CN113428836B - 一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法 - Google Patents

一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法，通过在制氢装置内设置导热框架，将水解反应放出的热量和燃料电池运行时释放的热量的充分利用，源源不断的为水箱提供热量，合理利用了固体氢化物水解过程产生的热，以及燃料电池自身运行过程中产生的热，使得系统的水路气路各部件和水箱可以在系统运行时一直维持着较高温度，此外，水路气路方面的软件控制程序，进一步确保了本制氢装置在低温环境中安全稳定的运行。

Description

一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及化学领域，尤其涉及固体氢化物制氢技术，特别是一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法。
背景技术
目前，质子交换膜燃料电池是一种把氢气和空气中的氧气的化学能直接转化为电能的装置，具有转换效率高，无污染，噪音低，安全可靠等优点，在各个领域均得到了广泛的应用。在便携式电源/移动电源方面，质子交换膜燃料电池系统能量密度可达到锂电池的2-3倍，可极大的提高了设备的续航/运行时间，成为小型无人机和单兵电源的研究热点。目前主要的储氢方式是高压气瓶，但对于便携式电源，不宜携带比较大且重的高压储气瓶，另外高压气瓶储氢密度较低，操作安全性低，尤其是在加氢基础设施不完善的偏远地区，使用后很难补充氢气。相比之下，固体氢化物按需制氢的方式更适宜于便携式燃料电池系统。一些轻质金属含氢化合物，如硼氢化钠，氢化镁等含氢化合物，储氢密度较高，通过精确控制和水混合的比例，经过水解反应，可以精确控制产氢量，以供燃料电池不同功率的需求。这种按需制氢的模式，安全，可控，易操作。
但是这类按需制氢的装置一般都是在常温下运行，目前还没有低温情况下该类装置使用情况的报道。因为低温环境下（零摄氏度以下）水会结冰，水解反应难以进行。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种可在低温下安全稳定运行的水解制氢装置及其控制方法，可用于便携式燃料电池系统， 填补了国内这一巨大应用市场的空白。
其主要工作原理是，通过在制氢装置内设置导热框架，将水解反应放出的热量和燃料电池运行时释放的热量的充分利用，源源不断的为水箱提供热量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可在低温环境下运行的制氢装置，包括固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池、热管理控制系统，其特征在于，包括保温箱、储能单元、导热框架、温度传感器，所述保温箱由箱体及内部保温材料组成，所述固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池及储能单元均设置在所述保温箱内，所述水箱通过水路系统与所述固体氢化物反应罐相连接，所述水路系统由水泵及分别连接所述固体氢化物反应罐及水箱的硅胶软管组成，所述固体氢化物反应罐通过气路系统与所述燃料电池相连接，所述气路系统包括与所述固体氢化物反应罐相连接的单向阀以及依次连接在所述单向阀之后的第一压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀及过滤器，所述过滤器通过减压阀与所述燃料电池相连接，所述水路系统及所述气路系统集中设置在一块板上组成水路气路元件板，所述燃料电池上还连接有第二压力传感器及第三电磁阀，所述水箱上设置有第一加热装置，所述导热框架由高导热系数材料制成，所述导热框架分别与所述固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池及水路气路元件板紧密接触，所述温度传感器分别设置在所述水箱及所述水路气路元件板上，所述温度传感器、第一加热装置、储能单元、燃料电池、第一压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第二压力传感器及第三电磁阀均通过电气线路与所述热管理控制系统相连接。
进一步的，所述固体氢化物反应罐内的固态氢化物为氢化镁，或硼氢化钠，或者氢化镁和硼氢化钠的混合物。
