CN110867598A - 一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源 - Google Patents

一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源，包括：甲醇‑水原料容器、原料供应单元、气化室、气化换热器、重整催化反应室、纯化室、燃料电池单元、逆变输出单元。本发明在甲醇水发电机的原理架构基础上，提供了适合家庭场景的应急电源结构，其中提供了可以更换的甲醇‑水原料容器，能够实现耗尽提示功能，以及通过原料容器更换的方式可以方便实现甲醇‑水原料补充；利用了家庭热源提供启动阶段的供热，然后在催化重整和燃烧反应充分后过渡到自热供给，使得家庭应急电源的结构和工作方式更为简单可靠；另一方面，本发明的家庭应急电源集成了相关电子控制和人机交互功能，通过该家庭应急电源的控制系统可以实现应急状态下家庭用电状况的调控，对原料存量、电源运行状态以及电量可以实时向用户报告，提升了用户体验。

Description

一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源
技术领域
本申请涉及清洁能源技术领域，尤其涉及一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源。
背景技术
家庭应急电源可以在由于台风、地震、霜冻、大面积电网故障等自然灾害和事故造成市电供应较长时间中断的情况下，为家庭日常生活—特别是照明、电热取暖、空调降温等基本生活—提供备用供电。目前，家庭应急电源主要采用汽油等化石燃料，成本较高且具有污染，导致应用的场景受到较大限制。也有的现有技术采用充放电结构的蓄电池作为家庭应急电源，但是蓄电池储能容量有限，且老化后性能恶化比较明显，回收更新又会造成环境风险。
重整制氢发电技术是近年来新兴的清洁能源技术，其中，以甲醇-水为原料的重整制氢发电机因其具有的独特优势，日益受到重视。甲醇-水重整制氢发电机的基本结构如图1所示，该设备注入甲醇-水混合原料，经过动氢模块的气化、重整催化、纯化等过程，生成高纯度氢气，输入作为发电模块的燃料电池，与同样输入该燃料电池的空气(氧气)发生燃料电池反应，生成电能。
甲醇-水重整制氢发电机目前已经在车载电源、通信基站应急供电等领域得以应用，但是目前还没有采用该设备的家庭应急电源。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源。本发明一方面在甲醇水发电机的原理架构基础上，提供了适合家庭场景的应急电源结构，其中提供了可以更换的甲醇-水原料容器，能够实现耗尽提示功能，以及通过原料容器更换的方式可以方便实现甲醇-水原料补充；另一方面，通过该家庭应急电源的控制系统可以实现应急状态下家庭用电状况的调控。
基于上述目的，在本申请的第一个方面，提出了一种该家庭应急电源包括：甲醇-水原料容器、原料供应单元、气化室、气化换热器、重整催化反应室、纯化室、燃料电池单元、逆变输出单元；其中，
所述甲醇-水原料容器内盛放液态甲醇-水原料，并且该原料容器可拆卸更换地安装在家庭应急电源的主机上，安装之后原料容器的出口管与主机的原料供应单元的输液泵自动联通，输液泵可以将甲醇-水原料从原料容器抽送到气化室；
气化室通过加热使得液态的甲醇-水原料气化为甲醇-水蒸气混合气体，然后将混合气体输送到重整催化反应器，发生重整反应生成氢气；
其中，气化室通过所述气化换热器获得供热，以便加热气化所述液态的甲醇-水原料；气化换热器内部具有循环导热介质，其从家庭热源或者重整催化反应室的燃烧腔吸收获得热量，然后循环到所述气化室释放，实现对甲醇-水原料气化；
