CN110265691B - 一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统 - Google Patents

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Abstract

一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，包括水解释氢单元、控制单元、燃料电池单元和用氢单元；水解释氢单元的氢气输出口与控制单元的气路氢气输入口相连通，燃料电池单元的进气口与控制单元气路输出口相连通，用氢单元与燃料电池单元电输出相接，用氢单元负载应与燃料电池单元功率相匹配；本发明有多路供氢，可单独使用，也可同时使用增大供氢量，也可作为储气罐，增加了整套系统的可靠性；本发明随时随地可控制供氢系统的停启(即反应的进行和停止)、用氢系统燃料电池的停启。

Description

一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统
技术领域
本发明属于供气技术领域，特别涉及一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统。
背景技术
“氢”由于其丰富、无污染且可再生，兼具有高的能量密度，很早就被人们认为是理想的二次能源。然而，氢能在制氢、储氢和运氢方面受到限制。实现用供氢一体化就可避免上述问题。氢燃料电池被誉为继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，可将氢能实时转化为电能且其发电不受卡诺循环限制，发电效率可达85～90％，能量转化效率比国内内燃机高2～3倍；其属于低温型燃料电池，启动快、保温问题小、结构简单模块单元化可靠性高且发电过程无污染。氢燃料电池中的质子交换膜在电堆工作时需要一定湿度，以免电极“干死”。相比于气态、液态的储氢方法，固态储氢在操作安全性、能源效率及体积密度方面具有显著优势，被公认为最具前景的储氢方式。但多年研究表明：可逆储氢材料均无法满足车载储氢系统在重量/体积储氢密度、操作温度、吸/放氢速率、循环性能等方面的综合性能要求，因此水解释氢的固态储氢材料如金属氢化物和铝氢化物成为储氢材料领域新兴研究方向。水解固态储氢材料释氢在不需外来能耗的前提下解决实时实地制取氢气问题的同时还可对燃料电池质子交换膜进行自增湿。
现有技术提供一种燃料电池用供氢系统，可多路供氢，但高压气瓶储氢只涵盖了气路控制，高压储氢本身涵盖的风险较大，且气瓶在低温下释氢需要加热；
现有技术提供一种适用于移动氢源的化学氢化物催化水解制氢的装置和方法，但其为单路供氢，燃料液NaBH4等加入需燃料泵抽送，同时其催化反应室放置的催化剂成本较高，且催化剂在长期使用会出现中毒现象不可避免。气路控制安全性低，制氢速率通过燃料液流速控制，并无气体流量计精准控制燃料电池进气流量，燃料电池长期流量不稳情况下会损坏。反应体系单独另设氢气缓冲罐额外增加体系体积。
现有技术提供一种高分子氢燃料电池的制氢装置及控制系统，其设有氢气提纯装置和干燥装置，控制系统包括交流/直流变换器、蓄电池、第一直流/直流变换器等，结构复杂，使用不便。
现有的针对燃料电池的供氢装置，有的功能单一，不具备自控性能，使用不便，有的结构复杂，不方便操作，因此，随时随地控制供氢系统的停启(即反应的进行和停止)、用氢系统燃料电池的停启和氢源之间接替是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，包括水解释氢单元、控制单元、燃料电池单元和用氢单元；水解释氢单元的氢气输出口与控制单元的气路氢气输入口相连通，燃料电池单元的进气口与控制单元气路输出口相连通，用氢单元与燃料电池单元电输出相接，用氢单元负载应与燃料电池单元功率相匹配；
水解释氢单元包括若干反应罐体，每个反应罐体的顶部均开设有水路进口、气路出口和进料口；反应罐体内部设置有储氢材料；
控制单元包括热控制单元、水路控制单元和气路控制单元；
