CN112290065B - 一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明涉及一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，包括精确配氧系统、有机液体供氢系统和燃料电池发电模块；本发明采用有机液体供氢技术，可以有效解决采用传统高压气氢体积占用大和储存安全性问题。有机液体利用氢氧催化反应热量进行供氢，氢氧催化反应采用氮气作为热稀释剂，降低氢气在纯氧中反应速率，调节反应温度，提高供氢系统安全性；氧气采用前馈‑反馈控制策略，根据输出功率自动调配，提高氧气浓度控制精度和响应速度，解决氧气浓度调节滞后的问题。

Description

一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统

技术领域

本发明属于燃料电池发电技术领域，具体涉及一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统。

背景技术

燃料电池系统使用纯氢作为燃料，尤其是以压缩气态和液态形式储存在密闭空间中，一旦发生泄露，在密闭狭小空间内极易超过爆炸极限引发爆炸，危险性很大。针对氢源安全性问题，西门子和HDW公司在德国U212A潜艇上，首次采用了金属氢化物储氢，较好的解决了氢源安全性问题，但合金储氢技术储氢比重较低（1.8～2.4wt%），氢燃料携带量有限，只能有限地提高水下低速时的续航力。有机液体储氢技术因其储氢量大（5～10wt%）、运输安全方便、可循环使用、能耗低等优点被认为是具有应用前景的大规模氢气储运技术，但其催化供氢需要消耗热量。因此，密闭空间采用有机液体储氢技术可以有效解决氢燃料携带量和储存安全性问题，但仍需要解决密闭空间供热的问题。

催化反应技术由于能实现氢气在密闭空间低温无焰燃烧，具有更好的安全性和更高的热效率。因此，采用氢氧催化反应技术进行供热使有机液体供氢作为密闭空间氢源成为可能。为了进一步提高系统的安全性，采用循环氮气作为热量稀释剂来调节催化反应温度，这对氢氧催化反应的安全性保障具有重要意义。

由于发电系统使用有机液体供氢进行发电，脱氢过程所需热量由氢氧催化反应供应，系统的产热量和发电量都由氧气的流量决定。因此，氧气的控制对系统发电过程尤为重要，提高氧气浓度控制精度和响应速度，能高效安全地解决氧气浓度调节滞后带来的问题。

发明内容

针对现有技术的以上改进需求，本发明提供了一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，采用有机液体储氢技术显著提高氢燃料携带量，有效解决大量携带压缩气态和液态氢气带来的安全隐患，并通过精确配氧系统提高氧气浓度控制精度和响应速度，能高效安全地解决氧气浓度调节滞后带来的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，包括精确配氧系统、有机液体供氢系统和燃料电池发电模块；所述的精确配氧系统由液氧罐、连接液氧罐一路出口端的氧气分配器以及分别与氧气分配器连接的混气室和氧气控制器组成，混气室内设置有氧浓度传感器；所述的有机液体供氢系统由与混气室连接的氢氧催化供热装置、分别连接氢氧催化供热装置的启动氢气瓶和脱氢反应器、以及连接脱氢反应器的换热器和连接换热器的气液分离器组成，脱氢反应器通过汽水分离器连接混气室，所述启动氢气瓶用于氢氧催化供热装置自热冷启动，氢氧催化供热装置接收来自混气室的“人造空气”——氮氧混合气体，与来自启动氢气瓶的氢气发生催化反应，产生的高温烟气进入脱氢反应器作为热源，有机液体吸收热量进行脱氢反应产生气液混合物，混合物经换热器冷却与气液分离器分离后得到氢气，氢气一路回供给氢氧催化供热装置进行催化反应，另一路则供应给燃料电池发电模块进行发电，高温烟气经吸热后进入汽水分离器中冷凝分离，分离出的氮气和少量过量氧气返回至混气室中，分离出的冷凝水回收利用；所述的燃料电池发电模块与液氧罐另一路出口端相连，利用精确配氧系统提供的氧气和有机液体供氢系统提供的氢气进行发电并输出电能；所述的氧气控制器采用前馈-反馈控制模式，通过氧浓度传感器的信号与氧浓度设定值比较运算形成反馈信号，二者相互叠加后形成阀门控制信号控制氧气分配器将纯氧精准配送至混气室，同时根据氧气消耗与系统输出功率关系进行前馈补偿，保证催化反应所释放的热量足以供给脱氢反应器使用，提高氧气的控制精度和响应速度，并与内循环氮气混合形成“人造空气”，供给有机液体供氢系统使用。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其氧气分配器由纯氧进气汇流排、氧气出气汇流排以及连接在纯氧进气汇流排和氧气出气汇流排之间的若干氧气支管组成，每条氧气支管上均设置有电磁阀,用电磁阀控制各支管通断状态实现不同氧气流量的控制。

