CN112349938A - 一种低能耗压力可控式制氢供氢装置及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗压力可控式制氢供氢装置，包括加水箱，输水管路，第一储水室，反应室，第二储水室，弹簧室，输气管路。该装置通过制氢材料与水溶液混合后发生的化学反应制取氢气，并依据启普发生器原理对反应的进程进行控制，同时增加弹簧室对产生的氢气进行增压处理，使制备出的氢气可以直接供给燃料电池使用。而且根据本发明提出的制氢压力制约方程式，可通过调整一系列参数来改变制氢设备制氢压力的大小。本装置不需要监测、控制元件的参与，避免了额外系统能耗，制氢过程安全可控，适用范围更广。本发明还提出装载所述制氢供氢装置的便携燃料电池发电系统，实现即时制氢‑供氢‑发电。

Description

一种低能耗压力可控式制氢供氢装置及燃料电池系统
技术领域
本发明属于氢气的制备和发电应用技术领域，具体涉及一种低能耗压力可控式制氢供氢装置及燃料电池系统。
背景技术
为了减少对化石燃料的依赖以及降低其对环境的严重影响，开发生态友好、新型可持续的绿色能源技术成为我们迫切解决的难题。在这其中，最具吸引力的选择之一是氢气和燃料电池，氢气具有较高的热值和能量密度，而主要以氢气作为燃料的燃料电池具有相对较高的效率，较低的排放，真正实现低碳甚至零碳排放，可以有效缓解温室效应和环境污染。在各种不同的燃料电池种类中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有最高的能量转换效率，在功率密度、动态响应速度、耐久性和寿命等方面相比于其他燃料电池也更具有优势。由于其比锂电池具有更高的能量密度和安全性，在便携式/移动式电源设备中也具有潜在的应用。
燃料电池发电系统的能量密度主要取决于储氢系统的储氢量，因此对于便携式燃料电池电源系统而言，氢气的制备和供应环节显得更尤为重要。现场制氢-供氢系统不存在氢气保存、泄露问题，可随时随地制氢-供氢，是解决便携式燃料电池发电系统中氢源的理想途径。
现应用于便携式燃料电池发电系统中的制氢供氢装置常选用铝/镁合金、硼氢化物的水解反应作为氢源。这些装置通常根据以下逻辑实现对制氢反应的控制：（1）根据燃料电池的输出功率控制水解反应进程，但由于化学反应具有一定的延时性，不能实现制氢-用氢速率的完美匹配；（2）固定制氢设备内的氢气压力处于某恒定值或某区间范围，但该压力通常需高于或远高于燃料电池的工作压力，较高的压力可能会带来较高的安全隐患。而且上述控制功能的实现通常需要配套的监测控制元件（压力传感器、控制板等）和水泵的参与，这些元件的使用增加了额外系统能耗以及设备失灵等带来的潜在风险，同时因为氢气使用的安全性要求，这些设备通常需要进行防爆保护措施，这无疑增加了系统的生产成本和复杂性，与便携性的设计原则背道而驰。在一些类似于启普发生器原理的制氢装置中，因氢气压力不能达到燃料电池工作要求，需额外增加氢气压缩装置，由此也带来额外的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全可控、无额外能耗的制氢供氢装置及燃料电池系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种低能耗压力可控式制氢供氢装置，包括加水箱（1），输水管路（2），第一储水室（3），反应室（4），第二储水室（5），弹簧室（6），输气管路（7）。所述加水箱（1）用于储存水解反应前所需的水溶液，其上方设有加水口（1a）；所述第一储水室（3），第二储水室（5）用于储存反应过程中的水溶液；所述反应室（4）为气体发生场所，其侧部有开关门（4b），用做制氢材料的装填，其底部为过滤板（4a），所述过滤板用于放置水解制氢反应需要的制氢材料；所述输水管路（2）位于加水箱底部，通过第一储水室的进水口（3a）连接加水箱（1）和第一储水室（3），其也通过第二储水室的进水口（5a）连接第一储水室（3）和第二储水室（5），在输水管路（2）中且在第二储水室的进水口（5a）上方位置设有一个阀门（1b），所述阀门用于通断输水管路（2）。