CN110767921A - 一种氢燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氢燃料电池系统，包括氢气发生器、燃料电池、控制输出模块；氢气发生器包括反应容器、储水箱，储水箱通过吸水管连接反应容器，反应容器的出气管道连接燃料电池，出气管道设有第一压力传感器，储水箱设有加压口，加压口处设有泵，控制输出模块连接第一压力传感器和泵，气体压力高于燃料电池所需压力时，泵将反应液吸回储水箱，反之，将储水箱中的反应液送入反应容器。本发明的有益效果：氢气发生器能够产生氢气并将氢气引入燃料电池转化为电能，控制输出模块可以通过氢气压力调节氢气的产生量，避免传统用氢气储罐补入氢气的方式，可以作为各类便携式仪器设备的配套电源。

Description

一种氢燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种电池系统，尤其涉及的是一种氢燃料电池系统。
背景技术
目前的燃料电池供电系统使用的气体储罐和合金储罐气瓶容积较大，补充氢气较麻烦。无法适应便携式使用的轻便和储能密度高的要求。
如申请号：CN201910524726.8，公开一种便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括基座、设置在基座上的栅孔壳体、若干阳极集电板、催化层、阻醇层、膜电极、阴极集电器、外引导线，所述栅孔壳体呈圆球形或椭球形且下端封闭、上端开口并设有端盖，所述栅孔壳体的圆周壁沿周向均匀设置有若干与经线平行的弧状格栅，所述端盖设置有连接各阳极集电板的外引导线，所述阳极集电板、催化层阻醇层和膜电极弧度一致地由内向外依次紧贴地设在所述栅孔壳体各弧状格栅之间，且各膜电极与栅孔壳体外周面共面，所述的阴极集电器呈弧形紧固在所述栅孔壳体的外周面且和对应的膜电极外表面紧密接触。球形结构与零件会增加工艺的难度，不利于批量生产。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有补充氢气的方式繁琐的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种氢燃料电池系统，包括用于产生氢气的氢气发生器、燃料电池、用于控制氢气的产生的控制输出模块；所述氢气发生器包括反应容器、储水箱，储水箱通过吸水管连接反应容器，反应容器顶端设有出气管道，出气管道连接燃料电池进气端，出气管道设有用于监控氢气压力的第一压力传感器，储水箱顶端设有加压口，加压口处设有泵，控制输出模块连接第一压力传感器和泵，当气体压力高于燃料电池所需压力时，泵工作，将反应液吸回储水箱，当气体压力低于燃料电池所需压力时，泵工作，将储水箱中的反应液送入反应容器。
本发明中氢气发生器能够产生氢气并将氢气引入燃料电池转化为电能，控制输出模块可以通过第一压力传感器输出的压力值，根据需要氢气压力调节氢气的产生量，避免传统用氢气储罐补入氢气的方式，可以作为各类便携式仪器设备的配套电源。
优选的，还包括文丘里管、气水分离装置，氢气发生器的出气端连接文丘里管，文丘里管的出气端连接燃料电池的进气端，燃料电池的出气端连接气水分离装置的入口，气水分离装置的出口连接文丘里管的侧面。
高速气体经过文丘里管时，从扩口进入缩口段时，气体流速变大，压力降低，燃料电池所排出的尾气被从文丘里管的侧吸口吸入文丘里管，与氢气发生器所产生的氢气一起进入燃料电池的入口端，达到充分利用氢气的目的，气水分离器能够使气体与水气分离，并可以通过增加过滤器滤除杂质气体，提高出口氢气的纯净度，以保护燃料电池。
优选的，所述气水分离器表面设置有翅片。
翅片的作用：降低气水分离器温度，进一步提高气水分离效率。
优选的，还包括过滤器，过滤器设置在吸水管上。
优选的，还包括用于将氢气发生器发出的反应热加热燃料电池的换热组件，所述换热组件包括盘管、换热器，盘管置于反应容器内，盘管与换热器首尾相连，换热器置于反应容器外部，换热器放置在燃料电池侧部。
氢气发生器与燃料电池存在换热组件可以实现在低温时，通过氢气发生器发出的反应热加热燃料电池以保证燃料电池的低温启动能力。
优选的，所述反应容器侧面设有用于观察的第一观察窗，反应容器顶端设有安全阀，反应容器内部设有用于隔绝填料的隔板，隔板下方的反应容器侧面设有加料口。
