CN114566679A - 一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，包括固态储氢材料放置罐，所述固态储氢材料放置罐的一端依次设置有电加热管路接口、冷水接头、热水接头、进气管及出气管，且所述进气管处依次设置有电动阀门及粉尘过滤器；所述出气管远离所述固态储氢材料放置罐的一端设置有止逆阀，所述止逆阀的另一端与启动氢气供应罐的进气口连接，所述启动氢气供应罐上连接有气压检测表；所述启动氢气供应罐的出气口与燃料电池连接。本发明能够实现无滞后氢气供应，确保燃料电池快速启动，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本，可以及时发现燃料电池损坏或移动等，避免危险情况的发生。
Description
技术领域
本发明涉及氢能应用技术领域，具体来说，涉及一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统。
背景技术
传统的石化燃料会产生各种有毒有害的气体和粉尘，是污染坏境卫生的一大利器。而氢燃料电池相比起其它传统的电池及石化燃料来说，在提供能量的时候，只会产生水和热，且氢燃料电池的能量转换率可以达到80％，更加的环保。
专利号201910410678.X，公开了一种燃料电池尾气水分再利用的轻型固态，氢源系统放出的氢气进入氢燃料电池，氢燃料电池产生的尾气和部分空气进入水汽冷却装置，水汽冷却装置冷凝下来的冷却水通过出水管路和进水管路注入氢源系统中，从而可以省去了反应物水的重量从而提高了系统的质量储氢量。
但是以上专利在具体使用时存在以下缺陷：在储氢系统中，无法及时的获得储氢罐中气压数据，并且需要根据储氢罐中的气压数值进行燃料电池工作状态的控制。同时现有的储氢系统缺少对系统整体氢气使用量的监测，因此，无法根据储氢系统的使用量，进行氢气资源的调配。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，具备确保燃料电池快速启动，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本的优点，进而解决了现有技术中无法及时的获得储氢罐中气压数据，并且无法根据储氢罐中的气压数值进行燃料电池工作状态控制的问题。
(二)技术方案
为实现上述确保燃料电池快速启动，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本的优点，本发明采用的具体技术方案如下：
一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，包括固态储氢材料放置罐，所述固态储氢材料放置罐的一端依次设置有电加热管路接口、冷水接头、热水接头、进气管及出气管，且所述进气管处依次设置有电动阀门及粉尘过滤器；所述出气管远离所述固态储氢材料放置罐的一端设置有止逆阀，所述止逆阀的另一端与启动氢气供应罐的进气口连接，所述启动氢气供应罐上连接有气压检测表；所述启动氢气供应罐的出气口与燃料电池连接；所述固态储氢材料放置罐的一侧设置有控制箱，所述控制箱依次与所述电加热管路接口、所述电动阀门及所述气压检测表电连接；所述控制箱内部设置有PLC控制器，所述PLC控制器依次与充气量预测模块及燃料电池监测模块电连接，所述充气量预测模块与所述电动阀门电连接。
进一步的，为了能够快速放氢以及快速吸氢，所述固态储氢材料放置罐内部设置有电加热部件及热控部件，且所述电加热部件与所述电加热管路接口连接，所述热控部件与所述冷水接头及所述热水接头连接；所述电加热部件均匀排列设置在所述固态储氢材料放置罐的内部，所述热控部件螺旋排列在所述固态储氢材料放置罐的内部。
进一步的，为了提高固态储氢材料放置罐及启动氢气供应罐的承受压力范围，所述固态储氢材料放置罐及所述启动氢气供应罐的材质为不锈钢、碳钢或高强度高分子聚合物中的一种；所述电加热部件的外侧包覆有导热材质。
进一步的，所述电动阀门，用于控制所述固态储氢材料放置罐的充气，且监测所述固态储氢材料放置罐的每日充气量，并通过所述充气量预测模块预测下一天的充气量。
进一步的，所述监测所述固态储氢材料放置罐的每日充气量，并通过所述充气量预测模块预测下一天的充气量还包括以下步骤：
所述电动阀门采集所述固态储氢材料放置罐的历史充气数据；
按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理，并做可视化处理；
将整理后的历史充气数据输入预测模型，获得下一天的充气量预测数值；
其中，所述预测模型的公式为：
式中，p为人为设置的滑动窗口，yi-1、yi-2、yi-3……yi-p为前期充气量实际值；
其中，所述按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理时，对排序后的历史充气数据中明显异常数据进行剔除处理，并将剔除的数据替换为前一天的实际充气量数据。
进一步的，所述燃料电池的侧边设置有安装架，所述安装架靠近所述燃料电池的一端侧壁上设置有监测摄像头，所述监测摄像头与所述燃料电池监测模块电连接；所述监测摄像头，用于每日拍摄燃料电池的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块判断燃料电池是否异常。