所述弹簧室（6）位于第二储水室（5）的上端，其由可移动的下隔板（6a），上隔板（6c），两隔板间的压缩弹簧（6d），弹簧卡扣（6e），通风口（6b）组成，所述可移动的下隔板（6a）用于隔断弹簧室（6）和第二储水室（5），且完全密封；所述上隔板（6c）与弹簧卡扣（6e）相连，通过弹簧卡扣（6e）调节位置，进而改变压缩弹簧（6d）的压缩长度；所述通风口（6b）用于弹簧室（6）的通风。所述输气管路（7）位于反应室（4）外部，其后端连接有背压阀（7a），用于将反应室（4）内的氢气增压至某一数值后传输给后端的燃料电池，背压阀后设有截止阀（7b），用于输氢过程的开启和关闭，在背压阀（7a）前有一支路，其上连接有截止阀（7c），用于反应开始阶段空气、反应结束后氢气的排出。
优选地，所述制氢装置为长方体或圆柱体。
优选地，所述加水箱的底部具有一定倾斜角度，以方便反应所需的水溶液能够全部从输水管路流至第一储水室。
优选地，所述输水管路的内径为3-80 mm，所述输水管路上的阀门为截止阀或球阀。
优选地，所述第一储水室的体积小于加水箱的体积。
优选地，所述反应室底部的过滤板由一层或多层精细不锈钢过滤网或透水性好的生化棉或过滤棉组成，过滤网的目数优选为100-7000，生化棉/过滤棉的孔径优选为10-60ppi。
优选地，所述制氢材料可为镁/铝单质、镁/铝合金材料或上述材料与固态酸的混合物，其状态优选为块状。水溶液可为柠檬酸、乙酸，草酸、苯甲酸等酸性溶液。
优选地，所述第二储水室的底部具有一定倾斜角度，以方便在反应进行过程中，水溶液能够快速的从第二储水室由输水管路流至第一储水室；同时在反应结束后方便水溶液排出。
优选地，所述压缩弹簧的线径范围为0.2-6 mm，外径范围为1-80 mm，长度为30-200 mm。
优选地，所述弹簧室的通风口可增加一层防水透气膜，防止压缩弹簧长期处于潮湿条件下。
优选地，所述弹簧卡扣由1-6组构成，其上部有指虎结构，通过该弹簧卡扣可实现上隔板的上下移动，从而改变第二储水室的体积，每组弹簧卡扣对应相应的第二储水室的体积。
本发明还提供一种便携燃料电池发电系统，主要包括燃料电池、逆变器和如上所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，所述制氢供氢装置经输气管路为所述燃料电池供应氢气。
优选地，在制氢装置与燃料电池之间可置有干燥管、气水分离器等气水分离装置净化制备的氢气。
优选地，为弥补燃料电池动态响应慢的弊端，可在系统中置有低容量蓄/锂电池以维护电路稳定。
本发明的工作原理是：利用制氢材料与水溶液混合发生的化学反应制取氢气，并依据启普发生器原理对反应的进程进行控制，同时增加弹簧室对产生的氢气进行无额外动力消耗式加压处理，使制备出的氢气可以直接供给燃料电池使用，而且通过改变第二储水室的体积、改变加入水溶液体积的方式实现对输出氢气压力的有效控制，控制方程式推导过程如下（参照附图2）：
（1）在加水阶段，加入加水箱中水溶液的体积为V1，第一储水室的体积记为V3，第二储水室的初始体积记为V5。
（2）在反应开始阶段，加水箱中的水溶液通过输水管路全部流入到第一储水室和反应室中，此时水溶液与制氢材料接触，反应开始。
（3）由于输气管路中背压阀对反应室内氢气压力的控制，在反应进行阶段中，当反应室内氢气的压力达到设定值时，一部分水溶液通过输水管路被推回至第二储水室中（制氢材料与水溶液恰好脱离接触），此时对下隔板受力分析可知：弹力+重力=压力+摩擦力，下隔板自身的重力及其与弹簧室的摩擦力忽略不计，此时受力平衡方程式由（1-1）表示：
Figure RE-604519DEST_PATH_IMAGE001
（1-1）