第一观察窗用于观察填料是否反应完全，安全阀能够在氢气压力超过限值时排放氢气，筛板起到隔绝填料，过滤杂质的作用。
优选的，所述储水箱侧面设有用于观察的第二观察窗，储水箱顶部设有液体加注口、加压口，加压口处设有第二压力传感器。
第二观察窗查看反应溶液情况，液体加注口为了加入水或水溶液，通过第二压力传感器监测储水箱中气体压力，若大于2-4大气压时，停止泵并通过液体加注口排气减压。
优选的，还包括安装在氢气发生器与文丘里管之间的电磁阀，还包括燃料电池DCDC交换器，燃料电池DCDC交换器输出端连接负载输入端，以及安装在燃料电池上的燃料电池风扇；
所述控制输出模块包括第一电压测量模块、第二电压测量模块、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电池、开关、继电器、控制模块；燃料电池的输出端连接在第一电压测量模块上，第一电压测量模块后依次连接第一MOS管和燃料电池DCDC交换器，燃料电池DCDC交换器的输出端连接在负载上，该连线为功率输出总线；所述功率输出总线还连接有第二MOS管的输入端、第二二极管的输出端、继电器的供电端和第三二极管的输入端；第二MOS管的输出端与第一二极管的输出端并联，共同连接在燃料电池风扇和燃料电池的电源输入端；电池的电源输出端有3个，分别连接在第三MOS管输入端、开关以及第四MOS管的输入端；第三MOS管的输出端连接在第一二极管的输入端，第四MOS管的输出端连接在第二二极管的输入端；第三二极管的输出端与继电器的输出端并联并共同输出到控制模块、泵、第一压力传感器、第二压力传感和电磁阀的供电端；继电器的入口端与第二电压测量模块出口端相连，第二电压测量模块入口端与开关相连；
控制模块控制连接第一电压测量模块、第二电压测量模块、第一压力传感器、第二压力传感器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、燃料电池风扇、继电器。
燃料电池风扇朝外侧吹起，散热器加热后的热风将能够加热燃料电池，当燃料电池能够启动后，控制模块发出信号，燃料电池风扇反转，燃料电池风扇朝燃料电池4吹气。
优选的，所述继电器为常闭继电器。
优选的，所述电磁阀为常开电磁阀。
本发明的优点在于：
(1)本发明中氢气发生器能够产生氢气并将氢气引入燃料电池转化为电能，控制输出模块可以根据需要氢气压力调节氢气的产生量，避免传统用氢气储罐补入氢气的方式，可以作为各类便携式仪器设备的配套电源；
(2)高速气体经过文丘里管时，从扩口进入缩口段时，气体流速变大，压力降低，燃料电池所排出的尾气被从文丘里管的侧吸口吸入文丘里管，与氢气发生器所产生的氢气一起进入燃料电池的入口端，达到充分利用氢气的目的，气水分离器能够使气体与水气分离，并可以通过增加过滤器滤除杂质气体，提高出口氢气的纯净度，以保护燃料电池；
(3)翅片的作用：降低气水分离器温度，进一步提高气水分离效率；
(4)氢气发生器与燃料电池存在换热组件可以实现在低温时，通过氢气发生器发出的反应热加热燃料电池以保证燃料电池的低温启动能力；
(5)反应容器的观察窗用于观察填料是否反应完全，安全阀能够在氢气压力超过限值时排放氢气，筛板起到隔绝填料，过滤杂质的作用；
(6)储水箱的观察窗查看反应溶液情况，液体加注口为了加入水或水溶液，通过第二压力传感器监测储水箱中气体压力，若大于2-4大气压时，停止泵并通过液体加注口排气减压。
附图说明
图1是本发明实施例一种氢燃料电池系统的结构示意图；
图2是控制输出模块控制关系图；
图3是氢气发生器结构示意图；
图4是水汽分离器的结构示意图。
图中标号：氢气发生器100、反应容器110、腔体111、第一压力传感器112、第一观察窗113、安全阀114、隔板115、加料口116、盘管117、换热器118、储水箱120、储水箱腔体121、泵122、第二观察窗123、液体加注口124、第二压力传感器125、吸水管130、过滤器140、
燃料电池200、燃料电池风扇210、燃料电池DCDC交换器220、
控制输出模块300、控制模块301、第一电压测量模块302、第二电压测量模块303、第一MOS管304、第二MOS管305、第三MOS管306、第四MOS管307、第一二极管308、第二二极管309、第三二极管310、电池311、开关312、继电器313、
