CN112103540B - 一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，包括监控单元、燃烧舱、热交换器和双面冷凝器，所述监控单元分别与燃料电池电堆模块、空气发生装置、循环泵、干烧加热棒、散热器和温度传感器连接。该固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，在常温常压下通过监控单元来实现对氢气量控制、氢气压力和反应温度定点控制使其具有更高的安全性和固体氢利用率，使得产生的氢气更加稳定、纯度更高，氢气即产即用，无需高压储氢罐提供氢气，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，高效利用了余热、废氢产生热能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体为一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，解决了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的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，包括监控单元、燃烧舱、热交换器、燃料电池电堆模块、空气发生装置、循环泵、干烧加热棒、散热器、温度传感器、水箱和双面冷凝器，所述监控单元分别与燃料电池电堆模块、空气发生装置、循环泵、干烧加热棒、散热器和温度传感器连接。
所述燃烧舱内等距离设有固体氢块，所述干烧加热棒分别设置于相邻两个固体氢块之间，温度传感器设置于燃烧舱内，燃烧舱具有一个大气进口并被分为与固体氢块数量相等的分口，每个分口与其相对应的固体氢块通道连通，每个分口处均设有单向阀，固体氢块通道的另一端均与导入管连通。
所述热交换器内设有冷却液通道、氢气通道和废气通道，所述导入管顶端的出口与氢气通道入口连通，氢气通道的出口通过导管导入至水箱内腔的底部，导入管底端的出口与废气通道入口连通，冷却液通道的进口和出口分别与散热器的出口和进口通过冷却液管连接，所述循环泵设置于冷却液管上。
所述双面冷凝器的正面设有氢气冷凝通道，水箱顶部侧面的出气管与氢气冷凝通道的入口连接，氢气冷凝通道的出口通过导管与燃料电池电堆模块的入口连接，燃料电池电堆模块上连接有空气发生装置，双面冷凝器的背面设有废气冷凝通道，废气通道的出口通过导管与废气冷凝通道的入口连接，废气冷凝通道的出口以及燃料电池电堆模块的出口均与尾气过滤器的入口连接。
所述散热器包括设置于燃烧舱大气入口处的主散热器和热交换器处的辅散热器，主散热器的入口和辅散热器的出口之间、主散热器的出口与辅散热器的入口之间分别通过冷却液管连接，所述主散热器与燃烧舱的大气入口处设有风机，该风机与监控单元电连接；
所述监控单元连接有三通阀，三通阀包括设置于燃料电池电堆模块出口与第一电磁阀之间的导管上的第三两位三通阀，该第三两位三通阀的其中一通阀口通过导管与燃烧舱的大气入口连接。
进一步限定，所述水箱内设有液位传感器，该液位传感器与监控单元电连接。
进一步限定，所述监控单元还电连接有电磁阀，电磁阀包括设置于燃料电池电堆模块出口与尾气过滤器入口之间的导管上的第一电磁阀，以及设置于补水管上的第二电磁阀。
进一步限定，所述双面冷凝器的氢气冷凝通道的出口与燃料电池电堆模块的入口之间的导管上依次设置有水汽分离器、阳离子过滤器和水汽过滤器。
进一步限定，所述三通阀还包括两个冷却液管上分别设置的第一两位三通阀、第二两位三通阀，两个冷却液管分别通过第一两位三通阀和第二两位三通阀与冷却液通道的入口以及出口连接。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：该固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，在常温常压下通过监控单元来实现对氢气量控制、氢气压力和反应温度定点控制使其具有更高的安全性和固体氢利用率，使得产生的氢气更加稳定、纯度更高，氢气即产即用，无需高压储氢罐提供氢气，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，高效利用了余热、废氢产生热能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明热交换器的剖视图；
图3为本发明系统原理图。
