CN114634157A - 一种控制水解产氢速度的系统及其控制方法 - Google Patents

一种控制水解产氢速度的系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种控制水解产氢速度的系统及控制方法，包括主控制器、反应容器、注水模块、压力测量模块和水流控制模块；反应容器包括入口和出口，入口连接注水模块，水流控制模块设置在入口和注水模块之间；压力测量模块设置在反应容器的出口上，反应容器内预设置有水解储氢材料；压力测量模块和水流控制模块均连接到主控制器，主控制器用于通过压力测量模块的数据控制水流控制模块。采用主控制单元向电磁阀或者电气比例阀输出PWM信号，控制电磁阀或者电气比例阀的工作状态，来控制水的流速，可以控制氢化物水解产生氢气的速度，从而提高氢化物的利用率，避免因无法控制反应速度，使大量氢气冲出系统而造成的氢气浪费。

Description

一种控制水解产氢速度的系统及其控制方法
技术领域
本发明属于水解产氢速度控制技术领域，特别涉及一种控制水解产氢速度的系统及其控制方法。
背景技术
氢气是燃料电池重要原料之一，水解产氢是一种能够在常温常压下制造氢气的方式，水解产氢材料具有氢含量高，储运方便，安全性高等特点，现有技术的水解产氢装置从结构方面来看，采用的是水泵从储水箱中抽水的方式，来给反应物提供水，会造成水箱与反应容器的压强不相等，带来供水障碍，可能造成储水箱的损坏、无法抽水等问题。
现有技术也没有控制阀具体的控制方法及其结构等详细信息，无法确定氢气供给给燃料电池的压强是否精准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制水解产氢速度的系统及其控制方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种控制水解产氢速度的系统，包括主控制器、反应容器、注水模块、压力测量模块和水流控制模块；反应容器包括入口和出口，入口连接注水模块，水流控制模块设置在入口和注水模块之间；压力测量模块设置在反应容器的出口上，反应容器内预设置有储氢材料；压力测量模块和水流控制模块均连接到主控制器，主控制器用于通过压力测量模块的数据控制水流控制模块。
进一步的，水流控制模块为电磁阀或电气比例阀；电磁阀为防爆电磁阀或高频防爆电磁阀。
进一步的，电磁阀或电气比例阀连接有供电回路，供电回路包括直流电源和开关元件，开关元件为场效应管、三极管或继电器。
进一步的，压力测量模块为压力传感器，反应容器的出口连接四通的一端，四通的另外两端分别连接燃料电池和泄压装置，压力传感器设置在四通上。
进一步的，燃料电池和四通之间设置有减压阀。
进一步的，泄压装置包括泄压管道和安全阀，泄压管道一端连接四通，另一端连接安全阀。
进一步的，注水模块包括水箱和球阀，水箱的入口设置球阀，球阀连接水源，水箱的出口连接水流控制模块。
进一步的，一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，包括以下步骤：
给压力传感器、电磁阀或电气比例阀和主控制单元连接通讯，在系统工作前，向水箱中加水，在反应容器中加入反应物储氢材料；
压力传感器输出的模拟电压信号给主控制单元，主控制单元进行A/D转换，再将A/D转换后的数值与设置的阈值进行比较，最后输出电平信号给电磁阀供电回路，来控制电磁阀供电回路的通断，从而控制电磁阀的开闭。
进一步的，若采用防爆电磁阀，需要设定阈值1和阈值2，当压力传感器测得的气压小于阈值1时，主控制单元控制普通防爆电磁阀打开，水流入反应容器，使得储氢材料发生水解反应；当压力传感器测得的气压高于阈值2时，主控制单元控制普通防爆电磁阀关闭，水无法进入反应容器，将终止水解反应，若系统的气压接近系统不安全气压值时，达到安全阀的阈值时，安全阀自动打开，进行泄压，使得系统的工作压强回到正常值。
进一步的，若电磁阀采用高频防爆电磁阀，主控制单元向高频防爆电磁阀发送不同占空比的PWM信号，达到控制高频防爆电磁阀切换频率的目的，设置多个阈值，控制高频防爆电磁阀不同的切换频率工作，使得水按不同的流速进入反应容器，使得储氢材料发生的水解反应速度得到控制，从而控制产生氢气的速度。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
与现有的技术相比，本发明仅在反应容器的氢气出口处使用减压阀，仅需使用电磁阀或电气比例阀控制水进入反应容器的速度，大大减小了控制难度，比现有的技术少使用一个控制阀，在一定程度上减小了重量。
本专利将水箱和反应容器用两根管道相连，可以确保水箱的压强和反应容器的压强相等，水可以依靠自身重力进入反应容器，从而提高了系统的安全性。
采用主控制单元向电磁阀或者电气比例阀输出电平信号信号，控制电磁阀或者电气比例阀的工作状态，来控制水的流速，可以控制氢化物水解产生氢气的速度，从而提高氢化物的利用率，避免因无法控制反应速度，使大量氢气冲出系统而造成的氢气浪费。
