体分隔为上壳体和下壳体，所述上壳体上开有出气孔，所有单体的出气孔均与氢燃料电池的供气口连通。
基于上述改进的技术方案，通过对发电堆单体结构的特殊设计，本发明能实现在氢气产生的同时及时地收集，从而极大地提高对氢气的回收能力，为氢燃料电池及时、快速地提供充足的氢气作为燃料。
进一步地，所述散热器上安装有散热风扇，所述散热器具有多个翅片。
基于上述改进的技术方案，本发明能够显著地提高散热器的散热效果，实现降温的目的，进而有助于氢气和水汽的分离，从而进一步地提高氢气与水汽分离的效果。
进一步地，该一体化发电系统还包括导气管，所述导气管一端与密闭反应液箱的上部连通、另一端与二级气液分离器的下部连通。
基于上述改进的技术方案，本发明能够对密闭反应液箱中残存的氢气进行高效地回收和利用，从而实现对反应产生的氢气全面、彻底地收集，为氢燃料电池提供更充足的燃料。
本发明的有益效果为：本发明创新地将(铝)空气电池和氢燃料电池组成了一体化发电系统，该一体化发电系统不仅能够实现连续高效发电，而且还具有安全、方便、节能、环保、应用范围广等突出优点。
附图说明
图1为本发明的基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统。
图2为一种形式的二级气液分离器的剖视结构示意图。
图3为另一种形式的二级气液分离器的立体结构示意图。
图4为另一种形式的二级气液分离器的剖视结构示意图。
图5为一级气液分离器的立体结构示意图。
图6为发电堆的一个单体的立体结构示意图。
图7为在图1基础上改进后的基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统。
图中，
1、密闭反应液箱；11、出液管；12、第一导液管；13、第二导液管；14、第一回液管；15、输气管；16、供气管；17、第二回液管；18、导气管；
2、发电堆；20、密封壳体；21、防水透气膜；22、出气孔；
3、一级气液分离器；30、进液孔；31、排气孔；32、出液孔；
4、散热器；
5、二级气液分离器；50、滤网；51、进气口；52、排气口；53、排水口；54、上液位传感器；55、下液位传感器；56、冷凝热管；
6、氢燃料电池；
7、液泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统进行详细的解释和说明。
如图1至7所示，本实施例公开了一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，本发明涉及的空气电池可为铝空气电池、锂空气电池、锌空气电池等，本实施例采用的是铝空气电池。
如图1所示，该一体化发电系统包括：密闭反应液箱1、发电堆2、一级气液分离器3、散热器4、二级气液分离器5及氢燃料电池6等等，其中；发电堆2为铝空气发电堆(即铝空气电池)，以提高氢气生产效率、便于大规模投产应用，铝空气电池以铝作为燃料，氢燃料电池6为成熟的氢燃料电池堆；密闭反应液箱1与发电堆2的进液口之间通过出液管11连接，发电堆2的出液口与一级气液分离器3的进液孔30之间通过第一导液管12连接，一级气液分离器3的出液孔32与散热器4的进液口之间通过第二导液管13连接，散热器4的出液口与密闭反应液箱1的之间通过第一回液管14连接；密闭反应液箱1、出液管11、发电堆2、第一导液管12、一级气液分离器3、第二导液管13、散热器4以及第一回液管14共同形成反应液的循环通道，上述出液管11、第一导液管12、第二导液管13、第一回液管14均是用于输送反应液的输送管，本发明可利用液泵等方式驱动反应液循环流动，本实施例中，该一体化发电系统还包括液泵7，液泵7设置于第一导液管12和/或第一回液管14上，即液泵7设置于第一导液管12上、或设置于第一回液管14上、或同时设置于第一导液管12和第一回液管14上。