所述重整催化反应室包括反应腔以及燃烧腔，气化后的甲醇-水蒸气混合气体从气化室输送进反应腔内，在催化剂的作用下甲醇-水蒸气混合气体发生重整催化反应；所产生的气体初产物一部分被输送到所述燃烧腔，且燃烧腔中输入空气，通过燃烧产生自热；重整催化反应室的反应腔输出的气体初产物，除了一部分输送给燃烧腔，其余的气体初产物都被输送到纯化室；在纯化室中气体初产物经过冷凝，排除其中的甲醇和水，然后进入到吸附室，吸附其中的二氧化碳，得到高纯度且干燥的氢气；
所述高纯度的氢气被导入燃料电池单元，通过燃料电池单元内部的电化学反应产生电能；
逆变输出单元将所述燃料电池单元输出的直流电转换为与市电相同的交流电；逆变输出单元可以连接到家庭的供电回路的总路输入上面。
优选的是，所述家庭热源可以是联通家庭燃气管路的点火器，通过燃气燃烧为气化室内的气化以及重整催化反应室的反应提供最初的热量。
优选的是，所述原料供应单元还包括保护气体输送线路，其用于在家庭应急电源启动过程中向重整催化反应室输入氮气作为保护气体，直至重整催化反应室的温度达到预定温度，再关断保护气体。
优选的是，所述逆变输出单元可以对家庭供电回路的各个回路分路进行供电，且所述家庭应急电源还包括供电控制单元，所述供电控制单元可以测量各个回路的用电量，通过人机接口单元将各个回路的用电量发送给用户进行确认，以及控制对每一个回路供电的切断和导通。进一步优选的是，供电控制单元可以根据用户的指令而切断某一个回路的供电；或者，该供电控制单元可以切断用电量超过阈值的某一个回路的供电；又或者，该供电控制单元可以根据各个供电回路的排序以及甲醇-水原料容器内的剩余可用量，依次切断各个回路的供电。
优选的是，所述家庭应急电源还包括人机接口单元，可以与用户的手机、电脑等建立通信连接，从而向用户报告家庭应急电源的工作状态，包括但不限于：甲醇-水原料的剩余可用量、气化室及重整催化反应室的温度参数、逆变输出单元的总输电量。进一步优选的是，所述甲醇-水原料容器内部可以设置液位传感器，液位传感器通过液位测量获得甲醇-水原料的所述剩余可用量数据；液位传感器一方面连接所述供电控制单元，作为对供电回路进行控制的依据，另一方面也连接所述人机接口单元，从而向用户报告甲醇-水原料的剩余可用量，提示用户及时更换新的甲醇-水原料容器。进一步优选的是，在所述气化室及重整催化反应室内部可以设置热电偶式的温度传感器，检测内部的温度参数；温度传感器连接所述人机接口单元，从而将温度参数发送给用户，使用户能够监控家庭应急电源的工作状态，在温度过高时发出警示。进一步优选的是，所述逆变输出单元计算总输电量并发送给人机接口单元，以便用户查看。
优选的是，所述原料容器具有出口管，且家庭应急电源的主机具有接口管；原料容器的出口管处具有可以上下移动的胶塞，主机的所述接口管内可连接胶塞并推动其上、下运动的推拉杆及其对应的驱动结构。
可见，本发明创造性地提出了一种以甲醇水发电机为中心的家庭应急电源系统，可以在因各种原因造成市电电网供电中断的情况下为家庭的照明、空调、供暖乃至各种家用电器提供应急供电。本发明一方面在甲醇水发电机的原理架构基础上，提供了适合家庭场景的应急电源结构，例如，针对甲醇-水原料的补给，提供了可以更换的甲醇-水原料容器，能够实现耗尽提示功能，以及通过原料容器更换的方式可以方便实现甲醇-水原料补充，更有利于一般家庭操作；利用了家庭热源提供启动阶段的供热，然后在催化重整和燃烧反应充分后过渡到自热供给，使得家庭应急电源的结构和工作方式更为简单可靠；另一方面，本发明的家庭应急电源集成了相关电子控制和人机交互功能，通过该家庭应急电源的控制系统可以实现应急状态下家庭用电状况的调控，对原料存量、电源运行状态以及电量可以实时向用户报告，提升了用户体验。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源整体结构示意图。
