CN113571749A - 一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱、第一水泵、第二水泵、第一反应罐、第二反应罐、汽水分离器、氢气过滤器、燃料电池电堆和控制器，第一反应罐和第二反应罐内各自设置有氢化镁粉末和温度传感器。本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统可以精确的控制每个反应罐里面的反应温度和压力，以达到MgH2和水蒸气反应的最佳温度和压力，根据第一反应罐中压力传感器和温度传感器测量的压力值和温度值共同决定是否要开启第二反应罐，从而在大功率输出时，防止大量的制氢反应产生的热量瞬间使液态水汽化，反应失去控制，压力快速上升，导致系统发生爆炸。
Description
技术领域
本发明涉及物理领域，尤其涉及燃料电池，具体而言是一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统。
背景技术
氢气可以通过质子膜燃料电池直接转化为电能，能量转化效率高，反应的产物为水，无污染，运行噪音小，安全可靠，特别适合制作成为轻量化、便于移动携带的清洁能源产品。目前常用的氢气高压存储法在实际应用中，因为充氢不方便，安全性等因素限制了其在小型燃料电池系统中的应用。发展安全、高效的现场即时制氢技术，为各种民用、军用便携式电源提供携带方便、安全的氢源是氢能应用的关键环节之一。氢化镁作为一种储氢材料，其脱氢反应有两种：分解反应和水解反应。分解反应可以达到其本身所具有的7.6wt%的储氢量，但是分解反应是吸热反应，需要不断的从外界输入能量。而当氢化镁水解时，所产生的氢气可以占到固态燃料本身重量的15.4wt%。因此氢化镁的储氢密度相对比较高，是非常理想的供氢材料。
氢化镁水解反应的化学方程式：MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2。
该反应产生的热量是268kJ/mol。在制氢过程中，随着氢气的产生，大量的热量会被释放出来。在燃料电池发电系统中，制氢装置需要根据功率的需求产生相应的氢气流量。在功率输出较高时，大量的氢气产出伴随着大量的热快速释放出来，反应罐内部的温度就会迅速上升。如果没有配备完善的冷却系统，反应罐内部温度可能达到600℃以上，局部温度甚至可能达到800-1000℃以上，给里面的过滤材料和反应罐本身所使用材料的选择增加了很多压力。如果材料出现热疲劳或是损坏现象，轻则会影响氢气的品质，导致系统失败；重则导致燃料泄露，发生燃料爆炸。
CN106629594A专利提及，只要达到400℃，就会导致MgH2分解。虽然氢气释放了，但是这样就降低了一定MgH2燃料情况下所能得到的氢气的总体含量，导致整体系统所能得到的能量降低，使整体系统的效率降低。根据US7951349B2专利推荐，MgH2在300℃以上的温度可以有效快速地和水蒸气反应，释放出氢气。因此，在一个充满MgH2的制氢反应罐中，要释放出最大量的氢气，内部最佳的工作温度需控制在300-400℃范围内。
当系统输出的功率发生变化时，所要求产生的氢气就会随时发生变化，产生的热量就会差别很大，而且每个反应罐热量的损失也各不相同。当液态的水被泵入到反应罐内部，系统内部产生的热量把液态水汽化变成水蒸气，可以加速MgH2的放氢反应，但是同时吸收了部分制氢反应产生的热量。产生的氢气从反应罐内流出时，其温度和反应罐内部一样，带走了一部分水蒸气，也带走了一些热量。即使在反应罐的外壁设置保温材料，也会有一定的热量散发到外面环境中，而且热量的散发和外表面面积成正比关系。就是说当反应罐里面产生的热量一定的情况下，表面积越大，所散发的热量越多。在不同的环境温度下，散发的热量还不一样。在系统运行时，所有这些条件变化和设置给MgH2制氢反应罐内的温度控制带来了很高的难度。
如果温度控制不好，就可能有液态水在反应罐里面累积，当系统大功率输出的时候，大量的制氢反应产生的热量，会瞬间使液态水汽化，导致反应失去控制，压力快速上升，严重的会使系统发生爆炸。因此要使系统稳定，高效安全输出，反应罐内部温度要保持在300-400℃之间。复杂的散热系统可以控制温度，但是增加了系统的重量，不适合在便携式系统中使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，所述的这种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统要解决现有技术中氢燃料电池发电系统在大功率输出时反应容易失去控制的技术问题。