本申请水箱在反应容器上方，水箱与反应容器之间加装的是电磁阀，反应容器的出气端与水箱上端连接，确保了水箱与反应容器的压强相等，那么水就可以根据自身重力，流入反应容器，压强相等，不会对水箱造成损害。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明信号采集和输出方式示意图；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种控制水解产氢速度的系统，包括主控制器、反应容器、注水模块、压力测量模块和水流控制模块；反应容器包括入口和出口，入口连接注水模块，水流控制模块设置在入口和注水模块之间；压力测量模块设置在反应容器的出口上，反应容器内预设置有储氢材料；压力测量模块和水流控制模块均连接到主控制器，主控制器用于通过压力测量模块的数据控制水流控制模块。
如图1所示，在系统工作前，先打开球阀，向水箱中加足够的水，向反应容器中加入一定量的水解制氢材料(如氢化镁、氢化钠、氢化锂、氢化铝锂等)。系统开始工作时，向主控制单元供电，压力传感器检测系统的气压，控制电磁阀或电气比例阀的开闭，控制器通过压力传感器实时检测氢气反应容器内氢气的压力，并根据反应容器内氢气的压力调节电磁阀的切换频率，达到控制水流速或者流量的目的，以控制反应容器中氢化物的水解反应速度。控制反应容器氢气出口压力在减压阀入口压力要求范围内，定制减压阀输出燃料电池所需要的压强即可，为了确保系统的安全性，需要加装一个安全阀，当系统压力达到系统不安全工作压强时，安全阀会打开，进行泄气，使得系统回到安全工作状态。
如图2所示，压力传感器输出的模拟电压信号给主控制单元，主控制单元进行A/D转换，再将A/D转换后的数值与设置的阈值进行比较，最后输出电平信号给电磁阀供电回路，来控制电磁阀供电回路的通断，从而控制电磁阀的开闭。
其中，电磁阀和电气比例阀的供电回路包括外加适合电磁阀和电气比例阀工作的直流电源以及电路的开关元件，开关元件可以是继电器也可以是场效应管，将主控制单元输出的电平信号给继电器或者场效应管，实现开关电路的功能，从而控制电磁阀的开闭。这里建议使用场效应管，因为场效应管在重量上、电路连接和噪音等方面都优于继电器。
控制方法：
压力传感器和电磁阀、电气比例阀与主控制单元(stm32、arm、dsp等)连接通讯。在系统工作前，向水箱中加水，在反应容器中加入反应物。
给压力传感器、电磁阀(普通防爆电磁阀、高频防爆电磁阀)、电气比例阀和主控制单元供电后，压力传感器采集系统内的气压值并向主控制单元发送模拟电压信号，主控制单元将模拟信号进行模数转换，将压力传感器的模拟电压信号转化为数字信号。并且主控制单元根据气压值，对电磁阀或者电气比例阀进行控制。
(1)若采用普通防爆电磁阀，需要设定阈值1和阈值2，当压力传感器测得的气压小于阈值1时，主控制单元控制普通防爆电磁阀打开，水流入反应容器，使得储氢材料发生水解反应。当压力传感器测得的气压高于阈值2时，主控制单元控制普通防爆电磁阀关闭，水无法进入反应容器，将终止水解反应。只需保证满足减压阀入端压力要求，减压阀即可输出燃料电池正常工作的氢气压强。若系统的气压接近系统不安全气压值时，达到安全阀的阈值时，安全阀自动打开，进行泄压，使得系统的工作压强回到正常值。
阈值1、2的设定说明：
阈值1是控制电磁阀打开的关键，电磁阀打开水即进入反应容器，发生水解反应。阈值1需要根据燃料电池的输出需求、系统压力等约束条件来设置。
阈值2是控制电磁阀关闭的关键，电磁阀关闭水就停止流入反应容器，水解反应即将停止。阈值2需要根据减压阀要求的入口压力和燃料电池输出需求等约束条件来设置。
(2)若电磁阀采用高频防爆电磁阀，高频防爆电磁阀的工作频率有50Hz到1200Hz不等，甚至更高。主控制单元向高频防爆电磁阀发送不同占空比的PWM信号，可以达到控制高频防爆电磁阀切换频率的目的，从而达到控制氢气流速和水流速的目的。可以设置多个阈值，控制高频防爆电磁阀一不同的切换频率工作，使得水按不同的流速进入反应容器，使得储氢材料发生的水解反应速度得到控制，从而控制产生氢气的速度。
阈值设定说明：
设置多个阈值，相应地，主控制单元输出不同占空比的PWM信号，将压力传感器测得的气压与阈值进行比较，主控制单元输出相应占空比的PWM信号，控制高频防爆电磁阀的切换速度，从而控制水的流速，以达到控制水解反应速度的目的。控制高频防爆电磁阀的阈值需要根据燃料电池输出需求、减压阀要求的入口压力等约束条件来设置。
(3)若采用的是电气比例阀，其控制方法同高频防爆电磁阀。也是通过主控制单元向电气比例阀发送PWM信号，来控制电气比例阀阀门转动的角度，从而控制水的流速。
本发明再一实施例中，提供一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，能够用于实现上述的一种控制水解产氢速度的系统。
