CN110048145A - 一种固体氢燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氢燃料电池系统，包括：氢气发生模块；与所述氢气发生模块相连通的燃料电池模块；分别与所述氢气发生模块及所述燃料电池模块相连通的循环加热散热模块；以及分别与所述氢气发生模块、所述燃料电池模块及所述循环加热散热模块电连接的监控单元；其中，所述氢气发生模块采用固体氢产生气态高纯氢。本发明具有极高安全可控性、降低氢气存储和运输的成本、无环境污染、燃料加注方式简单安全可靠的有益效果。

Description

一种固体氢燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域。更具体地说，本发明涉及一种固体氢燃料电池系统。
背景技术
随着环境问题的日益严重，新能源成为能源领域的重要课题。其中，氢燃料电池通过氢氧反应而释放电能，释放能量值高、产物为绝对无污染的水，因而备受青睐，具有十分瞩目的前景。目前，氢燃料电池逐渐应用于汽车、叉车、摩托车等运输工具上。
目前为氢燃料电池所配套的加氢制备和加氢站点少，高压阀，罐，加氢设施配套能力不足，导致加氢难的现状；而且高压储氢罐储氢含量低，成本高，稳定性、循环性和安全性能不足，这也是目前氢燃料电池没有大规模普及的原因之一。有鉴于此，实有必要开发一种固体氢燃料电池解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种固体氢燃料电池系统，其在常温低压下工作，状态稳定，安全性更高，固体氢与水在常温常压下产生的氢气即产即用，可解决氢燃料电池加氢难、储氢、运氢环节中可能引发的一系列问题。所述固体氢燃料电池氢气可控产生，具有极高安全可控性、降低氢气存储和运输的成本、无环境污染、燃料加注方式简单安全可靠；燃料电池产生直流电，给负载提供电能；燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，之后用于与固体氢反应，水资源循环利用，多余的水可为居民和工业使用，具有广泛的市场应用前景。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种固体氢燃料电池系统，包括：氢气发生模块；
与所述氢气发生模块相连通的燃料电池模块；
分别与所述氢气发生模块及所述燃料电池模块相连通的循环加热散热模块；以及
分别与所述氢气发生模块、所述燃料电池模块及所述循环加热散热模块电连接的监控单元；
其中，所述氢气发生模块采用固体氢产生气态高纯氢。
优选的是，所述氢气发生模块包括：氢气发生装置，其外部设有螺旋排布的液管，所述液管设有进液口和出液口；
用于储存固体氢的固体氢盒，其通过传送带与所述氢气发生装置相连通；以及
与所述氢气发生装置相连通的水箱，所述水箱内部储存有水或水溶液；
其中，所述水箱和所述氢气发生装置之间还设有水泵及水过滤器。
优选的是，所述燃料电池模块包括：燃料电池电堆装置；以及
与所述燃料电池电堆装置相连通的空气发生装置；
其中，所述燃料电池电堆装置与所述空气发生装置之间还设有过滤器及加热丝。
优选的是，所述燃料电池电堆装置与所述氢气发生装置相连通，且所述燃料电池电堆装置与所述氢气发生装置之间还设有开关阀。
优选的是，所述氢气发生装置与所述开关阀之间设有第一温度计和第一压力计。
优选的是，所述空气发生装置与所述过滤器之间设有第二压力计；所述加热丝与所述燃料电池电堆装置之间设有第二温度计和第三压力计。
优选的是，所述循环加热散热模块包括：与燃料电池电堆装置相连通的循环泵；
与所述循环泵相连通的三通阀；
分别与所述三通阀相连通的散热器和加热器；以及
与所述散热器相连通的风扇；
其中，所述散热器和所述加热器分别与所述液管的进液口相连通，所述液管的出液口与所述燃料电池电堆装置相连通。
优选的是，所述循环泵与所述燃料电池电堆装置之间设有第三温度计；所述出液口与所述燃料电池电堆装置之间设有第四温度计及第四压力计。
优选的是，还包括：气水分离器，其进出端分别与所述燃料电池电堆装置及所述水箱相连通；以及
负载，其与所述燃料电池电堆装置电连接。