其中P为反应室内氢气的压力，即背压阀设置压力（因为设备较小，水位差很小，所以第二储水室内被压缩气体的压力值也近似于P）；S6a为下隔板表面积；k为压缩弹簧的弹性系数；x为压缩弹簧被压缩的长度。
对于第二储水室内的空气，其由最初体积V5被压缩致V5’，压力从P0（常压）上升致P，因此，可以推导出以下方程式：
Figure RE-724922DEST_PATH_IMAGE002
（1-2）
Figure RE-973501DEST_PATH_IMAGE003
（1-3）
将公式（1-1），（1-2）带入（1-3），可得以下公式：
Figure RE-818310DEST_PATH_IMAGE004
（1-4）
由公式（1-4）可知，设定制氢压力与V1，V3，V5，S6a，k有关，可以根据上述关系式的制约，设计并制造出所需制氢压力的制氢装置，例如改变第一储水室的体积、改变下隔板面积、选择具有不同弹性系数k的弹簧。而对于已加工好的装置（V3，S6a，k固定），可以改变第二储水室的体积、改变加入水溶液的体积的方式实现对输出氢气压力的有效控制，例如当第二储水室的体积固定时，加入水溶液的体积与制氢压力的关系为：
Figure RE-101524DEST_PATH_IMAGE005
（1-5）
其中a=
Figure RE-392828DEST_PATH_IMAGE006
，b=
Figure RE-846812DEST_PATH_IMAGE007
，c=
Figure RE-514554DEST_PATH_IMAGE008
。当加入水溶液的体积固定时，第二储水室的体积与制氢压力的关系为：
Figure RE-652274DEST_PATH_IMAGE009
（1-6）
其中d=
Figure RE-848900DEST_PATH_IMAGE010
。根据公式（1-5）、（1-6），在最终产品中，可通过上隔板的上下移动，改变第二储水室的体积，也可通过改变加入水溶液的体积来改变制氢压力的大小，以匹配目标用户的不同需求。
本发明的有益效果是：
（1）本发明涉及一种能够输出一定压力氢气的制氢装置，在本装置中，不需要监测控制元件和水泵的参与，避免了额外系统能耗，降低了设备失灵等带来的潜在风险，降低了系统的生产成本和复杂性。
（2）根据本发明提出的制氢压力制约方程式，可通过改变第一储水室的体积、改变下隔板面积、选择具有不同弹性系数k的弹簧等因素设计并制造出所需制氢压力的制氢装置；对于最终产品，也可通过改变第二储水室的体积，改变加入水溶液的体积来改变制氢压力的大小。制氢压力可变，制氢过程安全可控，适用范围更广。
（3）本发明提出的一种便携燃料电池发电系统，不存在氢气保存、泄露问题，随时随地制氢-供氢-发电，同时与蓄/锂电池组成混合动力系统，平滑输出功率，延长燃料电池使用寿命。
附图说明
图1为本发明中低能耗压力可控式制氢供氢装置的结构示意图。
图2为本发明中低能耗压力可控式制氢供氢装置的使用过程示意图。
图3为本发明中一种便携燃料电池发电系统的结构框图。
图4为本发明中设有排水阀的低能耗压力可控式制氢供氢装置的结构示意图。
图5为本发明中一种设有气水分离装置的便携燃料电池发电系统的结构框图。
图6为本发明中一种设有气水分离装置及锂电池的便携燃料电池发电系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述，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。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
实施例1
本发明的第一方面，附图1是本发明一个实施例的低能耗压力可控式制氢供氢装置的结构示意图。该装置包括加水箱（1），输水管路（2），第一储水室（3），反应室（4），第二储水室（5），弹簧室（6），输气管路（7）。制氢过程包括以下步骤：