热控制单元为气路冷凝器，气路出口与气路冷凝器的一端连接，气路冷凝器的另一端依次连接气路控制单元、燃料电池单元和用氢单元；
水路控制单元为储液罐，储液罐的一端通过管道连接每个反应罐体的水路进口；
气路控制单元为若干控制器件，若干控制器件均设置在螺旋管道和燃料电池单元之间的管路上。
进一步的，燃料电池单元为质子交换膜氢燃料电池，用氢单元为负载。
进一步的，气路冷凝器包括壳体和螺旋管道，螺旋管道设置在壳体内；气路出口与螺旋管道的一端连接，螺旋管道的另一端连接气路控制单元；壳体的一端设置有进液口，另一端设置有出液口。
进一步的，控制器件包括泄压阀、减压阀、单向阀、流量计和燃料电池供氢球阀，泄压阀、减压阀、单向阀、流量计和燃料电池供氢球阀依次设置在气路冷凝器和燃料电池单元之间的管路上。
进一步的，控制器件之间还包括正压压强计和正负压压强计；泄压阀和气路冷凝器之间设置有正压压强计，减压阀和单向阀之间设置有正负压压强计。
进一步的，储液罐的出口处设置有计量阀；每个反应罐体上的气路出口上均设置有路控制球阀，每个反应罐体上的水路进口上均设置有水路控制球阀。
进一步的，储液罐的另一端设置有进液口；气路出口和气路冷凝器之间的管路上连接有支管路，支管路与储液罐管路连接，支管路上设置有恒压球阀。
进一步的，所有反应罐体均设置在反应罐体冷凝水箱内，反应罐体冷凝水箱为上端开口的箱体，反应罐体冷凝水箱的侧面下端设置有进液口，侧面上端设置有出液口。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明有多路供氢，可单独使用，也可同时使用增大供氢量，也可作为储气罐，增加了整套系统的可靠性；
本发明随时随地可控制供氢系统的停启(即反应的进行和停止)、用氢系统燃料电池的停启；
本装置气体增湿可调，氢气会水解时携带部分水蒸气，有益于燃料电池质子交换膜；
本装置留有抽真空接口，可外联对整套系统进行抽真空和保压，检查整套系统的气密性；
储水罐可随时加水并抽真空，不需要设置大的储水罐，可减小整个体系体积，可集成做成小的整体用于移动设备上；
本发明在减压阀前设有正压压强计，减压阀后设有正负压压强计，可清楚直观的看到减压阀前后系统内部的压强大小，达到输出端氢气压强可控，配有流量计进一步精准控制；
本发明可实现不需任何外来能耗，可实施将化学能转化为电能，对环境要求低；
本发明方案合理，结构简单，容易实现，能充分发挥制氢、用氢一体化的优势。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明反应罐体的结构示意图。
图3是气路冷凝部分水内部管路示意图。
其中：1、反应罐；2、气路冷凝；3、正压压强计；4、泄压阀；5、减压阀；6、正负压压强计；7、单向阀；8、流量计；9、燃料电池供氢球阀；10、氢燃料电池；11、负载；12、储液罐；13、反应罐体冷凝水箱；14、计量阀；15、抽真空口；16、进液口；17、恒压球阀；18为水路进口；19为气路出口；20为进料口；21为水路控制球阀；22为气路控制球阀；23为气路进气管；24为气路出气管；25为进液口；26为出液口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，包括水解释氢单元、控制单元、燃料电池单元和用氢单元；水解释氢单元的氢气输出口与控制单元的气路氢气输入口相连通，燃料电池单元的进气口与控制单元气路输出口相连通，用氢单元与燃料电池单元电输出相接，用氢单元负载应与燃料电池单元功率相匹配；
水解释氢单元包括若干反应罐体1，每个反应罐体1的顶部均开设有水路进口18、气路出口19和进料口20；反应罐体1内部设置有储氢材料；
控制单元包括热控制单元、水路控制单元和气路控制单元；
热控制单元为气路冷凝器2，气路出口19与气路冷凝器2的一端连接，气路冷凝器2的另一端依次连接气路控制单元、燃料电池单元和用氢单元；
水路控制单元为储液罐12，储液罐12的一端通过管道连接每个反应罐体1的水路进口18；
气路控制单元为若干控制器件，若干控制器件均设置在螺旋管道和燃料电池单元之间的管路上。
燃料电池单元为质子交换膜氢燃料电池，用氢单元为负载。