图2是本发明所述的家庭应急电源的原料容器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源整体结构示意图。从该附图中可以看到，该家庭应急电源包括：甲醇-水原料容器、原料供应单元、气化室、气化换热器、重整催化反应室、纯化室、燃料电池单元、逆变输出单元、供电控制单元、人机接口单元。
所述甲醇-水原料容器内盛放液态甲醇-水原料，并且该原料容器可拆卸更换地安装在家庭应急电源的主机上，安装之后原料容器的出口管与主机的原料供应单元的输液泵自动联通，输液泵可以将甲醇-水原料从原料容器抽送到气化室。
气化室通过加热使得液态的甲醇-水原料气化为甲醇-水蒸气混合气体，然后将混合气体输送到重整催化反应器，发生重整反应生成氢气。
其中，气化室通过所述气化换热器获得供热，以便加热气化所述液态的甲醇-水原料。气化换热器内部具有循环导热介质，其从家庭热源或者重整催化反应室的燃烧腔吸收获得热量，然后循环到所述气化室释放，实现对甲醇-水原料气化。这里的家庭热源可以是联通家庭燃气管路的点火器，通过燃气燃烧为气化室内的气化提供最初的热量，以便最初气化的甲醇-水原料可以启动重整催化反应；待重整催化反应启动后，制得的氢气一部分在重整催化反应室的燃烧腔中与空气(氧气)燃烧释放热量，该热量被气化换热器传导到气化室，用于后续的甲醇-水原料气化，取代家庭热源，实现家庭应急电源的完全自热供给。
重整催化反应室包括反应腔以及燃烧腔，气化后的甲醇-水蒸气混合气体从气化室输送进反应腔内；反应腔填装Pt/Al2O3、Cu/Zn/Al2O3等催化剂，在催化剂的作用下甲醇-水蒸气混合气体发生重整催化反应生成包含氢气、二氧化碳气体以及一小部分反应未完全的甲醇-水蒸气的气体初产物。发生重整催化反应的温度条件是在240-270摄氏度左右，为了达到和维持该反应温度，最初也通过重整催化反应室配置的换热器从家庭热源获取热量，输送至反应腔，以便达到上述温度条件从而可以启动重整催化反应；进而，所产生的气体初产物一部分被输送到所述燃烧腔，且燃烧腔中输入空气(氧气)，通过燃烧产生自热，该自热直接传导给反应腔，维持前述反应温度；并且燃烧产生的热量如前文介绍的还通过气化换热器传导到气化室。
原料供应单元还包括保护气体输送线路，其用于在家庭应急电源启动过程中向重整催化反应室输入氮气作为保护气体，直至重整催化反应室的温度达到预定温度，再关断保护气体。
重整催化反应室的反应腔输出的气体初产物，除了一部分输送给燃烧腔，其余的气体初产物都被输送到纯化室。在纯化室中气体初产物经过冷凝，排除其中的甲醇和水，然后进入到吸附室，吸附其中的二氧化碳(以及极少的一氧化碳)，从而得到高纯度且干燥的氢气。
高纯度的氢气被导入燃料电池单元的负极，且空气(氧气)被从外部输入至燃料电池单元的正极，通过燃料电池单元内部的电化学反应产生电能，燃料电池单元可以采用质子交换膜形式的燃料电池，在此不再赘述。燃料电池单元输出的供电为直流电，为了满足为家庭中的各种连接市电的用电器应急供电的需求，由逆变输出单元将直流电转换为与市电相同的交流电。逆变输出单元可以连接到家庭的供电回路的总路输入上面。
家庭的供电回路一般包括照明回路、空调回路、电加热回路以及电视、电脑等家用电器的供电回路等。逆变输出单元可以对各个回路分路进行供电，且供电控制单元可以测量各个回路的用电量，通过人机接口单元将各个回路的用电量发送给用户进行确认，以及控制对每一个回路供电的切断和导通。从而，本发明的家庭应急电源能够对家庭各方面的应急供电进行调控，切断单独某一个或者某几个回路的供电。例如，可以只对照明回路进行供电，而切断对空调、电加热以及家用电器回路的供电。更具体来说，供电控制单元可以根据用户的指令而切断某一个回路的供电；或者，该供电控制单元可以切断用电量超过阈值的某一个回路的供电；又或者，该供电控制单元可以根据各个供电回路的排序以及甲醇-水原料容器内的剩余可用量，依次切断各个回路的供电，例如可以在剩余可用量低于80％时切断家用电器回路的供电，在剩余可用量低于60％时切断空调回路和电加热回路的供电，在剩余可用量低于40％时切断照明回路的供电。
