CN208368631U - 一种基于化学制氢反应的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于化学制氢反应的燃料电池系统，包括反应器模块、电堆模块和控制模块，其中，所述反应器模块，用于将水加入金属氢化物中进行水解反应来产生氢气，为电堆模块供应氢气源；所述电堆模块，分别接收来自反应器模块的氢气源和外部的氧气源，进行氧化还原反应后产生功率用于向外界供电；所述控制模块，用于实时控制所述反应器中的水解反应和所述电堆模块中的氧化还原反应，以保证所述燃料电池系统快速启动和稳定工作。

Description

一种基于化学制氢反应的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于化学制氢反应的燃料电池系统和其工作方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有能量密度、能量转化效率高,操作方便,对环境污染小等优点，与太阳能，风能等共同被视为未来清洁能源的重要组成部分，是现今新能源领域的研究热点。

现有技术提出了一种氢化锂水解制氢技术，具体地，随着燃料电池这一环境友好的发电方式在技术上的不断突破,金属氢化物制氢技术也得到了迅速发展。金属氢化物在储氢容量上具有其他材料无法比拟的优势,且通过简单的水解反应即可放出氢气。以氢化锂水解制氢技术为例，目前使用氢化锂水解制氢的最常见做法即直接将水与惰化后的氢化锂多晶粉末混合，氢化锂水解产物有氢气，氢氧化锂和氢氧化锂水合物等，产出气体仅包含目标产物与水蒸气，氢气纯度高，因此几乎无需处理即可供给质子交换膜燃料电池使用。该技术具有储氢密度高、操作简单、速度快、对环境友好等特点,是一种高效的氢燃料来源。虽然氢化锂水解制氢技术有操作简单的特点，但氢化锂与水反应速率极快，放出氢气和大量的热，极易发生燃烧和爆炸，存在一定的安全隐患。从另一方面说，极高的反应速率造成产氢量与产氢速率难以控制，易对反应腔和燃料电池堆造成损坏。采用排气装置可以减小这种问题带来的影响，但同时造成氢气的大量浪费，同时增大了安全隐患。

现有技术还提出了质子交换膜燃料电池((Proton Exchange Membrane FuelCell,PnVIFC)，作为一种真正的绿色环保能源，其极高的理论比能量(对氢空气体系而言，其理论比能量高达32940Wh/kg，远远大于现有其它任何一种化学电源)被认为是未来交通工具、分布式电站及各类电子产品等最主要的供能电源之一。质子交换膜燃料电池单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时可看作一种直流电源，其阳极为电源负极，阴极为电源正极。

目前，大型质子交换膜燃料电池在技术上已基本成熟，妨碍其商品化的主要障碍是价格因素；而微型质子交换膜燃料电池的研发则始于最近10年之内。所使用材料、加工工艺、控制技术等均处于摸索阶段，随着各种移动电子产品的尺寸不断缩小且功能不断增多，留给化学电源的空间越来越少，现有的锂离子、镍氢电池等二次化学电源的比能量不足已经成为上述电子产品发展的瓶颈，因此对燃料电池轻量化，微型化的要求日益增强。传统质子交换膜燃料电池的重量约为数十至数百千克，而为满足移动电子产品的需求，质子交换膜燃料电池必须缩小至与小型锂电池相近的尺寸与重量。

目前，质子交换膜燃料电池由于反应温度低，启动快，能量转化效率高等特点受到广泛关注。但作为其燃料使用的氢由于密度低，易与金属反应等特点而难以储存和运输，这限制了质子交换膜燃料电池的发展。因此安全、高效的储氢和供氢系统对整个于燃料电池系统，是必须解决的关键问题之一。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于化学制氢的微型燃料电池系统，能够有效解决现有技术中提到的问题。

本发明的一种基于化学制氢反应的燃料电池系统，包括反应器模块、电堆模块和控制模块，其中，所述反应器模块，用于将水加入金属氢化物中进行水解反应来产生氢气，为电堆模块供应氢气源；所述电堆模块，分别接收来自反应器模块的氢气源和外部的氧气源，进行氧化还原反应后产生功率用于向外界供电；所述控制模块，用于实时控制所述反应器模块中的水解反应和所述电堆模块中的氧化还原反应，以保证所述燃料电池系统快速启动和稳定工作。