该方法为：一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，包括以下步骤：
给压力传感器、电磁阀或电气比例阀和主控制单元连接通讯，在系统工作前，向水箱中加水，在反应容器中加入反应物储氢材料；
压力传感器输出的模拟电压信号给主控制单元，主控制单元进行A/D转换，再将A/D转换后的数值与设置的阈值进行比较，最后输出电平信号给电磁阀供电回路，来控制电磁阀供电回路的通断，从而控制电磁阀的开闭。
在一种可能的实施方式中，若采用防爆电磁阀，需要设定阈值1和阈值2，当压力传感器测得的气压小于阈值1时，主控制单元控制普通防爆电磁阀打开，水流入反应容器，使得储氢材料发生水解反应；当压力传感器测得的气压高于阈值2时，主控制单元控制普通防爆电磁阀关闭，水无法进入反应容器，将终止水解反应，若系统的气压接近系统不安全气压值时，达到安全阀的阈值时，安全阀自动打开，进行泄压，使得系统的工作压强回到正常值。
在一种可能的实施方式中，若电磁阀采用高频防爆电磁阀，主控制单元向高频防爆电磁阀发送不同占空比的PWM信号，达到控制高频防爆电磁阀切换频率的目的，设置多个阈值，控制高频防爆电磁阀不同的切换频率工作，使得水按不同的流速进入反应容器，使得储氢材料发生的水解反应速度得到控制，从而控制产生氢气的速度。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，包括主控制器、反应容器、注水模块、压力测量模块和水流控制模块；反应容器包括入口和出口，入口连接注水模块，水流控制模块设置在入口和注水模块之间；压力测量模块设置在反应容器的出口上，反应容器内预设置有储氢材料；压力测量模块和水流控制模块均连接到主控制器，主控制器用于通过压力测量模块的数据控制水流控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，水流控制模块为电磁阀或电气比例阀；电磁阀为防爆电磁阀或高频防爆电磁阀。
3.根据权利要求2所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，电磁阀或电气比例阀连接有供电回路，供电回路包括直流电源和开关元件，开关元件为场效应管、三极管或继电器。
4.根据权利要求1所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，压力测量模块为压力传感器，反应容器的出口连接四通的一端，四通的另外两端分别连接燃料电池和泄压装置，压力传感器设置在四通上。
5.根据权利要求4所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，燃料电池和四通之间设置有减压阀。
6.根据权利要求4所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，泄压装置包括泄压管道和安全阀，泄压管道一端连接四通，另一端连接安全阀。
7.根据权利要求1所述的一种控制水解产氢速度的系统，其特征在于，注水模块包括水箱和球阀，水箱的入口设置球阀，球阀连接水源，水箱的出口连接水流控制模块。
8.一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的控制水解产氢速度的系统，包括以下步骤：
给压力传感器、电磁阀或电气比例阀和主控制单元连接通讯，在系统工作前，向水箱中加水，在反应容器中加入反应物储氢材料；
压力传感器输出的模拟电压信号给主控制单元，主控制单元进行A/D转换，再将A/D转换后的数值与设置的阈值进行比较，最后输出电平信号给电磁阀供电回路，来控制电磁阀供电回路的通断，从而控制电磁阀的开闭或电气比例阀的开口角度。
9.根据权利要求8所述的一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，其特征在于，若采用防爆电磁阀，需要设定阈值1和阈值2，当压力传感器测得的气压小于阈值1时，主控制单元控制普通防爆电磁阀打开，水流入反应容器，使得储氢材料发生水解反应；当压力传感器测得的气压高于阈值2时，主控制单元控制普通防爆电磁阀关闭，水无法进入反应容器，将终止水解反应，若系统的气压接近系统不安全气压值时，达到安全阀的阈值时，安全阀自动打开，进行泄压，使得系统的工作压强回到正常值。
10.根据权利要求8所述的一种控制水解产氢速度的系统的控制方法，其特征在于，若电磁阀采用高频防爆电磁阀，主控制单元向高频防爆电磁阀发送不同占空比的电平信号，达到控制高频防爆电磁阀切换频率的目的，设置多个阈值，控制高频防爆电磁阀不同的切换频率工作，使得水按不同的流速进入反应容器，使得储氢材料发生的水解反应速度得到控制，从而控制产生氢气的速度。
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