CN110556555A - 一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统，包括：在线供氢单元，用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应，以提供氢气；燃料电池单元，用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能；水循环单元，用于将燃料电池单元发电后所排放的气水混合物中的至少部分水回收，并作为水解制氢反应用水送入所述在线供氢单元循环利用。本发明所提供的燃料电池系统中，氢气经燃料电池发电后生成的产物水，经水循环系统回收，可以再次参与供氢反应，从而减少了在线供氢技术的原料水需求量，缩小了装置体积和重量，极大的提高了在线供氢电源动力系统的实用性与便携性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统。
背景技术
氢能源作为一种高效无污染的清洁能源，在交通运输、国防军工、金属切割等领域有广泛的应用。氢气能源具有燃烧性能好、热值高、燃烧产物无毒无污染、利用率高、能减少温室效应等优点，是21世纪世界各国亟待推广使用的高效洁净能源。
采用在线供氢可以规避氢气的储存和运输环节，是一种有效解决方法。其中以铝粉为代表的各类金属粉和硼氢化钠是目前最为常见的在线供氢材料，但此类材料释氢反应速率快、非常不易控制。此外，为了满足现有能源动力需求，在线供氢往往与氢燃料电池联机，从而实现化学能转变为电能的过程。以氢气为燃料的质子交换膜电池转化效率非常高，转化率能达到70％左右，高于内燃机；同时兼具有寿命长、比功率高、环境友好等众多优点，被认为是理想的移动电源。而上述在线供氢材料近乎同时产生的大量氢气，如相利用往往需要较大的储氢容器，与传统的氢能利用方式区别不大，无法有效突破目前氢能利用技术瓶颈。
与此同时，虽然此类材料的密度与能量密度均较大，满足相同氢当量需求的空间需求小。但此类材料需要与水反应方产生氢气，而大量水的引入，同时增大了原料的体积和质量，在实际应用过程中存在诸多不便，对推广应用造成了极大的不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统，由于系统用水可以实现自循环，可以保证系统长期、稳定运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
在线供氢单元，用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应，以提供氢气；
燃料电池单元，用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能；
水循环单元，用于将燃料电池单元发电后所排放的气水混合物中的至少部分水回收，并作为水解制氢反应用水送入所述在线供氢单元循环利用。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述在线供氢单元包括：
反应容器，用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应；和
氢气缓冲容器，用于对来自所述反应容器的氢气进行储存和缓冲。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述水循环单元包括：
气液分离器，用于对来自所述燃料电池单元的气水混合物进行气液分离，以排出分离后的气相物流并得到一次液态水；
换热器，用于对所述气液分离器排出的气相物流进行进一步换热冷却以冷凝出二次液态水，优选为冷板蒸发器；
水容器，用于储存来自所述气液分离器的一次液体水和来自所述换热器的二次液态水；
输水装置，用于将所述水容器内的水作为水解制氢反应用水送入所述反应容器以循环利用，优选为蠕动泵；和
水容器出水管，用于将所述水容器内的水送入所述输水装置的进水口。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述反应容器上部设有反应容器进水管和反应容器排气管、下部设有反应容器出水管、内部设有置物架和过滤装置；其中，所述置物架悬空固定在所述反应器内部，用于搁置待进行水解制氢的反应物块并使所述反应物块与所述反应容器的底部之间留有距离；所述反应容器出水管的第一端位于所述反应容器内、第二端连接至所述输水装置的进水口，用于将所述反应容器下部汇集的水送入所述输水装置，所述过滤装置设置于所述反应容器出水管的第一端；所述反应容器进水管的第一端连接至所述输水装置的出水口、第二端位于所述反应容器内置物架的上方，用于将来自所述输水装置的出水喷淋至所述置物架上的反应物块；所述反应容器排气管用于将反应容器内产生的氢气送入所述氢气缓冲容器；