图中：1燃烧舱、2固体氢块、3单向阀、4风机、5主散热器、6导入管、7热交换器、8双面冷凝器、9辅散热器、10水汽分离器、11阳离子过滤器、12循环泵、13第一两位三通阀、14冷却液管、15水汽过滤器、16空气发生装置、17燃料电池电堆模块、18第一电磁阀、19尾气过滤器、20第二两位三通阀、21液位传感器、22第二电磁阀、23补水管、24冷却液通道、25氢气通道、26废气通道、27干烧加热棒、28第三两位三通阀、29两位三通阀、30散热器、31温度传感器、32电磁阀、33水箱、34监控单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，包括监控单元34、燃烧舱1、热交换器7、燃料电池电堆模块17、空气发生装置16、循环泵12、干烧加热棒27、散热器30、温度传感器31、水箱33和双面冷凝器8，监控单元34分别与燃料电池电堆模块17、空气发生装置16、循环泵12、干烧加热棒27、散热器30和温度传感器31连接。
燃烧舱1内等距离设有固体氢块2，该固体氢块2是常温常压状态，通过氢气与金属反应生成的固体金属氢化物，干烧加热棒27分别设置于相邻两个固体氢块2之间，其对固体氢块2所在空间进行加热，通过热传导方式加热固体氢块2，温度传感器31设置于燃烧舱1内，燃烧舱1具有一个大气进口并被分为与固体氢块2数量相等的分口，每个分口与其相对应的固体氢块2通道连通，每个分口处均设有单向阀3，其使氢气只能由燃烧舱1流出，但无法回流，防止气体倒灌，固体氢块2通道的另一端均与导入管6连通。
热交换器7内设有冷却液通道24、氢气通道25和废气通道26，导入管6顶端的出口与氢气通道25入口连通，氢气通道25的出口通过导管导入至水箱33内腔的底部，导入管6底端的出口与废气通道26入口连通，冷却液通道24的进口和出口分别与散热器30的出口和进口通过冷却液管14连接，循环泵12设置于冷却液管14上，其以从热交换器7吸入冷却液，并向主散热器5或辅散热器9以排出的方式进行动作，为了更好的进行热交换，该热交换器7其由三层流道组成，分别为氢气通道25、冷却液通道24和废气通道26，冷却液通道24位于中间层，氢气通道25和废气通道26位于两侧，其中氢气通道25和废气通道26为横向通道，冷却液通道24为竖向通道；氢气通道25由上至下方向，从燃烧舱1流出经由热交换器7后进入水箱33；废气通道26也由上至下方向，从燃烧舱1流出经由热交换器7后进入双面冷凝器8反面的废气通道26入口送入废气。
水箱33用于储存水或者水溶液，该水箱33内的水或者水溶液由于高温氢气的热传导作用变成热水或者热水溶液，金属镁粉将与水或者水溶液发生反应，反应方程式为Mg+2H2O(热水)→Mg(OH)2+H2↑，并通过出气管向双面冷凝器8正面的氢气冷凝通道送入氢气。
双面冷凝器8的正面设有氢气冷凝通道，水箱33顶部侧面的出气管与氢气冷凝通道的入口连接，氢气冷凝通道的出口通过导管与燃料电池电堆模块17的入口连接，燃料电池电堆模块17上连接有空气发生装置16，其具备将空气吸入、压缩、排出的装置，并向燃料电池电堆模块17送入空气，双面冷凝器8的背面设有废气冷凝通道，废气通道26的出口通过导管与废气冷凝通道的入口连接，废气冷凝通道的出口以及燃料电池电堆模块17的出口均与尾气过滤器19的入口连接，尾气过滤器19可对燃料电池所排出的废氢和燃烧舱1排出的废气进行过滤，双面冷凝器8外侧装有冷凝风扇为其散热降温。
水箱33内设有液位传感器21，该液位传感器21与监控单元34电连接，用于测量水箱33内水或者水溶液的液位情况。
监控单元34还电连接有电磁阀32，电磁阀32包括设置于燃料电池电堆模块17出口与尾气过滤器19入口之间的导管上的第一电磁阀18，其通过控制通断将氢气排向尾气过滤器19，以及设置于补水管23上的第二电磁阀22，第二电磁阀22用于控制通断将水或水溶液通过补水管23向水箱33内补水。
散热器30包括设置于燃烧舱1大气入口处的主散热器5和热交换器7处的辅散热器9，主散热器5的入口和辅散热器9的出口之间、主散热器5的出口与辅散热器9的入口之间分别通过冷却液管14连接，主散热器5通过风机4将热交换器7和经过镁水反应后的温度吹往燃烧舱1内，为燃烧舱1提供反应大部分热能，辅散热器9其通过内置风扇能够快速给热交换器7散热，主要在停机时使用。