本实施例中，散热器4上安装有散热风扇，散热器4具有多个翅片，本实施例中采用的散热器类型为翅片管式散热器，以显著地提高水汽的液化程度；一级气液分离器3的排气孔31与二级气液分离器5的进气口51之间通过输气管15连接，二级气液分离器5的排气口52与氢燃料电池6之间通过供气管16连接，其中，输气管15、供气管16均是用于输送气体的输送管；在密闭反应液箱1中装有反应液，该反应液用于与铝空气电池堆接触、以实现铝空气电池发电。本实施例中，二级气液分离器5的下部与密闭反应液箱1之间通过第二回液管17连接。
如图2所示，二级气液分离器5内固定有至少一层或多层滤网50；二级气液分离器5的进气口51的高度低于排气口52的高度，该二级气液分离器5内的滤网50的高度大于进气口51的高度而且小于排气口52的高度，以使流入的混合气体被充分分离，本实施例通过多层滤网设计方案实现对混合在氢气中的水汽的进一步凝结，以纯化氢气，纯化后的氢气从排气口52中排出，本实施例中，进气口51处于二级气液分离器5的中部且位于多层滤网的下方，凝结的水滴被收集在二级气液分离器5的下部。作为进一步改进的技术方案，二级气液分离器5的下部开有排水口53，排水口53与第二回液管17连接，第二回液管17上设置有排液阀；二级气液分离器5上固定有上下设置的上液位传感器54和下液位传感器55，上液位传感器54和下液位传感器55均与排液阀通信连接，排液阀可以是一个电动阀门，当二级气液分离器5中收集的液体达到上液位传感器时，上液位传感器发出积液感应信号，令排液管道上的排液阀得电打开，二级气液分离器中的液体被排到反应液箱，当二级气液分离器中的液体低于下液位传感器时，下液位传感器可发出排空感应信号，排液阀关闭。为保证排液阀打开时，二级气液分离器中收集的液体能顺利排到反应液箱中，在系统中，二级气液分离器5处于密闭反应液箱1的上方，二级气液分离器5的高度大于密闭反应液箱1的高度，从而使分离产生的液体顺利地流回密闭反应液箱1。在二级气液分离器5中氢气进一步被纯化，从而满足氢燃料电池的需要。在二级气液分离器5中被纯化的氢气流向氢燃料电池，氢气在氢燃料电池中用来发电，从而有效实现了铝空气电池和氢燃料电池一体化发电的目的。
与图2中提供的二级气液分离器5作为并列的两个方案，如图3、4所示，二级气液分离器5包括集液箱体和集液箱盖，集液箱体与集液箱盖形成密闭空间；集液箱盖上固定有一根或者多根冷凝热管56，冷凝热管56的冷凝段朝上且伸出集液箱盖，冷凝热管56的蒸发段朝下且置于密闭空间内；二级气液分离器5的进气口51的高度低于排气口52的高度，以使水蒸气尽可能地液化，二级气液分离器5的下部开设有用于排出液体的排水口53，排水口53与第二回液管17连接。当合上集液箱盖后，集液箱体和集液箱盖形成密闭空间，冷凝热管56的蒸发端位于二级气液分离器5(集液箱)进气口的上方，基于上述改进的结构，带有一定水蒸气的氢气进入二级气液分离器后，首先流经冷凝热管，水蒸气在热管上冷凝，从而纯化、干燥氢气，以满足氢燃料电池的需要。当有多根热管时，热管间有间隔。本实施例中热管用常温热管，其工作温度在0-100℃，0-100℃下可以正常工作。由于铝空电池发电是放热反应，产生的氢气温度在50℃左右，通常比环境温度高，这样，较高温度的气体到达二级气液分离器就可以启动热管工作，热管就高效地对氢气进行除湿，环境温度越低，除湿效果越好。