进一步的，所述固体氢化物反应罐为不锈钢容器，所述固体氢化物反应罐除颈部外均有保温材料包围，所述导热框架为一个铜制密闭方形结构，所述固体氢化物反应罐倒置固定在所述导热框架上且反应罐颈部伸入所述导热框架内并与其紧密接触，所述水箱下部也伸入所述导热框架内并与其紧密接触，所述燃料电池设置于所述导热框架下方并与其紧密接触。
进一步的，水路系统及所述气路系统的各元器件直接镶嵌在所述导热框架表面，即所述水路气路元件板是所述导热框架的一部分。
进一步的，所述储能单元为锂电池或铅酸电池。
进一步的，所述第一加热装置设置在所述水箱出水口附近，所述水箱盖内有压力平衡膜。
进一步的，所述水箱为高导热材料制备或者含有部分高导热材料。
进一步的，所述水路气路元件板上设置有第二加热装置，且所述第二加热装置通过电气线路与所述储能单元及所述热管理控制系统相连接。
进一步的，可在低温环境下运行的制氢装置的控制方法，用于控制权利要求1所述的可在低温环境下运行的制氢装置，其特征在于，包括以下步骤：
（1）所述热管理控制系统的控制软件时刻对各温度传感器和第一压力传感器、第二压力传感器读数监测；
（2）发现温度或压力不能达到目标值，即 Ttarget和Ptarget，则会控制加热装置进行加热或关闭燃料电池输出等控制流程；
（3）发现压力突然急剧下降，即第一压力传感器读数∆P1或第二压力传感器读数∆P2在设定时间内下降幅度大于设定值S也会控制加热装置进行加热或关闭燃料电池输出等控制流程；
进一步的，可在低温环境下运行的制氢装置的控制方法，其特征在于，0.1oC ≤Ttarget ≤ 40oC , 0.3bar ≤Ptarget ≤2.0bar, S≥0.2bar。
本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的，本发明合理利用了固体氢化物水解过程产生的热，以及燃料电池自身运行过程中产生的热，使得系统的水路气路各部件和水箱可以在系统运行时一直维持着较高温度，此外，水路气路方面的软件控制程序，进一步确保了本制氢装置在低温环境中安全稳定的运行。
附图说明
图1是本发明的系统运行流程图。
图2是本发明的内部结构示意图。
图3是本发明的水箱结构示意图。
图4是本发明的控制流程图。
具体实施方式
实施例:
如图1、图2及图3所示，一种可在低温环境下运行的制氢装置，包括固体氢化物反应罐3、水箱4、燃料电池5、热管理控制系统，还包括保温箱、储能单元、导热框架6、温度传感器，所述保温箱由箱体1及内部保温材料2组成，所述固体氢化物反应罐3、水箱4、燃料电池5及储能单元均设置在所述保温箱内，所述水箱4通过水路系统与所述固体氢化物反应罐3相连接，所述水路系统由水泵41及分别连接所述固体氢化物反应罐3及水箱4的硅胶软管组成，所述固体氢化物反应罐3通过气路系统与所述燃料电池5相连接，所述气路系统包括与所述固体氢化物反应罐3相连接的单向阀33以及依次连接在所述单向阀33之后的第一压力传感器34、第一电磁阀31、第二电磁阀32及过滤器35，所述过滤器35通过减压阀36与所述燃料电池5相连接，所述水路系统及所述气路系统集中设置在一块板上组成水路气路元件板9，所述燃料电池5上还连接有第二压力传感器52及第三电磁阀51，所述水箱4上设置有第一加热装置44，所述导热框架6由高导热系数材料制成，所述导热框架6分别与所述固体氢化物反应罐3、水箱4、燃料电池5及水路气路元件板9紧密接触，所述温度传感器分别设置在所述水箱4及所述水路气路元件板9上，所述温度传感器、第一加热装置44、储能单元、燃料电池5、第一压力传感器34、第一电磁阀31、第二电磁阀32、第二压力传感器52及第三电磁阀51均通过电气线路与所述热管理控制系统相连接。本发明中所采用的硼氢化钠和氢化镁和水发生反应如下：
NaBH4+2H2O = NaBO2+ 4H2 ∆H=-217KJ/mol
MgH2+2H2O= Mg(OH)2+ 2H2 ∆H=-278 KJ/mol
由此可见，氢化镁和硼氢化钠水解反应均可以产生大量的热。质子交换膜燃料电池发电效率一般在50-60%左右，其余均以热的形式释放出去。系统外壳密封，采用导热系数较低的塑料制品制成，因此，系统内部温度会逐渐升至零度以上，并渐渐在与外界热交换中达成平衡，稳定在一特定温度范围。即使如此，为了进一步提高系统运行的稳定可靠性，本发明同时在系统程序控制上做了预防措施，水路气路重要部位布有温度，压力监控以及加热装置。通过软件监测到任何部分出现异常，会立即触发对应的软件控制流程，保证水路和气路的通畅，进一步保证系统低温运行的安全，低温环境下启动时，依靠储能装置驱动第一加热装置44加热，使得水箱内水小部分融化，并预加热成为水蒸气，经过水泵41的作用下，进入固体氢化物反应罐3，与固体氢化物反应罐3中的固体氢化物燃料发生反应，生成氢气，释放大量的热，生成的氢气的经过单向阀33、第一压力传感器34、第一电磁阀31、第二电磁阀32、过滤器35、 减压阀36、第二压力传感器52后，进入燃料电池5，在燃料电池5里与空气中的氧气发生反应产生电，同时释放大量热，小部分没有参与反应的氢气经过第三电磁阀51排出燃料电池5，图1中虚线框内的各器件之间为硅胶软管连接，被集中放置在一块板上，可以同一加热也可分开给各器件加热，我们称之为水路气路元件板9，固体氢化物反应罐3和燃料电池5源源不断释放的热能可维持水路气路元件和水箱4在零度以上，从而使得系统在启动1-2小时后，几乎完全不需要外界供热，整个系统就可以稳定运行，在启动成功以后，燃料电池输出负载所需功率，可以同时再对储能单元充电。