S1、制氢材料填充步骤：打开反应室（4）侧部的开关门（4b），将制氢材料填充到反应室底部的过滤板（4a）上，填充完毕后关闭开关门。在本实例中，制氢材料选择为块状氢化镁。
S2、装置设定步骤：根据所需的制氢压力，通过公式（1-5）得到所需加入水溶液的体积，在本实例中，水溶液选择为柠檬酸水溶液；或者通过公式（1-6）得到制氢装置第二储水室（5）的所需体积，并通过弹簧卡扣实现上隔板的上下移动，得到第二储水室的所需体积。
S3、加水步骤：关闭输水管路（2）中的阀门（1b），即切断输水管路（2）。然后向加水箱（1）中加入一定体积（上一步骤计算得）的柠檬酸水溶液。此时状态如附图2中（2a）所示。
S4、反应步骤：打开输气管路（7）上的截止阀（7c），打开关闭输水管路（2）中的阀门（1b），在重力的作用下，柠檬酸水溶液从加水箱（1）中全部流出至第一储水室（3）和反应室（4），然后关闭阀门（1b）。柠檬酸水溶液与氢化镁接触，制氢反应开始。此时状态如附图2中（2b）所示。
S5、排气步骤：氢气连续产生5-30秒，反应室内中的空气从输气管路的支路排出。可选地，氢气连续产生10秒。然后将截止阀（7c）关闭，截止阀（7b）开启，调节背压阀（7a）至所需产氢压力。
S6、供气步骤：反应继续进行，但因背压阀（7a）的作用，在反应室（4）内的氢气压力不断上升，直至达到背压阀设定压力时氢气排出，由输气管路（7）供给燃料电池（附图3），而根据公式（1-4）推导过程的设定，此时部分柠檬酸水溶液被排回至第二储水室（5）中，致使柠檬酸水溶液与氢化镁恰好脱离接触，反应暂时中止，而且此时，压缩弹簧被压缩的距离为x。此时状态如附图2中（2c）所示。当燃料电池消耗氢气时，会造成反应室（4）内的氢气压力下降，因重力和弹力的共同作用，第二储水室（5）中的柠檬酸水溶液又部分回流至反应室（4）中，反应重新开始，继续产氢，周而复始。当暂时停止供气时，可将截止阀（7b）关闭，重新供气时再开启。
本发明的第二方面，附图三是一种便携燃料电池发电系统的流程图，供气步骤开始后，制氢供氢装置制备的氢气由输气管路供给至燃料电池。当逆变器接通负载后，燃料电池开始发电，产生的电力由逆变器转换至所需功率，供负载工作。
实施例2
在本实施方式中，本发明的第一方面，一种设有排水阀的低能耗压力可控式制氢供氢装置的结构如附图4所示。该装置与附图1所示相比，在第一储水室（3）外侧下底部增设排水管路（8），并在该管路上设有控制开断的截止阀（8a）。当反应结束或者反应中途用户需要长时间终止制氢时，可通过打开排水管路（8）上的截止阀（8a），将水溶液排出。本实施方式，尤其适用于较大型制氢供氢装置。
在本实施方式中，本发明的第二方面，一种设有气水分离装置的一种便携燃料电池发电系统的结构框图如附图5所示。气水分离装置可以是依靠重力等因素造成的气水分离的分离器，也可以是填充有干燥剂如变色硅胶，分子筛等的容器。通过气水分离装置对制备的氢气进行除湿处理后，可有效改善燃料电池的工作状况，防止水淹等严重后果的产生。
实施例3
在本实施方式中，本发明的第二方面，一种设有气水分离装置及锂电池的一种便携燃料电池发电系统的结构框图如附图6所示。燃料电池由于其自身特点的限制，当其在作为动力系统独立工作时存在瞬时响应能力低的问题，不能满足大多数电子设备需要的稳定功率和快速瞬态响应要求。而且燃料电池还存在成本昂贵、无法回收制动能量等缺点，并且输出状态频繁变化会损害燃料电池，缩短其使用寿命。因此，在在本实施方式中，增设了一块低容量锂电池，使其与燃料电池配合使用，形成一个稳定的电源系统，以向可变负载提供可调节的快速响应功率。

Claims (13)

1.一种低能耗压力可控式制氢供氢装置，利用制氢材料与水溶液接触后发生的化学反应制取氢气，并依据启普发生器原理对反应的进程进行控制，同时增加弹簧室对产生的氢气进行无额外动力消耗式加压处理，其特征在于：包括加水箱，输水管路，第一储水室，反应室，第二储水室，弹簧室，输气管路，