优选地，所述过滤装置为套设在所述进水管第一端上的一层200目滤布。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述反应容器内还沿纵向设有导流筒，所述置物架固定在所述导流筒的内壁上，所述导流筒的上端高于所述置物架，所述导流筒的下部与所述反应容器连通，以使进行水解制氢反应后顺导流筒而下的水可以流入反应容器内。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述导流筒的下端连接至所述反应容器的底端，所述导流筒下部的侧壁上设有一个或多个开孔以便排水；优选地，所述置物架呈网状或格栅状。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述反应容器排气管位于反应容器内的一端的正下方设有挡板，所述挡板的位置高于所述导流筒，用于使至少部分待排出的氢气折流后再经由所述反应容器排气管排出。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述反应容器出水管和水容器出水管被配置为同时或分别向所述输水装置供水，优选被配置为根据反应容器和水容器内的液位分别向所述输水装置供水；
所述输水装置被配置为根据所述氢气缓冲容器内的氢气量和/或压力调节自身的输水量。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述反应物块为可进行水解制氢反应的铝镓基合金，优选为铝镓铟锡合金。
根据本发明的燃料电池系统，优选地，所述燃料电池单元包括燃料电池和负载，所述燃料电池用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能，以供所述负载使用；优选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
本发明中，氢气经燃料电池发电后生成的产物水，经水循环系统回收，可以再次参与供氢反应，从而减少了在线供氢技术的原料水需求量，缩小了装置体积和重量，极大的提高了在线供氢电源动力系统的实用性与便携性；另外，由于反应物块与水分离设置，从而可根据燃料电池需氢量和不同产氢原料设定不同的滴水速率来控制产氢速率，以期达到安全平稳的供氢效果，同时，水解所产生的副产物，比如沉淀或固相物质经水流冲击，可以高效地从反应物块上分离，从而有助于保持反应物块与水进行水解制氢反应的灵敏度，进而提高水解制氢反应中通过水流速率控制制氢速率的灵敏度，一举两得。另外，反应容器底部的水经过过滤再循环，可以进一步减少反应副产物的影响以提高制氢速率控制的灵敏度。
与同类装置相比，本发明具有结构简单，制氢速率可控，水需求量小，响应时间短，安全可控等优点，适合为小型移动装置及野外作业系统等提供能源动力。
附图说明
图1为本发明的燃料电池系统的一种实施方式的示意图；
图2为图1中反应容器的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明，但本领域技术人员理解，本发明并不仅限于此。
如图1和2所示，本发明的燃料电池系统包括在线供氢单元、燃料电池单元和水循环单元。
其中，所述在线供氢单元用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应，以提供氢气；所述反应物块42可以是本领域所熟知的可以进行水解制氢反应的那些固相物块，例如铝镓基合金或硼氢化钠等等，优选铝镓铟锡合金。
在一种实施方式中，所述在线供氢单元包括反应容器4和氢气缓冲容器5，其中，所述反应容器4用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应；所述氢气缓冲容器5用于对来自所述反应容器4的氢气进行储存和缓冲，比如缓冲罐或气囊。
所述燃料电池单元用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能。在一种实施方式中，所述燃料电池单元包括燃料电池6和负载7，所述燃料电池6用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能，以供所述负载7使用。在本发明中，所述燃料电池为本领域所熟知，可以是单电池或电池堆，例如质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池等等；优选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
所述水循环单元用于将燃料电池单元发电后所排放的气水混合物中的至少部分水回收，并作为水解制氢反应用水送入所述在线供氢单元循环利用。本领域技术人员理解，在例如质子交换膜燃料电池工作时，氢与氧反应结合生产的水会进入燃料电池氧化剂侧并与未反应的气体形成气水混合物一同排出，通过回收这部分水，可以有效实现系统用水的自循环。