文丘里管400、气水分离装置500、弯管501、过滤件502、电磁阀600、负载700。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1、图3所示，一种氢燃料电池系统，包括用于产生氢气的氢气发生器100、燃料电池200、用于控制氢气的产生的控制输出模块300、文丘里管400、气水分离装置500、电磁阀600；氢气发生器100的出气端依次连接电磁阀600、文丘里管400，文丘里管400的出气端连接燃料电池200的进气端，燃料电池200的出气端连接气水分离装置500的入口，气水分离装置500的出口连接文丘里管400的侧面。电磁阀600可以根据要求承压，保证氢气发生器100供给的氢气压力。
高速气体经过文丘里管400时，从扩口进入缩口段时，气体流速变大，压力降低，适宜进入燃料电池200所需的压力低的氢气，燃料电池200所排出的尾气被从文丘里管400的侧吸口吸入文丘里管400，与氢气发生器100所产生的氢气一起进入燃料电池200的入口端，达到充分利用氢气的目的，气水分离装置500能够使气体与水气分离。
如图2所示，所述氢气发生器100包括反应容器110、储水箱120，储水箱130通过吸水管130连接反应容器110，吸水管130上设有过滤器140，过滤器140能够防止反应颗粒进入储水箱130；
反应容器110包括反应容器腔体111，顶端设有出气管道，出气管道连接燃料电池200进气端，出气管道设有用于监控氢气压力的第一压力传感器112，所述反应容器110侧面设有用于观察的第一观察窗113，反应容器110顶端设有安全阀114，反应容器本体111内部设有用于隔绝填料的隔板115，隔板115下方的反应容器110侧面设有加料口116。反应容器的第一观察窗113用于观察填料是否反应完全，安全阀114能够在氢气压力超过限值时排放氢气，筛板起到隔绝填料，过滤杂质的作用。
另外，还包括用于将氢气发生器发出的反应热加热燃料电池的换热组件，所述换热组件包括盘管117、换热器118，盘管117弯曲的置于反应容器内，盘管117与换热器118首尾相连，换热器118置于反应容器110外部，换热器118放置在燃料电池200侧部。换热组件可以实现在低温时，通过反应容器110发出的反应热加热燃料电池200以保证燃料电池的低温启动能力。
储水箱120包括储水箱腔体121，其顶端设有加压口，加压口处设有泵122，储水箱120侧面设有用于观察的第二观察窗123，储水箱120顶部设有液体加注口124，加压口处设有第二压力传感器125。第二观察窗123查看反应溶液情况，液体加注口124为了加入水或水溶液，通过第二压力传感器125监测储水箱120中气体压力，若大于2-4大气压时，停止泵122并通过液体加注口124排气减压。
燃料电池200的输出端还包括燃料电池DCDC交换器220，燃料电池DCDC交换器输出端连接负载700输入端，以及安装在燃料电池200上的燃料电池风扇210；
氢气发生器产生氢气的过程如下：
(1)电磁阀600选择常开电磁阀，在启动整个系统前，需要从加料口116加入反应颗粒(Mg合金或硼氢化钠等反应物)，向液体加注口124加入水或水溶液，如果是低温启动必须加入浓度大于25.7％的氯化钙水溶液，保证-30℃情况下不结冰，通过泵122将反应液送入反应容器110，氢气反应后慢慢通入燃料电池200，使得燃料电池200启动；
(2)在正常工作后，需要将反应容器110的气体压力逐渐升高，满足燃料电池200长期使用要求，先闭合电磁阀600，第一压力传感器115测量压力，当压力达到要求时(燃料电池所需要的氢气压力的1.1-1.3倍)，打开电磁阀600；若气体压力高于正常需求的1.3倍时，泵122反转，将反应液吸回储水箱120，当第一压力传感器115测得压力值低于燃料电池所需压力时，泵122向储水箱120充气，将储水箱120中的反应液送入反应容器110；同时，通过第二压力传感器125监测储水箱120中气体压力，若大于2-4大气压时，停止泵122并通过液体加注口124排气减压。
(3)当整个系统在低温启动时，反应容器110中的反应物质与反应液反应放热，散热器118变热，能够加热散热器118附近空气，燃料电池风扇210朝外侧吹起，散热器118加热后的热风将能够加热燃料电池200；当燃料电池200能够启动后，控制模块301发出信号，燃料电池风扇210反转，燃料电池风扇210朝燃料电池200吹气。