双面冷凝器8的氢气冷凝通道的出口与燃料电池电堆模块17的入口之间的导管上依次设置有水汽分离器10、阳离子过滤器11和水汽过滤器15，水汽分离器10是对双面冷凝器8冷凝后的水和氢气进行分离的设备，阳离子过滤器11是对水汽分离器10分离后的氢气内的未反应的镁离子进行过滤的设备，水汽过滤器15是对阳离子过滤器11过滤后的氢气再次进行水汽过滤的设备，并通过向燃料电池电堆模块17送入氢气。
主散热器5与燃烧舱1的大气入口处设有风机4，该风机4与监控单元34电连接，其根据产氢量的不同开启不同数量的风机4，为固体氢块2裂解反应提供氧化剂，同时也为燃烧舱1提供或减少热量。
监控单元34连接有三通阀，三通阀包括两个冷却液管14上分别设置的第一两位三通阀13、第二两位三通阀20和第三两位三通阀28，两个冷却液管14分别通过第一两位三通阀13和第二两位三通阀20与冷却液通道24的入口以及出口连接，第一两位三通阀13和第二两位三通阀20其通过控制通断可对冷却液液路流向进行控制，第三两位三通阀28设置于燃料电池电堆模块17出口与第一电磁阀18之间的导管上，该第三两位三通阀28的其中一通阀口通过导管与燃烧舱1的大气入口连接，其通过控制通断对氢气气路流向进行控制，并可向燃烧舱1送入燃料电池电堆模块17排出的废氢。
其中，监控单元34根据氢气的需求量，控制燃料电池电堆模块17的拉载功率、控制空气发生装置16的产空气量、控制干烧加热棒27的开启时间级间隔、控制风机4的开关状态和开启量、控制主散热器5和辅散热器9内风扇的开关状态和开启量、控制循环泵12的开启和时间、根据温度传感器31的数值控制氢气发生装置的反应速率、根据液位传感器21的数值控制第二电磁阀22的开启，为水箱33进行补水、控制电磁阀32和两位三通阀29的开启和方向。
在该固体氢高温反应氢气发生装置发电系统中，通过干烧加热棒27，其对固体氢块2所在空间进行加热，通过热传导方式加热固体氢块2，使之燃烧舱1温度达到反应温度，并通过由导入管6向热交换器7送入氢气和废气；反应方程式为MgH（高温）→Mg+H2↑△H=74.6KJ/mol，该反应为吸热反应；该干烧加热棒27由监控单元34控制；在该热交换器7中，为了更好的进行热交换，该热交换器7其由三层流道组成，分别为氢气通道25、冷却液通道24和废气通道26，冷却液通道24位于中间层，氢气通道25和废气通道26位于两侧，其中氢气通道25和废气通道26为横向通道，冷却液通道24为竖向通道；氢气通道25由上至下方向，从燃烧舱1流出经由热交换器7后进入水箱33；废气通道26也由上至下方向，从燃烧舱1流出经由热交换器7后进入双面冷凝器8反面送入废气，冷却液经由循环泵12，其以从热交换器7吸入冷却液，并向主散热器5或辅散热器9以排出的方式进行动作，该循环泵12、第一两位三通阀13和第二两位三通阀20均由监控单元34控制；热交换器7排出的氢气经由水箱33，水箱33内的水或者水溶液由于高温氢气的热传导作用变成热水或者热水溶液，金属镁粉将与水或者水溶液发生反应，反应方程式为Mg+2H2O(热水)→Mg(OH)2+H2↑，并通过向双面冷凝器8正面送入氢气，其中第二电磁阀22由监控单元34控制，液位传感器21采集到的液位数据也传输至监控单元34；双面冷凝器8，该双面冷凝器8具有两面，各有一个进口和一个出口，分别对应其正面为氢气冷凝通道，反面为废气冷凝通道，其外侧装有冷凝风扇为其散热降温，该冷凝风扇由监控单元34控制，并通过PWM调节该风扇转速；该双面冷凝器8氢气出口流向水汽分离器10，其对双面冷凝器8冷凝后的水和氢气进行分离的设备，并通过向阳离子过滤器11送入氢气，并进行下一步过滤；阳离子过滤器11对水汽过滤器15后的氢气内的未反应的镁离子进行过滤，并通过向水汽过滤器15送入氢气，水汽过滤器15对阳离子过滤器11过滤后的氢气再次进行水汽过滤并向燃料电池电堆模块17送入氢气；同时空气发生装置16向燃料电池电堆模块17送入空气，燃料电池电堆模块17，其通过阳极上连续供给氢气，而在阴极供给空气，就可以在电极上连续发生电化学反应生产水，并产生电流，其反应方程式为2H2+O2=2H2O，其产生的电能可提供给外部负载使用，该燃料电池电堆模块17发电功率由监控单元34控制；该燃料电池电堆模块17所产生的废氢流向第三两位三通阀28，并由该两位三通阀29通往两个方向，其一通过单向阀3单向流向燃烧舱1其使氢气只能由燃烧舱1流出，但无法回流，为燃烧舱1燃烧废氢提供热量，另一通道经过第一电磁阀18，经由尾气过滤器19过滤后一同排出，该第一电磁阀18由监控单元34控制。