优选的是，所述监控单元分别与所述氢气发生装置、所述传送带、所述水泵、所述开关阀、所述空气发生装置、所述加热丝、所述循环泵、所述三通阀、所述风扇、所述加热器及所述负载电连接。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供了一种固体氢燃料电池系统，其在常温低压下工作，状态稳定，安全性更高，固体氢与水在常温常压下产生的氢气即产即用，可解决氢燃料电池加氢难、储氢、运氢环节中可能引发的一系列问题。所述固体氢燃料电池氢气可控产生，具有极高安全可控性、降低氢气存储和运输的成本、无环境污染、燃料加注方式简单安全可靠；燃料电池产生直流电，给负载提供电能；燃料电池产生的水通过循环水路至水箱，之后用于与固体氢反应，水资源循环利用，多余的水可为居民和工业使用，具有广泛的市场应用前景。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的固体氢燃料电池的结构简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
作为本发明一具体实施方式，参考图1，本发明提供了一种固体氢燃料电池，其包括：氢气发生模块11；
与所述氢气发生模块11相连通的燃料电池模块12；
分别与所述氢气发生模块11及所述燃料电池模块12相连通的循环加热散热模块13；以及
分别与所述氢气发生模块11、所述燃料电池模块12及所述循环加热散热模块13电连接的监控单元16；
其中，所述氢气发生模块11采用固体氢产生气态高纯氢。
进一步，所述氢气发生模块11包括：氢气发生装置111，其外部设有螺旋排布的液管，所述液管设有进液口和出液口；
用于储存固体氢的固体氢盒112，其通过传送带113与所述氢气发生装置111相连通；以及
与所述氢气发生装置111相连通的水箱114，所述水箱114内部储存有水或水溶液；
其中，所述水箱114和所述氢气发生装置之间还设有水泵115及水过滤器116，所述水泵115为电动式，其从所述水箱111中吸入水或水溶液排入所述氢气发生装置111中，所述水过滤器116用于对所述水箱114内的水或水溶液内的颗粒物进行过滤。
进一步，所述燃料电池模块(12)包括：燃料电池电堆装置121；以及
与所述燃料电池电堆装置121相连通的空气发生装置122，所述空气发生装置122将空气吸入、压缩并排入所述燃料电池电堆装置121内；
其中，所述燃料电池电堆装置121与所述空气发生装置122之间还设有过滤器123及加热丝124，所述过滤器123通过多空过滤材料捕集空气中尘埃粒子，使空气得以净化，所述加热丝124对所述空气发生装置122排出的空气进行加热。
所述燃料电池电堆装置121与所述氢气发生装置111相连通，且所述燃料电池电堆装置121与所述氢气发生装置111之间还设有开关阀117。
进一步，所述氢气发生装置111与所述开关阀117之间设有第一温度计118和第一压力计119，所述第一温度计118用于测量所述氢气发生装置111生成氢气后，进入所述燃料电池电堆装置121的温度值；所述第一压力计119用于测量所述氢气发生装置111生成氢气的压力值
所述空气发生装置122与所述过滤器123之间设有第二压力计125，所述第二压力计125用于测量所述空气发生装置122生成空气的压力值；所述加热丝124与所述燃料电池电堆装置121之间设有第二温度计127和第三压力计126，所述第二温度计127用于测量所述空气发生装置122生成空气经过所述加热丝124后，进入所述燃料电池电堆装置121的温度值，所述第三压力计用于测量所述空气发生装置122生成空气经过所述过滤器123和所述加热丝124后的压力值。
进一步，所述循环加热散热模块13包括：与所述燃料电池电堆装置121连接的循环泵131，所述循环泵131从所述燃料电池电堆模块121吸入冷却液，并向所述氢气发生装置111排出；
与所述循环泵131相连通的三通阀132，所述三通阀132对冷却液进行分流；
分别与所述三通阀132相连通的散热器133和加热器135，所述散热器133对冷却液进行散热，所述加热器135对冷却液进行加热；以及
与所述散热器133相连通的风扇134，所述风扇124对所述散热器133吹入空气，对冷却液进行散热；
其中，所述散热器133和所述加热器135分别与所述液管的进液口相连通，所述液管的出液口与所述燃料电池电堆装置121相连通。
所述循环泵131与所述燃料电池电堆装置121之间设有第三温度计136，所述出液口与所述燃料电池电堆装置121之间设有第四温度计138及第四压力计137，所述第三温度计136用于测量所述燃料电池电堆装置121的冷却液的温度值，所述第四温度计138用于测量冷却液进入所述燃料电池电堆装置121的温度值，所述第四压力计137用于测量冷却液进入所述燃料电池电堆装置121的压力值。