人机接口单元可以通过各种通信技术，与用户的手机、电脑等建立通信连接，从而向用户报告家庭应急电源的工作状态，包括但不限于：甲醇-水原料的剩余可用量、气化室及重整催化反应室的温度参数、逆变输出单元的总输电量等。其中，所述甲醇-水原料容器内部可以设置液位传感器，液位传感器通过液位测量获得甲醇-水原料的所述剩余可用量数据；液位传感器一方面连接所述供电控制单元，作为对供电回路进行控制的依据，另一方面也连接所述人机接口单元，从而向用户报告甲醇-水原料的剩余可用量，提示用户及时更换新的甲醇-水原料容器。在所述气化室及重整催化反应室内部可以设置热电偶式的温度传感器，检测内部的温度参数；温度传感器连接所述人机接口单元，从而将温度参数发送给用户，使用户能够监控家庭应急电源的工作状态，在温度过高时发出警示。逆变输出单元计算总输电量并发送给人机接口单元，以便用户查看。
其中，本发明针对甲醇-水原料的消耗与补充问题，针对家庭应用的特点，为了方便用户的操作，提供了可以安装和拆卸的甲醇-水原料容器。如图2所示，原料容器具有出口管201，且家庭应急电源的主机具有接口管202。原料容器的出口管201处具有可以上下移动的胶塞203，主机的所述接口管202内可连接胶塞203并推动其上、下运动的推拉杆204及其对应的驱动结构。在原料容器未安装在主机上面时，所述胶塞处于图2中的下部，封闭所述出口管；当原料容器安装在主机上面后，所述出口管与所述接口管对接，且所述胶塞与所述推拉杆连接，进而推拉杆向上推动所述胶塞，从而打开原来被胶塞封闭的出口管，原料容器内置的甲醇-水液体原料可以从出口管流出，流入所述接口管，进而被抽送到气化室；在拆卸旧的原料容器时，向上搬动该原料容器，则胶塞重新封闭所述出口管，进而原料容器与主机脱离。用户可以在拆卸下原来的原料容器后，更换上新购买的满载甲醇-水原料的新的原料容器。而拆卸后的原料容器可以回收，用于罐装新的甲醇-水原料。
可见，本发明创造性地提出了一种以甲醇水发电机为中心的家庭应急电源系统，可以在因各种原因造成市电电网供电中断的情况下为家庭的照明、空调、供暖乃至各种家用电器提供应急供电。本发明一方面在甲醇水发电机的原理架构基础上，提供了适合家庭场景的应急电源结构，例如，针对甲醇-水原料的补给，提供了可以更换的甲醇-水原料容器，能够实现耗尽提示功能，以及通过原料容器更换的方式可以方便实现甲醇-水原料补充，更有利于一般家庭操作；利用了家庭热源提供启动阶段的供热，然后在催化重整和燃烧反应充分后过渡到自热供给，使得家庭应急电源的结构和工作方式更为简单可靠；另一方面，本发明的家庭应急电源集成了相关电子控制和人机交互功能，通过该家庭应急电源的控制系统可以实现应急状态下家庭用电状况的调控，对原料存量、电源运行状态以及电量可以实时向用户报告，提升了用户体验。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，包括：甲醇-水原料容器、原料供应单元、气化室、气化换热器、重整催化反应室、纯化室、燃料电池单元、逆变输出单元；其中，
所述甲醇-水原料容器内盛放液态甲醇-水原料，并且该原料容器可拆卸更换地安装在家庭应急电源的主机上，安装之后原料容器的出口管与主机的原料供应单元的输液泵自动联通，输液泵可以将甲醇-水原料从原料容器抽送到气化室；
气化室通过加热使得液态的甲醇-水原料气化为甲醇-水蒸气混合气体，然后将混合气体输送到重整催化反应器，发生重整反应生成氢气；
其中，气化室通过所述气化换热器获得供热，以便加热气化所述液态的甲醇-水原料；气化换热器内部具有循环导热介质，其从家庭热源或者重整催化反应室的燃烧腔吸收获得热量，然后循环到所述气化室释放，实现对甲醇-水原料气化；