本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱、第一水泵、第二水泵、第一反应罐、第二反应罐、汽水分离器、氢气过滤器、燃料电池电堆和控制器，水箱内设置有水，水箱的出水口通过管道与第一水泵和第二水泵的进水口连接，第一反应罐和第二反应罐内各自设置有水蒸气散发管，第一水泵的出水口通过管道与第一反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道连接，第二水泵的出水口通过管道与第二反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道连接，第一反应罐和第二反应罐内各自设置有氢化镁粉末和温度传感器，第一反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道与第一反应罐内的氢化镁粉末的填充区域连通，第二反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道与第二反应罐内的氢化镁粉末的填充区域连通，第一水泵与第一反应罐之间的管道上设置有第一加热装置，第二水泵与第二反应罐之间的管道上设置有第二加热装置，第一反应罐和第二反应罐的外侧均设置有保温层，第一反应罐和第二反应罐的氢气出口分别通过管道与汽水分离器的第一端连接，汽水分离器的第二端通过管道与氢气过滤器的第一端连接，氢气过滤器的第二端通过管道与燃料电池电堆的氢气入口连接，第一反应罐与汽水分离器之间的管道上依次设置有第一压力传感器、第一单向止回阀，第二反应罐与汽水分离器之间的管道上依次设置有第二压力传感器、第二单向止回阀，
所述的控制器的信号输出端连接到第一水泵、第二水泵、第一加热装置、第二加热装置的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器的信号输出端。
进一步的，所述的第一加热装置和第二加热装置为加热线圈。
进一步的，所述的保温层由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或是多种组合构成。
本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱、第三水泵、四个第三反应罐、燃料电池电堆和控制器，水箱内设置有水，水箱的出水口通过一个管道与第三水泵连接，第三反应罐内各自均设置有水蒸气散发管，第三反应罐内各自均设置有氢化镁粉末和温度传感器，第三反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道各自与氢化镁粉末的填充区域连通，第三水泵的出水口通过管道分别与四个第三反应罐内的水蒸气散发管内的水蒸气通道连接，管道上设置有一个电磁控制阀和一个第三加热装置，第三反应罐的外侧均设置有保温层，第三反应罐的氢气出口各自通过管道与汽水分离器的第一端连接，汽水分离器的第二端通过管道与氢气过滤器的第一端连接，氢气过滤器的第二端通过管道与燃料电池电堆的氢气入口连接，第三反应罐各自与汽水分离器之间的管道上依次设置有第三压力传感器、第三单向止回阀，
所述的控制器的信号输出端连接到第三水泵、电磁控制阀、第三加热装置的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器、第三压力传感器的信号输出端。
进一步的，所述的第三加热装置为加热线圈。
进一步的，所述的保温层由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或者多种组合构成。
本发明与现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统可以精确的控制每个反应罐里面的反应温度和压力，以达到MgH和水蒸气反应的最佳温度和压力。每个反应罐各自保温，可以提高热量的使用效率。在不同的氢气输出流量的要求下，此多个反应罐可以是同时工作，也可以是单个工作。根据第一反应罐中压力传感器和温度传感器测量的压力值和温度值共同决定是否要开启第二反应罐，从而在大功率输出时，防止大量的制氢反应产生的热量瞬间使液态水汽化，反应失去控制，压力快速上升，导致系统发生爆炸。当一个反应罐里面的燃料消耗完全的时候，可以把那个反应罐移出系统之外。这样整体的制氢效率可以达到最高，而且使得系统体积更加精简，重量更轻。本系统对水的循环利用效率高，可以减轻系统的重量。整体系统的可控性强，结构简单，稳定可靠，非常适合作为可携带的户外电源推广。
附图说明
图1为本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不限制于本实施例，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱1、第一水泵4、第二水泵5、第一反应罐14、第二反应罐2、汽水分离器15、氢气过滤器16、燃料电池电堆17和控制器，水箱1内设置有水，水箱1的出水口通过管道与第一水泵4和第二水泵5的进水口连接，第一反应罐14和第二反应罐2内各自设置有水蒸气散发管19，第一水泵4的出水口通过管道与第一反应罐14内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道连接，第二水泵5的出水口通过管道与第二反应罐2内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道连接，第一反应罐14和第二反应罐2内各自设置有氢化镁粉末8和温度传感器20，第一反应罐14内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道与第一反应罐14内的氢化镁粉末8的填充区域连通，第二反应罐2内