如图5所示，一级气液分离器3包括桶体和上端盖，上端盖设于桶体上方，上端盖与桶体密封连接，桶体的直径自下而上逐渐增大，上端盖呈锥形且锥尖朝上，排气孔31开设于锥尖上，一级气液分离器3的进液孔30和一级气液分离器3的出液孔32均开设于桶体上，可在桶体内壁设置螺旋导流槽，水汽自进液孔30流入后能够充分冷凝；本实施例中，一级气液分离器3结构细长，桶体呈细长状，以更好地实现氢气和水汽的有效分离。
如图6所示，发电堆2包括多个相互串联的单体，单体包括密封壳体20及设于密封壳体20内的防水透气膜21，防水透气膜21将密封壳体20分隔为上壳体和下壳体，上壳体内部呈中空密封状态，上壳体上开有氢气出气孔22，所有单体的出气孔22均与氢燃料电池6的供气口连通，形成有效的氢气排放通道、实现对氢气的收集以及分配，达到对氢气更有效地回收的目的，本实施例的铝可设置于下壳体内，反应液在下壳体内流通和循环，下壳体上开有液体流入口和流出口(图中未示出)，本发明在连续工作较长时间后，只需要更换铝即可，铝更换过程具有方便、安全、快速等优点，在本发明提供的内容基础上，可以通过多个发电堆并联或者单个具有足够铝的发电堆等方式实现极长时间(如几个月甚至几年)的不间断、连续供电。
以铝空气电池为例，无论是碱性条件下或盐性条件下，其在工作时都存在如下的腐蚀反应，此反应消耗铝，即2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2。
本实施例可按照如下方式进行工作：
反应液从密闭反应液箱1流入发电堆2，反应液(即电解液)从发电堆2流出，可通过液泵7提供动力，使其流入一级气液分离器3，电解液随着一级气液分离器3内侧壁缓慢流入底部，进入散热器4，经密闭反应液箱1再次进入铝空气发电堆2，从而完成了反应液的循环过程，在此过程中铝空气电池实现了发电。经一级气液分离器3后分离出来的气体进入二级气液分离器5，经过滤后的氢气直接供给氢燃料电池6使用，从而完成了氢燃料电池发电，经过滤后的小量液体在二级气液分离器5底部聚集再回流至电解液箱1。本发明通过设置在发电堆2和散热器4之间的一级气液分离器3将反应产生的氢气和反应液进行初步分离，再将经过初步分离的氢气引入二级气液分离器5。更为具体地，在上述的反应液循环过程中，本发明能够使铝空气电池可以连续高效发电，收集铝空电池发电时产生的氢气，并且将铝空电池产生的氢气进行两级气液分离(必要时进行干燥)后，向氢燃料电池持续供气；其中，反应液在流经铝空气电池堆时，与铝反应发电的同时产生氢气。伴随发电产氢的同时释放一定热量，由于铝空电池反应堆是密闭的，加上沿途的压力损失，因此，在铝空电池堆内部有一定压力，在该压力作用下，反应产生的氢气与反应液形成气水混合液，在液泵的作用下，氢气被带到密闭反应液箱1和二级气液分离器5；将铝空气电池的副产物氢气收集起来，作为氢燃料电池的燃料，实现将铝空气电池产生的电能和燃料电池产生的电能合并向负载供电，以显著增加发电系统的供电能力。
如图7所示，为了实现对氢气更好地收集，该一体化发电系统还包括导气管18，导气管18一端与密闭反应液箱1的上部连通、另一端与二级气液分离器5的下部连通。对于密闭反应液箱1，作为进一步的改进方案，密闭反应液箱1包括箱体和箱盖，箱盖上开有与导气管18连接的排气孔，该排气孔的正下方处且在箱盖内侧固定有过滤网，以实现对从密闭反应液箱1中排出的氢气过滤；密闭反应液箱1内还可设置过滤器，即过滤器设置于箱体内，可通过安装带等方式悬挂于箱盖内壁上，来自散热器4的气液混合液可通过过滤器过滤，本实施例设计时，确定需要的反应液量后，再确定箱体容积大小、高度、形状等；为了提高工作时的过滤效果，过滤器要保证悬空或部分埋入液体中。本实施例中，作为优选的技术方案，密闭反应液箱1内反应液的体积小于密闭反应液箱1的容积，过滤器的下表面处于反应液的液面上方；本实施例涉及的密闭反应液箱1中反应液可以不装满，是密闭反应液箱1内的上部空间是空的，使残余氢气从这里分离出去，其可以是长方体、立方体、圆柱体或其它形状。本实施例中，密闭反应液箱1既是液体贮存箱，也可以是集气箱。