所述重整催化反应室包括反应腔以及燃烧腔，气化后的甲醇-水蒸气混合气体从气化室输送进反应腔内，在催化剂的作用下甲醇-水蒸气混合气体发生重整催化反应；所产生的气体初产物一部分被输送到所述燃烧腔，且燃烧腔中输入空气，通过燃烧产生自热；重整催化反应室的反应腔输出的气体初产物，除了一部分输送给燃烧腔，其余的气体初产物都被输送到纯化室；在纯化室中气体初产物经过冷凝，排除其中的甲醇和水，然后进入到吸附室，吸附其中的二氧化碳，得到高纯度且干燥的氢气；
所述高纯度的氢气被导入燃料电池单元，通过燃料电池单元内部的电化学反应产生电能；
逆变输出单元将所述燃料电池单元输出的直流电转换为与市电相同的交流电；逆变输出单元可以连接到家庭的供电回路的总路输入上面。
2.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述家庭热源可以是联通家庭燃气管路的点火器，通过燃气燃烧为气化室内的气化以及重整催化反应室的反应提供最初的热量。
3.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述原料供应单元还包括保护气体输送线路，其用于在家庭应急电源启动过程中向重整催化反应室输入氮气作为保护气体，直至重整催化反应室的温度达到预定温度，再关断保护气体。
4.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述逆变输出单元可以对家庭供电回路的各个回路分路进行供电，且所述家庭应急电源还包括供电控制单元，所述供电控制单元可以测量各个回路的用电量，通过人机接口单元将各个回路的用电量发送给用户进行确认，以及控制对每一个回路供电的切断和导通。
5.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，供电控制单元可以根据用户的指令而切断某一个回路的供电；或者，该供电控制单元可以切断用电量超过阈值的某一个回路的供电；又或者，该供电控制单元可以根据各个供电回路的排序以及甲醇-水原料容器内的剩余可用量，依次切断各个回路的供电。
6.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述家庭应急电源还包括人机接口单元，可以与用户的手机、电脑等建立通信连接，从而向用户报告家庭应急电源的工作状态，包括但不限于：甲醇-水原料的剩余可用量、气化室及重整催化反应室的温度参数、逆变输出单元的总输电量。
7.根据权利要求6所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述甲醇-水原料容器内部可以设置液位传感器，液位传感器通过液位测量获得甲醇-水原料的所述剩余可用量数据；液位传感器一方面连接所述供电控制单元，作为对供电回路进行控制的依据，另一方面也连接所述人机接口单元，从而向用户报告甲醇-水原料的剩余可用量，提示用户及时更换新的甲醇-水原料容器。
8.根据权利要求6所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，在所述气化室及重整催化反应室内部可以设置热电偶式的温度传感器，检测内部的温度参数；温度传感器连接所述人机接口单元，从而将温度参数发送给用户，使用户能够监控家庭应急电源的工作状态，在温度过高时发出警示。
9.根据权利要求6所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述逆变输出单元计算总输电量并发送给人机接口单元，以便用户查看。
10.根据权利要求1所述的应用甲醇水发电机的家庭应急电源，其特征在于，所述原料容器具有出口管，且家庭应急电源的主机具有接口管；原料容器的出口管处具有可以上下移动的胶塞，主机的所述接口管内可连接胶塞并推动其上、下运动的推拉杆及其对应的驱动结构。
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