进一步的，所述固体氢化物反应罐3内的固态氢化物为氢化镁，或硼氢化钠，或者氢化镁和硼氢化钠的混合物。
进一步的，所述固体氢化物反应罐3为不锈钢容器，所述固体氢化物反应罐3除颈部7外均有保温材料包围，所述导热框架6为一个铜制密闭方形结构，所述固体氢化物反应罐3倒置固定在所述导热框架上且反应罐颈部7及上盖8伸入所述导热框架6内并与其紧密接触，所述水箱4下部也伸入所述导热框架6内并与其紧密接触，所述燃料电池5设置于所述导热框架6下方并与其紧密接触，由于金属的导热较快，所以固体氢化物反应罐3释放出来的热量会快速的传导至水箱4底部，只要固体氢化物反应罐3内水解反应在进行，就能保证热量源源不断通过导热框架6来给水箱4升温。固体氢化物反应罐3内部温度一般会比较高，200-500oC，反应生成的氢气也会以较高温度进入气路，如图2所示， 水路气路元件板9居于固体氢化物反应罐3和燃料电池5的中间，距离上盖8一般5cm以内。系统运行过程中，固体氢化物反应罐3内不停的发生水解反应，释放热量，热量部分依靠导热框架6传导至水箱4和水路气路元件板9，部分辐射在系统内部，水路气路元器板9紧靠热量辐射源，再加上燃料电池5运行过程中也会放热，然后通过燃料电池5上面的导热框架6部分传导给水路气路元件板9，另外在箱体1内部有均匀设置有保温材料2，所以在低温环境下运行时，整个系统内部的温度会逐渐上升，渐渐稳定在零摄氏度以上某个温度。
进一步的，水路系统及所述气路系统的各元器件直接镶嵌在所述导热框架6表面，即所述水路气路元件板9是所述导热框架6的一部分。
进一步的，所述储能单元为锂电池或铅酸电池。
进一步的，所述第一加热装置44设置在所述水箱出水口43附近，所述水箱盖42内有压力平衡膜，可以保持水箱4内压力一直和外界相同，防止运行过程中水箱4变形。
进一步的，所述水箱4为高导热材料制备或者含有部分高导热材料。
进一步的，所述水路气路元件板9上设置有第二加热装置，且所述第二加热装置通过电气线路与所述储能单元及所述热管理控制系统相连接。
进一步的，如图4所示，可在低温环境下运行的制氢装置的控制方法，包括以下步骤：
（1）利用热管理控制系统的控制软件时刻对各温度传感器和第一压力传感器34、第二压力传感器52读数监测；
（2）发现温度或压力不能达到目标值，即 Ttarget和Ptarget，则控制加热装置进行加热或关闭燃料电池5输出等控制流程；
（3）发现压力突然急剧下降，即第一压力传感器34读数∆P1或第二压力传感器52读数∆P2在设定时间内下降幅度大于设定值S也会控制加热装置进行加热或关闭燃料电池5输出等控制流程，系统开启以后，全程对各个参数进行查看。若发现各控制元件部位和水箱4的温度T低于其设定的目标温度Ttarget，即会开始对该部位加热，同时不断的检查温度有没有达到目标温度，当达到目标温度后停止加热，若没有达到目标温度，则会持续加热直至储能单元的电压Vb低于设定的电压值Vli，则会启动关机程序。需要声明的是，此处的T实为T1，2,..i, 不同元器件均有对应的温度监测以及设定的目标温度T1，2，..i target，为了简化流程图显示，在流程图里仅以T来显示。压力传感器1和2的压力读数P1，P2全程监测，若发现压力读数P1，P2未达到其对应的目标值，则关闭燃料电池5输出，同时开始计时t，若在设定时间ts内达到目标压力，则继续监测读数，若不能达到目标压力，则停止加热，启动关机程序。同样，为了简化流程，此处没有分别列出P1，P2，而以P统一代表P1和P2，Ptarget代表P1target 和P2target。此外，若发现P1，P2 在设定时间内突然急剧下降，即∆P1或∆P2在设定时间内下降幅度大于设定值S，则会开启其对应压力传感器周围的加热，然后检查其压力读数是否达到压力目标值Ptarget，若达到，则回到初始参数检查阶段不加热，继续监测压力降幅度状态；若不能达到目标压力，则关闭燃料电池5输出，同时开始计时t，若在设定时间ts内达到目标压力，则继续监测读数，若不能达到目标压力，则停止加热，开启关机程序。；