气路冷凝器2包括壳体和螺旋管道，螺旋管道设置在壳体内；气路出口19与螺旋管道的一端连接，螺旋管道的另一端连接气路控制单元；壳体的一端设置有进液口25，另一端设置有出液口26。
控制器件包括泄压阀4、减压阀5、单向阀7、流量计8和燃料电池供氢球阀9，泄压阀4、减压阀5、单向阀7、流量计8和燃料电池供氢球阀9依次设置在气路冷凝器2和燃料电池单元之间的管路上。
控制器件之间还包括正压压强计3、正负压压强计6、；泄压阀4和气路冷凝器2之间设置有正压压强计3，减压阀5和单向阀7之间设置有正负压压强计6。
储液罐12的出口处设置有计量阀14；每个反应罐体1上的气路出口19上均设置有路控制球阀22，每个反应罐体1上的水路进口18上均设置有水路控制球阀21。
储液罐12的另一端设置有进液口16；气路出口19和气路冷凝器2之间的管路上连接有支管路，支管路与储液罐12管路连接，支管路上设置有恒压球阀17。
所有反应罐体1均设置在反应罐体冷凝水箱13内，反应罐体冷凝水箱13为上端开口的箱体，反应罐体冷凝水箱13的侧面下端设置有进液口25，侧面上端设置有出液口26。
实施例1：
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
遵从上述技术方案，如图1、图2和图3所示，本实施例给出一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，实现随时随地控制供氢系统的停启(即反应的进行和停止)、用氢系统燃料电池的停启和氢源之间接替。本发明适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，包括水解释氢单元、控制单元、燃料电池单元、用氢单元。该系统包括1、反应罐2、气路冷凝3、正压压强计4、泄压阀5、减压阀6、正负压压强计7、单向阀8、流量计9、燃料电池供氢球阀10、氢燃料电池11、负载12、储液罐13、反应罐体冷凝水箱14、计量阀15、抽真空口16、进液口17、恒压球阀。
其中反应罐1有四组供氢，即四个反应罐，如图1和图2所示，图1为反应罐体实物图，图2为反应罐体示意图。1为反应罐，18为水路进口，19为气路出口，20为进料口，21为水路控制球阀，22为气路控制球阀。每个反应罐上均设有水路进口18、气路出口19、进料口20、水路控制球阀21、气路控制球阀22，各反应罐体可独立操作，可单独供氢也可多路同时供氢，反应中也可切换不同路供氢罐，增加体系可靠性，也可在独立罐工作体系压强较大时，打开其他罐体用作储气罐来平衡体系压强；气路冷凝2内部气路管路示意图见图3，23为气路进气管，24为气路出气管，管路外为水冷循环，内腔填充为水，25为进液口，26为出液口；正压压强计3(本套系统配置0～25MPa)显示减压阀前系统内部的压强；泄压阀4是达到设定数值后自动泄压保持系统安全；减压阀5用于稳定输出压强，与燃料电池气体压强相匹配，使燃料电池正产工作；正负压强计6(本套系统配置-0.1～0.6MPa)用于系统抽真空时显示保压检测系统气密性及减压阀后反应体系输出压强进一步判定；单向阀7用于防止气流倒流；流量计8(本套系统流量控制范围0-4L/Min)用于控制供给燃料电池的氢气流量；球阀9用于控制燃料电池的供氢停启，可在达到单向阀开启压力后开启球阀供燃料电池工作；氢燃料电池10为质子交换膜燃料电池，具体的功率大小可根据需求匹配；负载11的电压及功率都应与燃料电池10相匹配；储液罐12为反应所需的液体，为控制反应停启的源头控制，储液罐与反应罐之间有恒压气路相连通，保证液体不因反应罐体内部与储液罐体内部存在压差而影响液体加入，同时可通过球阀关闭储液罐和反应罐体的连接，在内部压强足够大时，可打开阀门，将储液罐非液体部分用为储气罐；反应罐体冷凝水箱13在反应罐外侧，25为进液口，26为出液口，使反应恒温或反应罐体散热。
本发明的工作过程如下所示：