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道与第二反应罐2内的氢化镁粉末8的填充区域连通，第一水泵4与第一反应罐14之间的管道上设置有第一加热装置6，第二水泵5与第二反应罐2之间的管道上设置有第二加热装置7，第一反应罐14和第二反应罐2的外侧均设置有保温层9，第一反应罐14和第二反应罐2的氢气出口分别通过管道与汽水分离器15的第一端连接，汽水分离器15的第二端通过管道与氢气过滤器16的第一端连接，氢气过滤器16的第二端通过管道与燃料电池电堆17的氢气入口连接，第一反应罐14与汽水分离器15之间的管道上依次设置有第一压力传感器10、第一单向止回阀12，第二反应罐2与汽水分离器15之间的管道上依次设置有第二压力传感器11、第二单向止回阀13，
所述的控制器的信号输出端连接到第一水泵4、第二水泵5、第一加热装置6、第二加热装置7的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器20、第一压力传感器10、第二压力传感器11的信号输出端。
进一步的，所述的第一加热装置6和第二加热装置7为加热线圈。
进一步的，所述的保温层9由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或是多种组合构成。
本实施例的工作原理：
图1所示的是由第一反应罐14和第二反应罐2所组成的150W燃料电池发电系统示意图，系统可以输出的功率是0-150W，反应罐的容积是0.5L-2L，可以填充250-1000g氢化镁粉末8，由两层真空的保温层9来保温。
当系统输出的功率在0-75W时，第一水泵4启动，水箱1内的液态水被第一水泵4泵入管道，在启动阶段，液态水被第一加热装置6加热成水蒸气，然后进入第一反应罐14，第一反应罐14启动制氢。水箱1中的液态水通过第一加热装置6加热变成水蒸气，当第一反应罐14里面的温度达到100℃以上，关闭第一加热装置6，第一反应罐14内产生的热量足以将液态水汽化。此时第一反应罐14制氢所产生的热量可以维持第一反应罐14内的温度在300-400℃范围。当系统输出的功率在75-150W的时候，第二水泵5启动，水箱1内的液态水被第二水泵5泵入管道，在启动阶段，液态水被第二加热装置7加热成水蒸气，然后进入第二反应罐2，第二反应罐2启动制氢。当第二反应罐2内的温度达到100℃以上，关闭第二加热装置7。系统稳定运行以后，第一反应罐14和第二反应罐2内的温度维持在300-400℃。第一水泵4、第二水泵5、第一加热装置6和第二加热装置7的启动和停止均由控制器控制。
实施例2
如图1所示，本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱1、第三水泵、四个第三反应罐、燃料电池电堆17和控制器，水箱1内设置有水，水箱1的出水口通过一个管道与第三水泵连接，第三反应罐内各自均设置有水蒸气散发管19，第三反应罐内各自均设置有氢化镁粉末8和温度传感器20，第三反应罐内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道各自与氢化镁粉末8的填充区域连通，第三水泵的出水口通过管道分别与四个第三反应罐内的水蒸气散发管19内的水蒸气通道连接，管道上设置有一个电磁控制阀和一个第三加热装置，第三反应罐的外侧均设置有保温层9，第三反应罐的氢气出口各自通过管道与汽水分离器15的第一端连接，汽水分离器15的第二端通过管道与氢气过滤器16的第一端连接，氢气过滤器16的第二端通过管道与燃料电池电堆17的氢气入口连接，第三反应罐各自与汽水分离器15之间的管道上依次设置有第三压力传感器、第三单向止回阀，
所述的控制器的信号输出端连接到第三水泵、电磁控制阀、第三加热装置的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器20、第三压力传感器的信号输出端。
进一步的，所述的第三加热装置为加热线圈。
进一步的，所述的保温层9由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或者多种组合构成。
本实施例的工作原理：
在本实施例中，产出的氢气经过汽水分离器15和氢气过滤器16之后进入到燃料电池电堆17产生电能。燃料电池电堆17氧化还原反应产生的水通过定时排放回收到水箱1中。
燃料电池发电系统设置有四个第三反应罐，系统输出功率可以达到2000W，一个第三反应罐的容积是0.8L-3L，每个第三反应罐里面可以装入400-1500g氢化镁粉末8。
在本实施例中，当系统工作输出功率为2000W时，通过电磁控制阀将水箱1内的水以不同的速度和时间泵入到四个第三反应罐中，每个第三反应罐里面的工作温度都在300-400℃范围。每个第三反应罐产出的氢气都被汇入到一个汽水分离器15中，再通过氢气过滤器16，最后氢气被导入燃料电池电堆17中。在本实施实例中，系统输出可以在0-2000W范围内调节，当输出1000W时，只启动两个第三反应罐制氢，此时两个第三反应罐制氢所产生的氢气就足够保持系统稳定运行，同时系统可以达到最高的能量值。第三水泵和第三加热装置的启动和停止以及电磁控制阀均由控制器控制。