还包括：气水分离器14，其进出端分别与所述燃料电池电堆装置121及所述水箱114相连通，所述气水分离器14对所述燃料电池电堆装置121产生的水喝多余的空气进行分离，并将多余的空气排出，产生的水排入水箱内循环使用；以及
负载15，其与所述燃料电池电堆装置121电连接。
进一步，所述监控单元16分别与所述氢气发生装置111、所述传送带113、所述水泵115、所述开关阀117、所述空气发生装置122、所述加热丝124、所述循环泵131、所述三通阀132、所述风扇134、所述加热器135及所述负载15电连接；
所述监控单元16根据所述负载15对电能的需求量，控制所述水泵115流通的水的量、控制所述传送带113传送的固体氢的量、控制所述氢气发生装置111的反应温度、控制所述开关阀117的开关状态、控制所述空气发生装置122排出的空气的量、控制所述加热丝124加热排出的空气的温度、控制所述燃料电池电堆装置121进口冷却液的温度、控制所述燃料电池电堆装置121出口冷却液的温度、控制所述燃料电池电堆装置121进口冷却液的压力、控制所述三通阀132的通断对所述电能的需求进行调节。
作为本发明一具体实施例，在所述氢气发生装置111中，通过电动式的所述水泵115吸取所述水箱114中所存储的水或者水溶液，并经过所述水过滤器116过滤后，输送给所述氢气发生装置111；电动式的所述水泵115由所述监控单元16控制，通过PWM调节所述水泵115转速；通过电动式的所述传送带113搬运所述固体氢盒113中所存储的固体氢输送给所述氢气发生装置111；电动式的所述传送带113由所述监控单元16控制，通过电枢回路中引入的可调电阻调节传送速度。在所述氢气发生装置111中，所供给的水和供给的固体氢进行化学式XH2+2H2O→X(OH)2+2H2或XH3+3H2O→X(OH)3+3H2所表示的反应，由此产生氢气。所产生的氢气经由所述开关阀117从而进入所述燃料电池电堆装置121，所述开关阀117由所述监控单元控制，通过给其电源电压有无调节其开关。所述氢气发生装置111通过电动式的所述循环泵131将所述氢气发生装置111内的冷却液循环流动起来，并通过加热和散热模式来给所述氢气发生装置111升温和降温。加热模式经过所述三通阀132、所述加热器135和所述燃料电池电堆装置121后，回流至所述氢气发生装置111；电动式的所述三通阀132由监控单元16控制，通过控制阀门调节冷却液流过的通道；所述加热器135由监控单元16控制，通过外施电源电压调节其加热温度；所述降温模式经过所述三通阀132、所述散热器133和所述燃料电池电堆装置121后，回流至所述氢气发生装置111；所述散热器133由监控单元16控制所述风扇134，通过PWM调节所述风扇134转速，空气在所述散热器133外通过，热的冷却液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温。
在所述空气发生装置122中，其将空气吸入、压缩，排出后的空气经过所述过滤器123和所述加热丝124后，从而进入所述燃料电池电堆装置121。所述空气发生装置122由监控单元16控制，通过变频调节其气量；所述加热丝124由监控单元控制，通过外施电源电压调节其加热温度。
在所述燃料电池电堆装置121中，所供给的氢气和所供给的空气进行化学式H2＝＝2H++2e-和2H++1/2O2+2e-＝＝H2O所表示的反应，由此产生水和电能。所产生的水经由所述气水分离器14与所述水箱114连接；所产生的电能与所述负载15连接。用于反应后的贫氧空气经由所述气水分离器14排放于大气中。所述燃料电池电堆装置121通过电动式的所述循环泵131将所述燃料电池电堆装置121内的冷却液循环流动起来，并通过加热和散热模式来给所述燃料电池电堆装置121升温和降温。加热模式经过所述三通阀132、所述加热器135和所述氢气发生装置111后，回流至所述燃料电池电堆装置121；电动式的所述三通阀132由所述监控单元16控制，通过控制阀门调节冷却液流过的通道；所述加热器135由所述监控单元16控制，通过外施电源电压调节其加热温度；降温模式经过所述三通阀132、所述散热器133和所述氢气发生装置111后，回流至所述燃料电池电堆装置121，其中所述散热器133由所述风扇134通对其吹风；所述散热器133由所述监控单元16控制所述风扇134，通过PWM调节该所述风扇134转速，空气在所述散热器133外通过，热的冷却液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种固体氢燃料电池系统，其特征在于，包括：氢气发生模块(11)；