(4)当反应容器110中气体压力增大后，大于其安全压力(2-4大气压)，安全阀114开启，排放氢气，当压力小于1.5大气压后安全阀114关闭。
本实施例通过氢气发生器100能够产生氢气并将氢气引入燃料电池200转化为电能，控制输出模块300可以根据需要氢气压力调节氢气的产生量，避免传统用氢气储罐补入氢气的方式，可以作为各类便携式仪器设备的配套电源。
如图3所示，所述控制输出模块300包括控制模块301、第一电压测量模块302、第二电压测量模块303、第一MOS管304、第二MOS管305、第三MOS管306、第四MOS管307、第一二极管308、第二二极管309、第三二极管310、电池311、开关312、继电器313；
燃料电池200的输出端连接在第一电压测量模块302上，第一电压测量模块302后依次连接第一MOS管304和燃料电池DCDC交换器220，燃料电池DCDC交换器220的输出端连接在负载700上，该连线为功率输出总线；所述功率输出总线还连接有第二MOS管305的输入端、第二二极管309的输出端、继电器313的供电端和第三二极管310的输入端；第二MOS管305的输出端与第一二极管308的输出端并联，共同连接在燃料电池风扇210和燃料电池200的电源输入端；电池311的电源输出端有3个，分别连接在第三MOS管306输入端、开关312以及第四MOS管307的输入端；第三MOS管306的输出端连接在第一二极管308的输入端，第四MOS管307的输出端连接在第二二极管309的输入端；第三二极管310的输出端与继电器313的输出端并联并共同输出到控制模块301、泵122、第一压力传感器111、第二压力传感125和电磁阀600的供电端；继电器313的入口端与第二电压测量模块303出口端相连，第二电压测量模块303入口端与开关312相连；
第一电压测量模块302、第二电压测量模块303、第一压力传感器111、第二压力传感器125的信号输出端与控制模块301相连，第一MOS管304、第二MOS管305、第三MOS管306、第四MOS管307的栅极、燃料电池风扇210的正反电路控制端，继电器313控制端、电磁阀600的控制端与控制模块301相连。
继电器313为常闭继电器，打开开关312，控制模块301上电，启动控制模块301，记录第二电压测量模块303信号为高电平，将关机信号置为0，将运行信号置为0，关闭第三MOS管306，燃料电池风扇210和燃料电池200上电，第一电压测量模块302测量到电压后，关闭第一MOS管304，第二MOS管305，第四MOS管307，第三MOS管306，继电器313置于断开状态。第二电压测量模块302为低电平，将运行信号置为1，表示可将关机信号设置为1。此时，燃料电池200为功率输出状态。当开关312再次被按下，第二电压测量模块302处于高电平，那么就将关机信号置为1。控制模块301准备关机，打开第一MOS管304，第二MOS管305，第四MOS管307。
第一二极管308、第二二极管309、第三二极管310具有单向导通作用，保护电池311不会被功率输出总线的电流影响；第一电压测量模块302、第二电压测量模块303可使用电阻分压及运算放大电路方式测量。
综上所述：
(1)控制输出模块300能够稳定输出电压，电压测量模块可使用电阻分压式测量，无需外接测量电源；
(2)控制输出模块300能够实现燃料电池200供应所有设备电能，电池311仅作为启动时的电源，以及紧急情况下的应急供电电源，简化了电池充电回路，减小设备数量及重量。
(3)控制输出模块300能够将燃料电池200输出的电能通过燃料电池DCDC交换器220调压至负载700要求的电压，并控制氢气发生器中的电磁阀600控制氢气的产生。本实施例中氢燃料电池系统，可以作为各类便携式仪器设备的配套电源。
实施例二：
如图4所示，本实施例在实施例一的基础上，优化了气水分离装置500；
气水分离装置500内部设有弯管501，以及设置在弯管501出气口处的过滤件502，能够滤除杂质气体，提高出口氢气的纯净度，以保护燃料电池200。