该固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，在常温常压下通过监控单元34来实现对氢气量控制、氢气压力和反应温度定点控制使其具有更高的安全性和固体氢利用率，使得产生的氢气更加稳定、纯度更高，氢气即产即用，无需高压储氢罐提供氢气，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，高效利用了余热、废氢产生热能。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，包括监控单元、燃烧舱、热交换器、燃料电池电堆模块、空气发生装置、循环泵、干烧加热棒、散热器、温度传感器、水箱和双面冷凝器，其特征在于：所述监控单元分别与燃料电池电堆模块、空气发生装置、循环泵、干烧加热棒、散热器和温度传感器连接；
所述燃烧舱内等距离设有固体氢块，所述干烧加热棒分别设置于相邻两个固体氢块之间，温度传感器设置于燃烧舱内，燃烧舱具有一个大气进口并被分为与固体氢块数量相等的分口，每个分口与其相对应的固体氢块通道连通，每个分口处均设有单向阀，固体氢块通道的另一端均与导入管连通；
所述热交换器内设有冷却液通道、氢气通道和废气通道，所述导入管顶端的出口与氢气通道入口连通，氢气通道的出口通过导管导入至水箱内腔的底部，导入管底端的出口与废气通道入口连通，冷却液通道的进口和出口分别与散热器的出口和进口通过冷却液管连接，所述循环泵设置于冷却液管上；
所述双面冷凝器的正面设有氢气冷凝通道，水箱顶部侧面的出气管与氢气冷凝通道的入口连接，氢气冷凝通道的出口通过导管与燃料电池电堆模块的入口连接，燃料电池电堆模块上连接有空气发生装置，双面冷凝器的背面设有废气冷凝通道，废气通道的出口通过导管与废气冷凝通道的入口连接，废气冷凝通道的出口以及燃料电池电堆模块的出口均与尾气过滤器的入口连接；
所述散热器包括设置于燃烧舱大气入口处的主散热器和热交换器处的辅散热器，主散热器的入口和辅散热器的出口之间、主散热器的出口与辅散热器的入口之间分别通过冷却液管连接，所述主散热器与燃烧舱的大气入口处设有风机，该风机与监控单元电连接；
所述监控单元连接有三通阀，三通阀包括设置于燃料电池电堆模块出口与第一电磁阀之间的导管上的第三两位三通阀，该第三两位三通阀的其中一通阀口通过导管与燃烧舱的大气入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，其特征在于：所述水箱内设有液位传感器，该液位传感器与监控单元电连接。
3.根据权利要求2所述的一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，其特征在于：所述监控单元还电连接有电磁阀，电磁阀包括设置于燃料电池电堆模块出口与尾气过滤器入口之间的导管上的第一电磁阀，以及设置于补水管上的第二电磁阀。
4.根据权利要求3所述的一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，其特征在于：所述双面冷凝器的氢气冷凝通道的出口与燃料电池电堆模块的入口之间的导管上依次设置有水汽分离器、阳离子过滤器和水汽过滤器。
5.根据权利要求4所述的一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统，其特征在于：所述三通阀还包括两个冷却液管上分别设置的第一两位三通阀、第二两位三通阀，两个冷却液管分别通过第一两位三通阀和第二两位三通阀与冷却液通道的入口以及出口连接。
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Denomination of invention: A Solid Hydrogen High Temperature Reaction Hydrogen Generation Device Power Generation System Effective date of registration: 20231026 Granted publication date: 20210212 Pledgee: Bank of Jiangsu Co.,Ltd. Suzhou Branch Pledgor: AIH Technology (Suzhou) Co.,Ltd. Registration number: Y2023980062942 |
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