适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统操作具体方法为：反应前开启冷凝气路部分和冷凝水箱，进液口25和出液口26与循环冷凝水箱连接好，创造良好的冷凝环境；从储液罐进液口16给储液罐12中注入反应所需的液体，可一次性加够，也可中途补加；从反应罐进料口20加入固态或液态储氢材料至反应罐1，在储液罐旁一抽真空口15进行抽真空检查系统气密性，可通过正负压强计6确认系统气密性，在系统气密性良好的前提下，打开储水罐和反应罐之间的恒压球阀17，在反应罐和储水罐压强相同的情况下，提前调好储液罐下方的计量阀14，打开反应罐体上的水路控制球阀21，将反应液加入反应罐中，使储氢材料与反应液进行反应释氢，根据正压压强计3和正负压压强计6示数，调节减压阀5使减压阀后输出气体压强稳定，防止燃料电池内部气体压力过高，在达到可开启单向阀7的压强后可打开燃料电池供氢球阀9，通过流量计8进一步控制进入燃料电池10的气体流量，燃料电池输出端接匹配的负载，使负载正常工作。
燃料电池工作时进气口氢气压强在0.045～0.065MPa，通过减压阀，流量计共同控制，使进入燃料电池的氢气气流稳定，正常工作。
根据实际使用需要，多个反应罐可同时进行或单独进行，反应过程中也可更换供氢反应罐体，反应罐体与储液罐水路构造相同，因此可控制到各路的反应罐中反应液体相同，反应速率也相同。

Claims (3)

1.一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，其特征在于，包括水解释氢单元、控制单元、燃料电池单元和用氢单元；水解释氢单元的氢气输出口与控制单元的气路氢气输入口相连通，燃料电池单元的进气口与控制单元气路输出口相连通，用氢单元与燃料电池单元电输出相接，用氢单元负载应与燃料电池单元功率相匹配；
水解释氢单元包括若干反应罐体(1)，每个反应罐体(1)的顶部均开设有水路进口(18)、气路出口(19)和进料口(20)；反应罐体(1)内部设置有储氢材料；
控制单元包括热控制单元、水路控制单元和气路控制单元；
热控制单元为气路冷凝器(2)，气路出口(19)与气路冷凝器(2)的一端连接，气路冷凝器(2)的另一端依次连接气路控制单元、燃料电池单元和用氢单元；
水路控制单元为储液罐(12)，储液罐(12)的一端通过管道连接每个反应罐体(1)的水路进口(18)；
气路控制单元为若干控制器件，若干控制器件均设置在螺旋管道和燃料电池单元之间的管路上；
控制器件包括泄压阀(4)、减压阀(5)、单向阀(7)、流量计(8)和燃料电池供氢球阀(9)，泄压阀(4)、减压阀(5)、单向阀(7)、流量计(8)和燃料电池供氢球阀(9)依次设置在气路冷凝器(2)和燃料电池单元之间的管路上；
控制器件之间还包括正压压强计(3)和正负压压强计(6)；泄压阀(4)和气路冷凝器(2)之间设置有正压压强计(3)，减压阀(5)和单向阀(7)之间设置有正负压压强计(6)；
气路冷凝器(2)包括壳体和螺旋管道，螺旋管道设置在壳体内；气路出口(19)与螺旋管道的一端连接，螺旋管道的另一端连接气路控制单元；壳体的一端设置有进液口(25)，另一端设置有出液口(26)；
储液罐(12)的出口处设置有计量阀(14)；每个反应罐体(1)上的气路出口(19)上均设置有路控制球阀(22)，每个反应罐体(1)上的水路进口(18)上均设置有水路控制球阀(21)；
储液罐(12)的另一端设置有进液口(16)；气路出口(19)和气路冷凝器(2)之间的管路上连接有支管路，支管路与储液罐(12)管路连接，支管路上设置有恒压球阀(17)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，其特征在于，燃料电池单元为质子交换膜氢燃料电池，用氢单元为负载。
3.根据权利要求1所述的一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，其特征在于，所有反应罐体(1)均设置在反应罐体冷凝水箱(13)内，反应罐体冷凝水箱(13)为上端开口的箱体，反应罐体冷凝水箱(13)的侧面下端设置有进液口(25)，侧面上端设置有出液口(26)。
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