在一种实施方式中，所述水循环单元包括气液分离器8、换热器9、输水装置2、水容器1和水容器出水管11；其中，所述气液分离器8用于对来自所述燃料电池单元的气水混合物进行气液分离，以排出分离后的气相物流并得到一次液态水；所述气液分离器8可以是本领域常用的进行气液分离的设备，为本领域熟知，例如气液分离罐。所述换热器9用于对所述气液分离器8排出的气相物流进行进一步换热冷却以冷凝出二次液态水，优选为冷板蒸发器，也称为板式换热器或板式冷凝器，为本领域所熟知，这里不再赘述。
所述水容器1用于储存来自所述气液分离器8的一次液体水和来自所述换热器9的二次液态水，例如来自所述气液分离器8的一次液体水和来自所述换热器9的二次液态水经过三通10后汇集为一股进入水容器1中。所述输水装置2用于将所述水容器1内的水作为水解制氢反应用水送入所述反应容器4以循环利用，所述输水装置2可以是本领域常用的输水设备、水泵等，为本领域所熟知，例如蠕动泵等，这里不再赘述。所述水容器出水管11用于将所述水容器1内的水送入所述输水装置2的进水口，以便输送。
在一个实施例中，如图2所示，所述反应容器4上部设有反应容器进水管32和反应容器排气管33、下部设有反应容器出水管31、内部设有置物架41和过滤装置45；其中，所述置物架41悬空固定在所述反应容器4内部，用于搁置待进行水解制氢的反应物块并使所述反应物块42与所述反应容器4的底部之间留有距离，以便进行水解制氢反应时，反应物块42可以保持在反应容器4下部的水浴之上；所述置物架41可以通过多种方式固定在反应容器4内部以便搁置反应物块42，例如通过支架焊接固定至反应容器4内壁，为本领域所熟知，这里不再赘述。在一个实施例中，所述置物架41呈网状或格栅状等带有空隙的结构，以使与反应物块42进行水解反应后的水可以顺畅地下流至反应容器4下部汇集成水浴而不是在置物架41处汇集，从而更好地控制水解反应的进行。
在一个实施例中，所述反应容器4内还沿纵向设有导流筒43，所述置物架41固定在所述导流筒43的内壁上，所述导流筒43的上端高于所述置物架41，以便于水解反应。所述导流筒43的下部与所述反应容器4连通，以使进行水解制氢反应后顺导流筒43而下的水可以流入反应容器4内。优选地，所述导流筒43的下端连接至所述反应容器4的底端，以封闭导流筒43下端；所述导流筒43下部的侧壁上设有一个或多个开孔以便排水，并有利于水中的固相颗粒/沉淀产物的沉积。
所述反应容器出水管31的第一端位于所述反应容器4内，以吸取反应容器4下部水浴中的水(输入反应容器中的水进行水解反应后剩余的水会汇集在反应容器下部形成水浴)，所述反应容器出水管31的第二端连接至所述输水装置2的进水口，用于将所述反应容器4下部的水送入所述输水装置2。
所述过滤装置45设置于所述反应容器出水管31的第一端，以滤除待吸入所述反应容器出水管的水中的至少部分颗粒物；所述过滤装置45可以是本领域常用的过滤器件，在一个实施例中，所述第一过滤装置45为套设在所述反应容器出水管31第一端上的一层200目滤布。优选地，所述反应容器出水管31上还可以设有其它过滤装置，以便进一步过滤经所述过滤装置45过滤后进入所述反应容器出水管31内的水。
所述反应容器排气管33用于将反应容器4内产生的氢气送入所述氢气缓冲容器5。在一个实施例中，所述反应容器排气管33位于反应容器4内的一端的正下方设有挡板44，所述挡板44的位置高于所述导流筒43，用于使至少部分待排出的氢气折流后再经由反应容器排气管33排出，以减少待排出的氢气中夹带的水分，比如当水解产氢速率较快时，氢气中夹带的水汽较多，设置挡板44可以有效脱除其中的水汽。所述挡板44可以是平板状，或者在平板上设置起伏或凹凸结构，以提高水汽脱除效果。
所述反应容器进水管2的第一端连接至所述输水装置2的出水口、第二端位于所述反应容器4内置物架41的上方，用于将来自所述输水装置2的出水喷淋至所述置物架4上的反应物块42，以便进行水解制氢反应。
运行时，将可以水解制氢的固体反应物块42置于置物板41上，开启输水装置2，水或水溶液通过反应容器进水管32喷淋至反应物块42上，从而发生水解制氢反应，所得氢气产物送入氢气缓冲容器5后再输送至燃料电池6进行发电以带动负载7运行。燃料电池6所排出的气水混合物首先进入气液分离器8进行气液分离，以分离出作为第一部分回收水的一次液态水；分离后的气相进入换热器9进一步换热降温，以使所述气相中水进一步冷凝以便分离、回收二次液态水。所述一次液态水和二次液态水经管线送入水容器1储存，储存在水容器1中的水可以通过水容器出水管11向所述输水装置2供水，以便循环利用。
反应容器4内其余反应产物则被未反应的水顺流冲下进入反应容器底部水浴；同时，水浴的部分水可以经过滤后由反应容器出水管31循环至输水装置2，以便循环利用。
在本发明中，所述反应容器出水管31和水容器出水管11可以被配置为同时或分别向所述输水装置2供水，优选被配置为根据反应容器4和水容器1内的液位分别向所述输水装置2供水，例如，当所述水容器1内的水位超过某一设定值时，所述输水装置2通过水容器出水管11供水；当所述反应容器4内的水位超过某一设定值时，所述输水装置2通过反应容器出水管31供水，如此循环切换，具体设置为本领域熟知，这里不再赘述。