进一步，所述的氧气支管有五根，其通流面积比近似为1：2：4：8：16。

更进一步，所述的电磁阀为线性比例电磁控制阀。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其混气室包括混气腔以及同轴安装在混气腔入口端旋流方向相反的外管旋流器和内管旋流器，所述的外管旋流器和内管旋流器分别设置有水平侧开的循环氮气进口和竖直设置的氧气进口，内管旋流器下方形成回流区，以构成同轴式正反双旋流的混合器，利用逆向双旋流强扰动促进纯氧与循环氮气充分混合，混气腔内填充有可压缩回弹的多孔泡沫，对进气脉动进行平滑，混气腔底部设置有混合气体出口。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其外管旋流器和内管旋流器的旋流度为0.5～0.7。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述氮氧混合气体中的氧气浓度优选为18～35%。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其氢氧催化供热装置中的氧气过量系数为1.1。

所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其氧浓度传感器为氧化锆浓差电池式氧探头。

本发明的有益效果在于：

1，本发明通过以氮气作为热稀释剂制得“人造空气”，能够有效降低氢气在纯氧中催化反应速率以及调节催化反应温度，极大提高氢氧催化供热装置的安全性；

2，本发明通过采用有机液体储氢技术，能够有效解决传统高压氢气体积占用大和储存安全性问题；

3，本发明通过系统软件与硬件层面结合设计，能够有效提高氧气浓度精准控制精度和响应速度，高效安全地解决氧气浓度调节滞后带来发电功率波动的问题：硬件层面设计了有足够高响应速度的氧气流量调节阀，以及设有平滑氧气消耗的造成浓度波动的混气室和足够高响应速度的氧浓度传感器，软件层面采用前馈-反馈控制模式，根据氧气消耗与燃料电池输出功率关系进行前馈补偿，通过混气室中氧传感器信号与氧浓度设定值比较运算形成反馈信号，二者相互叠加后形成阀门控制信号，从而提高氧气的控制精度和响应速度。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明氧气分配器的结构示意图；

图3是本发明混气室的剖视示意图。

各附图标记为：1—精确配氧系统，11—液氧罐；12—氧气分配器；13—混气室；14—氧气控制器；21—氢氧催化供热装置；22—启动氢气瓶；23—脱氢反应器；24—汽水分离器；25—换热器；26—气液分离器；3—燃料电池发电模块；121—纯氧进气口；122—纯氧进气汇流排；123—电磁阀；124—氧气出气汇流排；125—纯氧出气口；131—循环氮气进口；132—氧气进口；133—外管旋流器；134—内管旋流器；135—回流区；136—混气腔；137—混合气体出口；138—氧浓度传感器。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更清楚明白，结合以下附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明公开的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，包括精确配氧系统1、有机液体供氢系统2和燃料电池发电模块3。

本发明用于无空气源密闭空间，由于空间有限，要求以尽可能小的体积携带更多的氢燃料，同时保证氢气储存安全性。

其中精确配氧系统1主要由液氧罐11、氧气分配器12、混气室13以及氧气控制器14组成。

其中机液体供氢系统2主要由氢氧催化供热装置21、启动氢气瓶22、脱氢反应器23、汽水分离器24、换热器25、气液分离器26组成。所述氢氧催化供热装置21接收来自混气室13的“人造空气”（氮氧混合气体），与来自启动氢气瓶22的氢气催化反应，产生的高温烟气进入脱氢反应器23作为热源，有机液体吸收热量进行脱氢反应产生气液混合物；混合物经换热器25冷却与气液分离器26分离后得到氢气，氢气一路回供给氢氧催化供热装置21进行催化反应，另一路则供应给燃料电池发电模块3进行发电；而高温烟气经吸热后进入汽水分离器24中，将烟气中水蒸汽进行冷凝分离，分离后的气体重新回到混气室13中，与调配补充的纯氧进行混合形成新的“人造空气”循环使用；所述启动氢气瓶22则用于氢氧催化供热装置21自热冷启动。