进一步的，可在低温环境下运行的制氢装置的控制方法，其特征在于，0.1oC ≤Ttarget ≤ 40oC , 0.3bar ≤Ptarget ≤2.0bar, S≥0.2bar。
实施例1
在零下20摄氏度环境，反应器容积0.5-2L，填充粉 0.3-1.2Kg的固体氢化物，水箱里加入0.2-1kg的水，电堆额定功率80W，锂电池12.6V, 9.0Ah,系统在低温环境下放置2-4h后然后开机。电堆在启动后10分钟可以输出额定功率，系统内部各部件在1-2h内达到目标温度，系统内部温度逐渐稳定在5-10oC，运行24h，系统压力一直在目标压力范围。
实施例2
在零下40摄氏度环境，反应器容积0.5-2L，填充粉 0.3-1.2Kg的固体氢化物，水箱里加入0.2-1kg的水，电堆功率80W，锂电池12.6V, 15.0Ah,系统在低温环境下放置2-4h后然后开机。电堆在启动后20分钟可以输出额定功率，系统内部各部件在2-3h内可以稳定在目标温度以上，系统内部温度逐渐稳定在3-8oC，运行24h，系统压力一直在目标压力范围，各部件温度均处于目标温度内。

Claims (4)

1.一种可在低温环境下运行的制氢装置，包括固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池、热管理控制系统，其特征在于，还包括保温箱、储能单元、导热框架、温度传感器，所述保温箱由箱体及内部保温材料组成，所述固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池及储能单元均设置在所述保温箱内，所述水箱通过水路系统与所述固体氢化物反应罐相连接，所述水路系统由水泵及分别连接所述固体氢化物反应罐及水箱的硅胶软管组成，所述固体氢化物反应罐通过气路系统与所述燃料电池相连接，所述气路系统包括与所述固体氢化物反应罐相连接的单向阀以及依次连接在所述单向阀之后的第一压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀及过滤器，所述过滤器通过减压阀与所述燃料电池相连接，所述水路系统及所述气路系统集中设置在一块板上组成水路气路元件板，所述燃料电池上还连接有第二压力传感器及第三电磁阀，所述水箱上设置有第一加热装置，所述导热框架由高导热系数材料制成，所述导热框架分别与所述固体氢化物反应罐、水箱、燃料电池及水路气路元件板紧密接触，所述温度传感器分别设置在所述水箱及所述水路气路元件板上，所述温度传感器、第一加热装置、储能单元、燃料电池、第一压力传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第二压力传感器及第三电磁阀均通过电气线路与所述热管理控制系统相连接；所述固体氢化物反应罐内的固态氢化物为氢化镁、硼氢化钠或者氢化镁和硼氢化钠的混合物；所述固体氢化物反应罐为不锈钢容器，所述固体氢化物反应罐除颈部外均有保温材料包围，所述导热框架为一个铜制密闭方形结构，所述固体氢化物反应罐倒置固定在所述导热框架上且反应罐颈部伸入所述导热框架内并与其紧密接触，所述水箱下部也伸入所述导热框架内并与其紧密接触，所述燃料电池设置于所述导热框架下方并与其紧密接触；所述水路系统及所述气路系统的各元器件直接镶嵌在所述导热框架表面，即所述水路气路元件板是所述导热框架的一部分；所述第一加热装置设置在所述水箱出水口附近，所述水箱盖内有压力平衡膜；所述水箱为高导热材料制备；所述水路气路元件板上设置有第二加热装置，且所述第二加热装置通过电气线路与所述储能单元及所述热管理控制系统相连接。
2.如权利要求1所述的可在低温环境下运行的制氢装置，其特征在于，所述储能单元为锂电池或铅酸电池。
3.一种控制权利要求1所述的制氢装置在低温环境下运行的方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用热管理控制系统实时对各温度传感器和第一压力传感器、第二压力传感器读数监测；
在发现温度或压力偏离目标值时，控制加热装置进行加热或关闭燃料电池5输出；
在发现压力突然急剧下降时，控制加热装置进行加热或关闭燃料电池输出。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，0.1oC≤ Ttarget ≤ 40oC , 0.3bar ≤Ptarget ≤2.0bar,S≥0.2bar，Ttarget为温度目标值，Ptarget为压力目标值，S为设定值。
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