与氢气发生模块(11)相连通的燃料电池模块(12)；
分别与氢气发生模块(11)及燃料电池模块(12)相连通的循环加热散热模块(13)；以及
分别与氢气发生模块(11)、燃料电池模块(12)及循环加热散热模块(13)电连接的监控单元(16)；
其中，氢气发生模块(11)采用固体氢产生气态高纯氢。
2.如权利要求1所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，氢气发生模块(11)包括：氢气发生装置(111)，其外部设有螺旋排布的液管，所述液管设有进液口和出液口；
用于储存固体氢的固体氢盒(112)，其通过传送带(113)与氢气发生装置(111)相连接；以及
与氢气发生装置(111)连接的水箱(114)，水箱(114)内部储存有水或水溶液；
其中，水箱(114)和氢气发生装置之间还设有水泵(115)及水过滤器(116)。
3.如权利要求1所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，燃料电池模块(12)包括：燃料电池电堆装置(121)；以及
与燃料电池电堆装置(121)连接的空气发生装置(122)；
其中，燃料电池电堆装置(121)与空气发生装置(122)之间还设有过滤器(123)及加热丝(124)。
4.如权利要求3所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，燃料电池电堆装置(121)与氢气发生装置(111)相连通，且燃料电池电堆装置(121)与氢气发生装置(111)之间还设有开关阀(117)。
5.如权利要求4所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，氢气发生装置(111)与开关阀(117)之间设有第一温度计(118)和第一压力计(119)。
6.如权利要求3所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，空气发生装置(122)与过滤器(123)之间设有第二压力计(125)；加热丝(124)与燃料电池电堆装置(121)之间设有第二温度计(127)和第三压力计(126)。
7.如权利要求1所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，循环加热散热模块(13)包括：与燃料电池电堆装置(121)相连通的循环泵(131)；
与循环泵(131)相连通的三通阀(132)；
分别与三通阀(132)相连通的散热器(133)和加热器(135)；以及
与散热器(133)相连通的风扇(134)；
其中，散热器(133)和加热器(135)分别与所述液管的进液口相连通，所述液管的出液口与燃料电池电堆装置(121)相连通。
8.如权利要求7所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，循环泵(131)与燃料电池电堆装置(121)之间设有第三温度计(136)；所述出液口与燃料电池电堆装置(121)之间设有第四温度计(138)及第四压力计(137)。
9.如权利要求1所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，还包括：气水分离器(14)，其进出端分别与燃料电池电堆装置(121)及水箱(114)相连通；以及
负载(15)，其与燃料电池电堆装置(121)电连接。
10.如权利要求1所述的固体氢燃料电池系统，其特征在于，监控单元(16)分别与氢气发生装置(111)、传送带(113)、水泵(115)、开关阀(117)、空气发生装置(122)、加热丝(124)、循环泵(131)、三通阀(132)、风扇(134)、加热器(135)及负载(15)电连接。
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