所述燃料电池发电模块3利用精确配氧系统1提供氧气和有机液体供氢系统2提供氢气进行发电输出电能。

本发明系统发电的流程如图1所示，系统首先进入冷启动流程，该流程主要是利用氧气和氢气催化反应释放热量，将脱氢反应器23预热至反应温度产生氢气。冷启动流程大约需要5～10min，此过程中，氧气由液氧罐11提供，经氧气分配器12进入混气室13中，一定比例的氮气由外部氮气瓶提供同时进入混气室13中，与氧气混合形成“人造空气”，“人造空气”进入氢氧催化供热装置21中，与启动氢气瓶22供应的氢气发生催化反应释放大量热量，脱氢反应器23吸收热量达到脱氢反应温度，此时温度传感器向系统控制器反馈催化床层温度达到预设温度，表明系统冷启动完成。

冷启动完成后，系统根据对外输出功率的要求，控制有机储氢液体进液产生氢气，进入发电流程。此过程中，由于冷启动流程中脱氢反应器23完全达到预设反应温度，系统进液后，有机储氢液体先与换热器25进行换热升温，预热至一定温度进入脱氢反应器23进行催化脱氢反应迅速产生氢气；与此同时系统切断启动氢气瓶22氢气的供应，脱氢反应所产生的氢气一部分回供给氢氧催化供热装置21进行催化反应放热，另一部分则供给燃料电池3；相应地，氧气控制器14根据系统的输出功率调控进入混气室13的氧气流量，以保证催化反应所释放的热量足以供给脱氢反应器23使用，氧气与氢气的流量是严格按照化学计量比通入氢氧催化供热装置21中，但从反应安全性出发，氢气必须消耗干净，故氧气过量系数可优选地取1.1。催化反应产生的尾气经冷凝器冷凝后进入汽水分离器24中进行分离，分离出的氮气和少量过量氧气返回至混气室13中重新形成“人造空气”循环使用，冷凝水则可回收利用。燃料电池3利用脱氢反应供应的氢气与液氧罐11供应的氧气进行发电对外输出电功率。

由于发电系统使用储氢有机液体脱氢产生氢气进行发电，脱氢过程所需热量由氢氧催化反应供应，系统的产热量和发电量都由氧气的流量决定。因此，氧气的控制对系统发电过程尤为重要。提高氧气的控制精度和响应速度主要从两个层面出发：系统软件层面，即氧气的控制策略；系统的硬件层面，即氧气混气结构、传感器等硬件。

氢氧催化反应供热过程中，纯氧反应非常活泼，出于安全考量需要用氮气对纯氧进行稀释，混合形成“人造空气”以产生类似空气的反应性质。因此闭式循环状态下催化反应纯氧浓度也应控制在18～35%左右（以下对某种工况下氧浓度为21%的实施例进行说明），对于氧气浓度精准控制要满足三点要求：一是要有足够高响应速度的氧气流量调节阀；二是要有足够高响应速度的氧浓度传感器；三是要平滑氧气消耗的造成浓度波动。

本发明为了提高氧气流量调节的响应速度设计了氧气分配器12，其结构示意图如图2所示。根据催化反应最小进气量的要求，氧气分配器12由纯氧进气汇流排122、氧气出气汇流排124、氧气支管及支管上电磁阀123组成；优选地，两个汇流排之间靠五根氧气支管联通；氧气支管通流面积比近似为1：2：4：8：16，用电磁阀控制各支管通断状态实现不同氧气流量的控制；优选地，电磁阀123为调节精度高的线性比例电磁控制阀。氧气分配的过程：氧气先经纯氧进气口121进入纯氧进气汇流排122中，根据氧气补充流量，通过控制五个支管电磁阀的通断可以实现总量1/31、2/31、3/31、......、31/31的控制，即精度为总流量的1/31；精确配气的氧气经氧气出气汇流排124以及纯氧出气口125排出。

本发明为了平滑氧气消耗造成的波动以及提高氧气浓度监测响应速度，设计了混气室13，其结构示意图如图3所示，主要由外管旋流器133、内管旋流器134、混合气回流区135、混气腔136以及氧浓度传感器138等部件组成，混气腔136入口端装有同轴式正反双旋流的混合器，利用逆向双旋流强扰动促进纯氧与循环氮气充分混合，外管旋流器133和内管旋流器134分别设置有水平侧开的循环氮气进口131和竖直设置的氧气进口132，其中循环氮气进口131连接外部氮气瓶，混气腔136中填充有可压缩回弹的多孔泡沫，对进气脉动进行平滑；混气腔136中的氧浓度传感器138为氧化锆浓差电池式氧探头，用于精确测量混气腔136内氧气浓度。混气腔136在系统的作用，一是使氧气与循环氮气充分混合形成“人造空气”，二是平滑氧气消耗造成的波动使得氧浓度传感器138测量不准。但混气腔136容积不应过大，过大将导致系统滞后严重，可控性差。“人造空气”混配过程：氧浓度传感器138测量混气腔136中氧气浓度反馈至氧气控制器14，氧气控制器14将浓度与氧气设定值21%进行比较，然后控制氧气分配器12的电磁阀开端精确补充氧气。氧气经氧气进口132进入内管旋流器134中，氮气则由循环氮气进口131进入外管旋流器133，两股气体经相反方向旋流器后在回流区135强烈混合进入混气腔136中，制得高度混合的“人造空气”，并从混合气体出口137流出进入下一级设备中。