进一步的，所述每日拍摄燃料电池的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块判断燃料电池是否异常还包括以下步骤：
通过所述监测摄像头获取所述燃料电池每一天的燃料电池图像，且燃料电池图像包括燃料电池及燃料电池的背景，每一天燃料电池的背景是固定的；
分析程序加载每一天的燃料电池图像，并对燃料电池图像进行灰度图转换，得到燃料电池图像的平均灰度值，其中，灰度值的计算公式：
式中，Wr、Wg、Wb分别为R、G、B的权重，R为红色，G为绿色，B为蓝色；
将每一天燃料电池图像的平均灰度值进行记录并整理，并计算所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值；
获取当天燃料电池图像的平均灰度值，并与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值进行比较，若当天燃料电池图像的平均灰度值与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值之间的差值大于预先设定的阈值，则判断燃料电池异常。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，具备以下有益效果：
(1)本发明能够适应-40-60℃的大温差使用环境，并且在-40-0℃温度区间内能够实现无滞后氢气供应，确保燃料电池快速启动。
(2)本发明在燃料电池工作时，通过热水接头接收燃料电池排出热水作为热源为储氢合金供热，促使储氢合金快速放氢；当氢气加注时，该部件通过冷水接头接收外部提供的低温循环冷却水为储氢合金降温，确保合金能够快速吸氢。
(3)本发明能够获得下一天固态储氢材料放置罐的充气量，从而可以根据预测的充气量，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本；通过对燃料电池的监测，从而能够自动的判断燃料电池是否异常，进而可以及时发现燃料电池损坏或移动等，避免危险情况的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统中固态储氢材料放置罐的内部示意图；
图3是根据本发明实施例的燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统中控制箱的模块框图。
图中：
1、固态储氢材料放置罐；2、电加热管路接口；3、冷水接头；4、热水接头；5、进气管；6、出气管；7、电动阀门；8、粉尘过滤器；9、止逆阀； 10、启动氢气供应罐；11、气压检测表；12、燃料电池；13、电加热部件； 14、热控部件；15、安装架；16、监测摄像头；17、控制箱；171、PLC控制器；172、充气量预测模块；173、燃料电池监测模块。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-3所示，根据本发明实施例的燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，包括固态储氢材料放置罐1，所述固态储氢材料放置罐1的一端依次设置有电加热管路接口2、冷水接头3、热水接头4、进气管5及出气管6，且所述进气管5处依次设置有电动阀门7及粉尘过滤器8(可过滤0.001μm-0.1mm的粉尘颗粒)；所述出气管6远离所述固态储氢材料放置罐1的一端设置有止逆阀9，所述止逆阀 9的另一端与启动氢气供应罐10(容积为500ml-1.5L，所承受压力范围为 0.1-50Mpa)的进气口连接，所述启动氢气供应罐10上连接有气压检测表11；所述启动氢气供应罐10的出气口与燃料电池12连接，从而确保氢气由固态储氢材料放置罐1通过启动氢气供应罐10向燃料电池12供应氢气，并且当固态储氢材料放置罐1内氢气压力不足时，启动氢气供应罐10内仍有氢气供应给燃料电池堆进行工作；所述固态储氢材料放置罐1的一侧设置有控制箱 17，所述控制箱17依次与所述电加热管路接口2、所述电动阀门7及所述气压检测表11电连接；所述控制箱17内部设置有PLC控制器171，所述PLC控制器171依次与充气量预测模块172及燃料电池监测模块173电连接，所述充气量预测模块172与所述电动阀门7电连接。
借助于上述方案，本发明能够实现无滞后氢气供应，确保燃料电池快速启动，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本，可以及时发现燃料电池损坏或移动等，避免危险情况的发生。
如图2所示，在一个实施例中，对于上述固态储氢材料放置罐1来说，所述固态储氢材料放置罐1内部设置有电加热部件13及热控部件14，且所述电加热部件13与所述电加热管路接口2连接，所述热控部件14与所述冷水接头3及所述热水接头4连接；所述电加热部件13均匀排列设置在所述固态储氢材料放置罐1的内部，所述热控部件14蛇形或螺旋排列在所述固态储氢材料放置罐1的内部并与储氢材料充分接触，其为采用导热材质(铜、不锈钢)制成的空心管，所用空心管盘布间距为10-50mm，管内径为3-10mm，管壁厚为1-3mm；所述固态储氢材料放置罐1及所述启动氢气供应罐10的材质为不锈钢、碳钢或高强度高分子聚合物中的一种，从而提高固态储氢材料放置罐1及启动氢气供应罐10的承受压力范围；所述电加热部件13的外侧包覆有导热材质(铜、不锈钢)，外观可以为电加热棒、电加热丝或电加热环等，启动电加热部件13最大加热温度为80℃，所需最低功率为0.5kW，最大功率不超过所搭配燃料电池堆的10％，并且该部件再启动时由燃料电池12通过启动氢气供应罐10中的氢气工作发电后提供电能工作，所占体积为罐体内容积的10-20％。