所述加水箱用于储存水解反应前所需的水溶液，其上方设有加水口；
所述第一储水室，第二储水室用于储存反应过程中的水或水溶液；
所述反应室为气体发生场所，其侧部有开关门，用做反应物的装填，其底部为过滤板，用于放置水解制氢反应需要的制氢材料；
所述输水管路位于加水箱底部，通过第一储水室的进水口连接加水箱和第一储水室，其也通过第二储水室的进水口连接第一储水室和第二储水室；，在输水管路中且在第二储水室的进水口上方位置设有一个阀门，所述阀门用于通断输水管路；
所述弹簧室位于第二储水室的上端，其由可移动的下隔板、上隔板、两隔板间的压缩弹簧、弹簧卡扣、通风口组成，所述可移动的下隔板用于隔断弹簧室和第二储水室，且完全密封；所述上隔板与弹簧卡扣相连，通过弹簧卡扣调节位置，进而改变压第二储水室的体积；
所述通风口用于弹簧室的通风；
所述输气管路位于反应室外部，其后端连接有背压阀，用于将反应室内的氢气增压至某一数值后传输给后端的燃料电池，背压阀后设有截止阀，用于输氢过程的开启和关闭，在背压阀前有一支路，其上连接有截止阀，用于反应开始阶段空气、反应结束后氢气的排出。
2.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，形状为长方体或圆柱体。
3.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述加水箱的底部具有一定倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述输水管路的内径为3-80 mm，所述输水管路上的阀门为截止阀或球阀。
5.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述第一储水室的体积小于加水箱的体积。
6.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述反应室底部的过滤板由一层或多层精细不锈钢过滤网或透水性好的生化棉或过滤棉组成，过滤网的目数优选为100-7000，生化棉/过滤棉的孔径优选为10-60 ppi。
7.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述制氢材料可为镁/铝单质、镁/铝合金材料或上述材料与固态酸的混合物，其状态优选为块状，水溶液可为柠檬酸、乙酸，草酸，苯甲酸等酸性溶液。
8.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述第二储水室的底部具有一定倾斜角度。
9.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述压缩弹簧的线径范围为0.2-6 mm，外径范围为1-80 mm，长度为30-200 mm。
10.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述弹簧室的通风口设有一层防水透气膜。
11.根据权利要求1所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，所述弹簧卡扣由1-6组构成，其上部有指虎结构，通过该弹簧卡扣可实现上隔板的上下移动。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，其特征在于，在装置底部设有排水管路。
13.一种便携燃料电池发电系统，其特征在于，包括有权利要求1-12任一项所述的低能耗压力可控式制氢供氢装置，质子交换膜燃料电池和逆变器，在制氢供氢装置和燃料电池之间设有气水分离装置，对制备的氢气进行除湿处理；同时设有低容量蓄/锂电池与所述质子交换膜燃料电池组成混合动力系统，保证输出电力稳定。
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