本发明能实现对密闭反应液箱中残存的氢气进行高效地回收和利用，从而实现对铝空气反应产生的氢气进行全面、彻底地收集，为氢燃料电池提供更充足的燃料。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，其特征在于：该一体化发电系统包括密闭反应液箱(1)、发电堆(2)、一级气液分离器(3)、散热器(4)、二级气液分离器(5)及氢燃料电池(6)；所述密闭反应液箱(1)与发电堆(2)的进液口之间通过出液管(11)连接，发电堆(2)的出液口与一级气液分离器(3)的进液孔(30)之间通过第一导液管(12)连接，一级气液分离器(3)的出液孔(32)与散热器(4)的进液口之间通过第二导液管(13)连接，散热器(4)的出液口与密闭反应液箱(1)的之间通过第一回液管(14)连接；一级气液分离器(3)的排气孔(31)与二级气液分离器(5)的进气口(51)之间通过输气管(15)连接，二级气液分离器(5)的排气口(52)与所述氢燃料电池(6)之间通过供气管(16)连接；所述密闭反应液箱(1)中装有反应液；
所述一级气液分离器(3)包括桶体和上端盖，所述上端盖与所述桶体密封连接，桶体的直径自下而上逐渐增大，所述上端盖呈锥形且锥尖朝上，所述排气孔(31)开设于所述锥尖上，一级气液分离器(3)的进液孔(30)和一级气液分离器(3)的出液孔(32)均开设于所述桶体上；所述桶体呈细长状，桶体内壁设置螺旋导流槽；
所述二级气液分离器(5)包括集液箱体和集液箱盖，所述集液箱体与所述集液箱盖形成密闭空间；所述集液箱盖上固定有多根冷凝热管(56)，冷凝热管(56)的冷凝段朝上且伸出所述集液箱盖，冷凝热管(56)的蒸发段朝下且置于所述密闭空间内；所述二级气液分离器(5)的进气口(51)的高度低于排气口(52)的高度，二级气液分离器(5)的下部与所述密闭反应液箱(1)之间通过第二回液管(17)连接，二级气液分离器(5)的下部开有排水口(53)，所述排水口(53)与所述第二回液管(17)连接；
所述发电堆(2)包括多个相互串联的单体，所述单体包括密封壳体(20)及设于所述密封壳体(20)内的防水透气膜(21)，所述防水透气膜(21)将密封壳体(20)分隔为上壳体和下壳体，所述上壳体上开有出气孔(22)，所有单体的出气孔(22)均与氢燃料电池(6)的供气口连通；
该一体化发电系统还包括导气管(18)，所述导气管(18)一端与密闭反应液箱(1)的上部连通、另一端与二级气液分离器(5)的下部连通；密闭反应液箱(1)包括箱体和箱盖，箱盖上开有与导气管(18)连接的排气孔，该排气孔的正下方处且在箱盖内侧固定有过滤网；密闭反应液箱(1)内还设置过滤器，过滤器设置于箱体内，悬挂于箱盖内壁上，来自散热器(4)的气液混合液通过过滤器过滤，密闭反应液箱(1)内反应液的体积小于密闭反应液箱(1)的容积，过滤器的下表面处于反应液的液面上方。
2.根据权利要求1所述的基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，其特征在于：该一体化发电系统还包括液泵(7)，所述液泵(7)设置于所述第一导液管(12)和/或第一回液管(14)上；所述发电堆(2)为铝空气发电堆。
3.根据权利要求1所述的基于空气电池和氢燃料电池的一体化发电系统，其特征在于：所述散热器(4)上安装有散热风扇，所述散热器(4)具有多个翅片。
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