在燃料电池12工作时，热控部件14通过热水接头4接收燃料电池12排出热水作为热源为储氢合金供热，促使储氢合金快速放氢；当氢气加注时，通过冷水接头3接收外部提供的低温循环冷却水为储氢合金降温，确保合金能够快速吸氢。且对燃料电池12提供的电流进行监测和调控，在燃料电池12 启动时将电能提供给电加热部件13工作。
固态储氢材料放置罐1中用于存放金属氢化物的体积为罐体内容积的60％-80％，其余空间为热控部件所占用体积。
所述电动阀门7，用于控制所述固态储氢材料放置罐1的充气，且监测所述固态储氢材料放置罐1的每日充气量，并通过所述充气量预测模块172预测下一天的充气量。
其中，所述监测所述固态储氢材料放置罐1的每日充气量，并通过所述充气量预测模块172预测下一天的充气量还包括以下步骤：
所述电动阀门7采集所述固态储氢材料放置罐1的历史充气数据；
按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理，并做可视化处理；
将整理后的历史充气数据输入预测模型，获得下一天的充气量预测数值；
其中，所述预测模型的公式为：
式中，p为人为设置的滑动窗口，yi-1、yi-2、yi-3……yi-p为前期充气量实际值；
其中，所述按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理时，对排序后的历史充气数据中明显异常数据进行剔除处理，并将剔除的数据替换为前一天的实际充气量数据。
如图1所示，在一个实施例中，对于上述燃料电池12来说，所述燃料电池12的侧边设置有安装架15，所述安装架15靠近所述燃料电池12的一端侧壁上设置有监测摄像头16，所述监测摄像头16与所述燃料电池监测模块173 电连接；所述监测摄像头16，用于每日拍摄燃料电池12的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块173判断燃料电池12是否异常。
其中，所述每日拍摄燃料电池12的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块173判断燃料电池12是否异常还包括以下步骤：
通过所述监测摄像头16获取所述燃料电池12每一天的燃料电池图像，且燃料电池图像包括燃料电池及燃料电池的背景，每一天燃料电池的背景是固定的；
分析程序加载每一天的燃料电池图像，并对燃料电池图像进行灰度图转换，得到燃料电池图像的平均灰度值，其中，灰度值的计算公式：
式中，Wr、Wg、Wb分别为R、G、B的权重，R为红色，G为绿色，B为蓝色；
将每一天燃料电池图像的平均灰度值进行记录并整理，并计算所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值；
获取当天燃料电池图像的平均灰度值，并与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值进行比较，若当天燃料电池图像的平均灰度值与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值之间的差值大于预先设定的阈值，则判断燃料电池12异常。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
在实际应用时，燃料电池12启动，将电能提供给电加热部件13工作，并通过气压检测表11获取启动氢气供应罐10内气压变化来判断逻辑控制程序，当启动氢气供应罐10内气压不再降低时则将燃料电池12电能提供给外部用电设备使用，进入燃料电池系统正常工作模式；当启动氢气供应罐10内气压持续降低至低于0.15MPa时，停止燃料电池12工作，进行氢气加注提示；如在燃料电池12正常工作模式时，启动氢气供应罐10内气压降低至低于0.5MPa，则停止燃料电池12工作，进行氢气加注提示。
综上所述，本发明能够适应-40-60℃的大温差使用环境，并且在-40-0℃温度区间内能够实现无滞后氢气供应，确保燃料电池快速启动。本发明在燃料电池12工作时，通过热水接头4接收燃料电池12排出热水作为热源为储氢合金供热，促使储氢合金快速放氢；当氢气加注时，该部件通过冷水接头3 接收外部提供的低温循环冷却水为储氢合金降温，确保合金能够快速吸氢。本发明能够获得下一天固态储氢材料放置罐1的充气量，从而可以根据预测的充气量，及时的进行氢气资源的调配，降低了管理成本；通过对燃料电池 12的监测，从而能够自动的判断燃料电池12是否异常，进而可以及时发现燃料电池12损坏或移动等，避免危险情况的发生。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，包括固态储氢材料放置罐(1)，其特征在于：