所述输水装置2可以被配置为根据所述氢气缓冲容器5内的氢气量和/或压力调节自身的输水量，例如当检测到其中氢气储量或压力超过某一设定值时，减少所述输水装置的输水量，以减弱水解制氢速度；当检测到其中氢气储量或压力低于某一设定值时，增加所述输水装置的输水量，以提高水解制氢速度。具体设置为本领域熟知，这里不再赘述。
Claims (10)
1.一种基于水自循环的应用在线供氢的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
在线供氢单元，用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应，以提供氢气；
燃料电池单元，用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能；
水循环单元，用于将燃料电池单元发电后所排放的气水混合物中的至少部分水回收，并作为水解制氢反应用水送入所述在线供氢单元循环利用。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述在线供氢单元包括：
反应容器，用于使待进行水解制氢的反应物块与水接触进行水解制氢反应；和
氢气缓冲容器，用于对来自所述反应容器的氢气进行储存和缓冲。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水循环单元包括：
气液分离器，用于对来自所述燃料电池单元的气水混合物进行气液分离，以排出分离后的气相物流并得到一次液态水；
换热器，用于对所述气液分离器排出的气相物流进行进一步换热冷却以冷凝出二次液态水，优选为冷板蒸发器；
水容器，用于储存来自所述气液分离器的一次液体水和来自所述换热器的二次液态水；
输水装置，用于将所述水容器内的水作为水解制氢反应用水送入所述反应容器以循环利用，优选为蠕动泵；和
水容器出水管，用于将所述水容器内的水送入所述输水装置的进水口。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述反应容器上部设有反应容器进水管和反应容器排气管、下部设有反应容器出水管、内部设有置物架和过滤装置；其中，所述置物架悬空固定在所述反应器内部，用于搁置待进行水解制氢的反应物块并使所述反应物块与所述反应容器的底部之间留有距离；所述反应容器出水管的第一端位于所述反应容器内、第二端连接至所述输水装置的进水口，用于将所述反应容器下部汇集的水送入所述输水装置，所述过滤装置设置于所述反应容器出水管的第一端；所述反应容器进水管的第一端连接至所述输水装置的出水口、第二端位于所述反应容器内置物架的上方，用于将来自所述输水装置的出水喷淋至所述置物架上的反应物块；所述反应容器排气管用于将反应容器内产生的氢气送入所述氢气缓冲容器；
优选地，所述过滤装置为套设在所述进水管第一端上的一层200目滤布。
5.根据权利要求4所述的水解制氢系统，其特征在于，所述反应容器内还沿纵向设有导流筒，所述置物架固定在所述导流筒的内壁上，所述导流筒的上端高于所述置物架，所述导流筒的下部与所述反应容器连通，以使进行水解制氢反应后顺导流筒而下的水可以流入反应容器内。
6.根据权利要求5所述的水解制氢系统，其特征在于，所述导流筒的下端连接至所述反应容器的底端，所述导流筒下部的侧壁上设有一个或多个开孔以便排水；优选地，所述置物架呈网状或格栅状。
7.根据权利要求5或6所述的水解制氢系统，其特征在于，所述反应容器排气管位于反应容器内的一端的正下方设有挡板，所述挡板的位置高于所述导流筒，用于使至少部分待排出的氢气折流后再经由所述反应容器排气管排出。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的水解制氢系统，其特征在于，所述反应容器出水管和水容器出水管被配置为同时或分别向所述输水装置供水，优选被配置为根据反应容器和水容器内的液位分别向所述输水装置供水；
所述输水装置被配置为根据所述氢气缓冲容器内的氢气量和/或压力调节自身的输水量。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的水解制氢系统，其特征在于，所述反应物块为可进行水解制氢反应的铝镓基合金，优选为铝镓铟锡合金。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的水解制氢系统，其特征在于，所述燃料电池单元包括燃料电池和负载，所述燃料电池用于以来自所述在线供氢单元的氢气为燃料并将氢与氧反应的化学能转化为电能，以供所述负载使用；优选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
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