本发明的氧气控制器14采用前馈-反馈控制模式，根据氧气消耗与燃料电池输出功率关系进行前馈补偿，通过氧浓度传感器138的信号与氧浓度设定值比较运算形成反馈信号，二者相互叠加后形成阀门控制信号控制氧气分配器12，提高氧气的控制精度和响应速度。液氧罐11中的纯氧在氧气控制器14的前馈-反馈调节下，通过调控氧气分配器12，将其精准配送至混气室13，并与内循环氮气混合形成“人造空气”，供给有机液体供氢系统2使用； 而高温烟气经吸热后进入汽水分离器24中，将烟气中水蒸汽进行冷凝分离，分离后的气体重新回到混气室13中，与调配补充的纯氧进行混合形成新的“人造空气”循环使用；

同时，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

Claims (8)

1.一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于：包括精确配氧系统（1）、有机液体供氢系统（2）和燃料电池发电模块（3）；

所述的精确配氧系统（1）由液氧罐（11）、连接液氧罐（11）一路出口端的氧气分配器（12）以及分别与氧气分配器（12）连接的混气室（13）和氧气控制器（14）组成，混气室（13）内设置有氧浓度传感器（138），所述的氧气分配器（12）由纯氧进气汇流排（122）、氧气出气汇流排（124）以及连接在纯氧进气汇流排（122）和氧气出气汇流排（124）之间的若干氧气支管组成，每条氧气支管上均设置有电磁阀（123）；

所述的有机液体供氢系统（2）由与混气室（13）连接的氢氧催化供热装置（21）、分别连接氢氧催化供热装置（21）的启动氢气瓶（22）和脱氢反应器（23）、以及连接脱氢反应器（23）的换热器（25）和连接换热器（25）的气液分离器（26）组成，脱氢反应器（23）通过汽水分离器（24）连接混气室（13），所述启动氢气瓶（22）用于氢氧催化供热装置（21）自热冷启动，氢氧催化供热装置（21）接收来自混气室（13）的氮氧混合气体，与来自启动氢气瓶（22）的氢气发生催化反应，产生的高温烟气进入脱氢反应器（23）作为热源，有机液体吸收热量进行脱氢反应产生气液混合物，混合物经换热器（25）冷却与气液分离器（26）分离后得到氢气，氢气一路回供给氢氧催化供热装置（21）进行催化反应，另一路则供应给燃料电池发电模块（3）进行发电，高温烟气经吸热后进入汽水分离器（24）中冷凝分离，分离出的氮气和少量过量氧气返回至混气室（13）中，分离出的冷凝水回收利用；

所述的燃料电池发电模块（3）与液氧罐（11）另一路出口端相连，利用精确配氧系统（1）提供的氧气和有机液体供氢系统（2）提供的氢气进行发电并输出电能；

所述的氧气控制器（14）通过氧浓度传感器（138）的信号与氧浓度设定值比较形成控制信号，控制氧气分配器（12）将纯氧精准配送至混气室（13），与氮气混合供给有机液体供氢系统（2）使用，同时根据氧气消耗与系统输出功率进行前馈补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的氧气支管有五根，其通流面积比为1：2：4：8：16。

3.根据权利要求2所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的电磁阀（123）为线性比例电磁控制阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的混气室（13）包括混气腔（136）以及同轴安装在混气腔（136）入口端旋流方向相反的外管旋流器（133）和内管旋流器（134），所述的外管旋流器（133）和内管旋流器（134）分别设置有水平侧开的循环氮气进口（131）和竖直设置的氧气进口（132），内管旋流器（134）下方形成回流区（135），混气腔（136）内填充有可压缩回弹的多孔泡沫，混气腔（136）底部设置有混合气体出口（137）。

5.根据权利要求4所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的外管旋流器（133）和内管旋流器（134）的旋流度为0.5～0.7。

6.根据权利要求4所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述氮氧混合气体中的氧气浓度为18～35%。

7.根据权利要求1所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的氢氧催化供热装置（21）中的氧气过量系数为1.1。

8.根据权利要求1所述的一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统，其特征在于，所述的氧浓度传感器（138）为氧化锆浓差电池式氧探头。

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