所述固态储氢材料放置罐(1)的一端依次设置有电加热管路接口(2)、冷水接头(3)、热水接头(4)、进气管(5)及出气管(6)，且所述进气管(5)处依次设置有电动阀门(7)及粉尘过滤器(8)；
所述出气管(6)远离所述固态储氢材料放置罐(1)的一端设置有止逆阀(9)，所述止逆阀(9)的另一端与启动氢气供应罐(10)的进气口连接，所述启动氢气供应罐(10)上连接有气压检测表(11)；
所述启动氢气供应罐(10)的出气口与燃料电池(12)连接；
所述固态储氢材料放置罐(1)的一侧设置有控制箱(17)，所述控制箱(17)依次与所述电加热管路接口(2)、所述电动阀门(7)及所述气压检测表(11)电连接；
所述控制箱(17)内部设置有PLC控制器(171)，所述PLC控制器(171)依次与充气量预测模块(172)及燃料电池监测模块(173)电连接，所述充气量预测模块(172)与所述电动阀门(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述固态储氢材料放置罐(1)内部设置有电加热部件(13)及热控部件(14)，且所述电加热部件(13)与所述电加热管路接口(2)连接，所述热控部件(14)与所述冷水接头(3)及所述热水接头(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述电加热部件(13)均匀排列设置在所述固态储氢材料放置罐(1)的内部，所述热控部件(14)螺旋排列在所述固态储氢材料放置罐(1)的内部。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述固态储氢材料放置罐(1)及所述启动氢气供应罐(10)的材质为不锈钢、碳钢或高强度高分子聚合物中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述电加热部件(13)的外侧包覆有导热材质。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述电动阀门(7)，用于控制所述固态储氢材料放置罐(1)的充气，且监测所述固态储氢材料放置罐(1)的每日充气量，并通过所述充气量预测模块(172)预测下一天的充气量。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述监测所述固态储氢材料放置罐(1)的每日充气量，并通过所述充气量预测模块(172)预测下一天的充气量还包括以下步骤：
所述电动阀门(7)采集所述固态储氢材料放置罐(1)的历史充气数据；
按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理，并做可视化处理；
将整理后的历史充气数据输入预测模型，获得下一天的充气量预测数值；
其中，所述预测模型的公式为：
式中，p为人为设置的滑动窗口，yi-1、yi-2、yi-3……yi-p为前期充气量实际值；
其中，所述按照时间顺序对获取的历史充气数据进行整理时，对排序后的历史充气数据中明显异常数据进行剔除处理，并将剔除的数据替换为前一天的实际充气量数据。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述燃料电池(12)的侧边设置有安装架(15)，所述安装架(15)靠近所述燃料电池(12)的一端侧壁上设置有监测摄像头(16)，所述监测摄像头(16)与所述燃料电池监测模块(173)电连接。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述监测摄像头(16)，用于每日拍摄燃料电池(12)的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块(173)判断燃料电池(12)是否异常。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池用全天候快速响应固态储氢系统，其特征在于，所述每日拍摄燃料电池(12)的位置及外观，获得燃料电池图像，并通过所述燃料电池监测模块(173)判断燃料电池(12)是否异常还包括以下步骤：
通过所述监测摄像头(16)获取所述燃料电池(12)每一天的燃料电池图像，且燃料电池图像包括燃料电池及燃料电池的背景，每一天燃料电池的背景是固定的；
分析程序加载每一天的燃料电池图像，并对燃料电池图像进行灰度图转换，得到燃料电池图像的平均灰度值，其中，灰度值的计算公式：
式中，Wr、Wg、Wb分别为R、G、B的权重，R为红色，G为绿色，B为蓝色；
将每一天燃料电池图像的平均灰度值进行记录并整理，并计算所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值；
获取当天燃料电池图像的平均灰度值，并与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值进行比较，若当天燃料电池图像的平均灰度值与所有燃料电池图像的平均灰度值的平均值之间的差值大于预先设定的阈值，则判断燃料电池(12)异常。
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