且在气水分离器的外部增加了翅片，翅片能够降低气体温度，提供气水分离效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统，其特征在于，包括能够产生氢气的氢气发生器、能够控制氢气的产生的控制输出模块、以及燃料电池；所述氢气发生器包括反应容器、储水箱，储水箱通过吸水管连接反应容器，反应容器顶端设有出气管道，出气管道连接燃料电池进气端，出气管道设有用于监控氢气压力的第一压力传感器，储水箱顶端设有加压口，加压口处设有泵，控制输出模块连接第一压力传感器和泵，当气体压力高于燃料电池所需压力时，泵将反应液吸回储水箱，当气体压力低于燃料电池所需压力时，泵将储水箱中的反应液送入反应容器。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，还包括文丘里管、气水分离装置，氢气发生器的出气端连接文丘里管，文丘里管的出气端连接燃料电池的进气端，燃料电池的出气端连接气水分离装置的入口，气水分离装置的出口连接文丘里管的侧面。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述气水分离器表面设置有翅片。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，还包括过滤器，过滤器设置在吸水管上。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，还包括用于将氢气发生器发出的反应热加热燃料电池的换热组件，所述换热组件包括盘管、换热器，盘管置于反应容器内，盘管与换热器首尾相连，换热器置于反应容器外部，换热器放置在燃料电池侧部。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述反应容器侧面设有用于观察的第一观察窗，反应容器顶端设有安全阀，反应容器内部设有用于隔绝填料的隔板，隔板下方的反应容器侧面设有加料口。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述储水箱侧面设有用于观察的第二观察窗，储水箱顶部设有液体加注口、加压口，加压口处设有第二压力传感器。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，还包括安装在氢气发生器与文丘里管之间的电磁阀，还包括燃料电池DCDC交换器，燃料电池DCDC交换器输出端连接负载输入端，以及安装在燃料电池上的燃料电池风扇；
所述控制输出模块包括第一电压测量模块、第二电压测量模块、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电池、开关、继电器、控制模块；功率输出总线为：燃料电池的输出端连接在第一电压测量模块上，第一电压测量模块后依次连接第一MOS管和燃料电池DCDC交换器，燃料电池DCDC交换器的输出端连接在负载上；所述功率输出总线还连接有第二MOS管的输入端、第二二极管的输出端、继电器的供电端和第三二极管的输入端；第二MOS管的输出端与第一二极管的输出端并联，共同连接在燃料电池风扇和燃料电池的电源输入端；电池的电源输出端有3个，分别连接在第三MOS管输入端、开关以及第四MOS管的输入端；第三MOS管的输出端连接在第一二极管的输入端，第四MOS管的输出端连接在第二二极管的输入端；第三二极管的输出端与继电器的输出端并联并共同输出到控制模块、泵、第一压力传感器、第二压力传感和电磁阀的供电端；继电器的入口端与第二电压测量模块出口端相连，第二电压测量模块入口端与开关相连；
控制模块控制连接第一电压测量模块、第二电压测量模块、第一压力传感器、第二压力传感器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、燃料电池风扇、继电器。
9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述继电器为常闭继电器。
10.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述电磁阀为常开电磁阀。
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