具体的，本发明中的水泵、反应罐、汽水分离器15、氢气过滤器16、燃料电池电堆17、控制器、水蒸气散发管19、温度传感器20、加热装置、保温层9、压力传感器、单向止回阀、电磁控制阀均采用现有技术中的公知方案，本领域技术人员均已了解，在此不再赘述。
Claims (6)
1.一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：包括水箱（1）、第一水泵（4）、第二水泵（5）、第一反应罐（14）、第二反应罐（2）、汽水分离器（15）、氢气过滤器（16）、燃料电池电堆（17）和控制器，水箱（1）内设置有水，水箱（1）的出水口通过管道与第一水泵（4）和第二水泵（5）的进水口连接，第一反应罐（14）和第二反应罐（2）内各自设置有水蒸气散发管（19），第一水泵（4）的出水口通过管道与第一反应罐（14）内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道连接，第二水泵（5）的出水口通过管道与第二反应罐（2）内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道连接，第一反应罐（14）和第二反应罐（2）内各自设置有氢化镁粉末（8）和温度传感器（20），第一反应罐（14）内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道与第一反应罐（14）内的氢化镁粉末（8）的填充区域连通，第二反应罐（2）内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道与第二反应罐（2）内的氢化镁粉末（8）的填充区域连通，第一水泵（4）与第一反应罐（14）之间的管道上设置有第一加热装置（6），第二水泵（5）与第二反应罐（2）之间的管道上设置有第二加热装置（7），第一反应罐（14）和第二反应罐（2）的外侧均设置有保温层（9），第一反应罐（14）和第二反应罐（2）的氢气出口分别通过管道与汽水分离器（15）的第一端连接，汽水分离器（15）的第二端通过管道与氢气过滤器（16）的第一端连接，氢气过滤器（16）的第二端通过管道与燃料电池电堆（17）的氢气入口连接，第一反应罐（14）与汽水分离器（15）之间的管道上依次设置有第一压力传感器（10）、第一单向止回阀（12），第二反应罐（2）与汽水分离器（15）之间的管道上依次设置有第二压力传感器（11）、第二单向止回阀（13），
所述的控制器的信号输出端连接到第一水泵（4）、第二水泵（5）、第一加热装置（6）、第二加热装置（7）的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器（20）、第一压力传感器（10）、第二压力传感器（11）的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：所述的第一加热装置（6）和第二加热装置（7）为加热线圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：所述的保温层（9）由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或是多种组合构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：包括水箱（1）、第三水泵、四个第三反应罐、燃料电池电堆（17）和控制器，水箱（1）内设置有水，水箱（1）的出水口通过一个管道与第三水泵连接，第三反应罐内各自均设置有水蒸气散发管（19），第三反应罐内各自均设置有氢化镁粉末（8）和温度传感器（20），第三反应罐内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道各自与氢化镁粉末（8）的填充区域连通，第三水泵的出水口通过管道分别与四个第三反应罐内的水蒸气散发管（19）内的水蒸气通道连接，管道上设置有一个电磁控制阀和一个第三加热装置，第三反应罐的外侧均设置有保温层（9），第三反应罐的氢气出口各自通过管道与汽水分离器（15）的第一端连接，汽水分离器（15）的第二端通过管道与氢气过滤器（16）的第一端连接，氢气过滤器（16）的第二端通过管道与燃料电池电堆（17）的氢气入口连接，第三反应罐各自与汽水分离器（15）之间的管道上依次设置有第三压力传感器、第三单向止回阀，
所述的控制器的信号输出端连接到第三水泵、电磁控制阀、第三加热装置的信号输入端，所述的控制器的信号输入端连接到温度传感器（20）、第三压力传感器的信号输出端。
5.根据权利要求4所述的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：所述的第三加热装置为加热线圈。
6.根据权利要求4所述的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，其特征在于：所述的保温层（9）由至少一层保温棉构成，保温棉由石墨毡、陶瓷纤维棉、气凝胶毡、玻璃棉中的一种或者多种组合构成。
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