此外，所述反应器模块由水解反应器，储水荚和进液泵组成，所述储水荚内液体由进液泵精确控制定速定量移入水解反应器。

此外，所述水解反应器包括反应腔。所述反应腔底部内置惰性化处理的金属氢化物粉末，通过进液泵将储水荚中的水定速定量泵入反应腔内，产生稳定可控的氢气产量，以保证反应腔及所述电堆模块内压力可控。

此外，所述水解反应器还包括洗气装置，用于洗掉在水解反应中生成的可溶性杂质气体，并且同时为生成气体降温，使得氢气的纯度提高，保证氢气量可控。

此外，所述进液泵由蠕动泵和步进电机组成，由所述控制模块为所述进液泵供电和提供控制信号，以便于精确控制移液速率。

此外，所述电堆模块包括质子交换膜燃料电池堆和进气泵，所述质子交换膜燃料电池堆包括氢气入口和氧气入口，分别接收来自反应器模块的氢气源和所述进气泵泵入的氧气源，在其中进行氧化还原反应(也即供电反应)，对负责供电。

此外，所述电堆模块还包括风扇，所述风扇用于将进气泵的空气吹入所述质子交换膜燃料电池堆，进行氧化还原反应，并使得所述电池堆模块和所述水解反应器降温，以将所述燃料电池系统的温度维持在合适的区间内。

此外，所述电堆模块的功率输出与所述风扇连接，由所述电堆模块来供电。

此外，所述风扇与控制模块连接，由控制模块来调整风扇以控制散热流速。

此外，所述质子交换膜燃料电池堆采用双极板单元装配而成，使用微加工与微装配技术控制极板面积小于50mm*50mm。

此外，所述控制模块包含锂电池、降压电路和主控模块，其中，所述降压电路经过两路稳压器分别输出电功率：一路为所述主控模块和所述进气泵和进液泵供电；另一路向所述控制模块中的锂电池供电；所述主控模块输出控制信号至所述进气泵及进液泵，精确控制反所述进液泵的移液速率和所述进气泵的进气流速。

此外，所述两路稳压器，一路输出12V电压，一路输出3.3V或5V可调电压。

此外，所述稳压器为带使能的DC-DC电路。

此外，所述主控模块核心为一个低功耗微处理器。

此外，所述主控模块对所述进液泵的进液流速控制可分为启动阶段和工作阶段：在启动阶段，将流速控制在较高速度以便电堆模块能够快速的启动；在工作阶段，将流速控制在较低范围内以保证所述水解反应器反应腔内压力可控。

此外，所述主控模块输出的控制信号为方波信号，通过调整所述方波信号的占空比来控制所述进液泵和进气泵的移液速度和进气流速。

此外，所述控制模块对所述移液速度和进气流速控制阶段可分为多个阶段，通过加入比例积分微分(PID)控制算法，以便使得电堆模块能够快速启动以及所述水解反应器的反应腔内压力可控。

本发明提出的基于化学制氢的微型燃料电池系统通过分离存储水与氢化锂降低安全隐患，并通过控制与氢化锂反应的水流量，进而控制制氢流量和压力，从而保证燃料电池系统输出的稳定性。另一方面，燃料电池系统采用紧凑设计，在厘米数量级尺寸限制内，集成制氢，发电，控制等全部功能，实现微型化要求。

另外，本发明提出的基于化学制氢的微型燃料电池系统可以实现更加轻量化，微型化的设计，能够在较小的体积和重量限制内实现极高的能量密度。在无线传感网络，移动通讯与计算等行业有广阔的应用前景。

附图说明

图1为所述燃料电池系统的结构示意框图。

图2为所述质子交换膜燃料电池堆单层结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将详细参考本发明的实施例，这些实施例的示例在附图中示出。元件的后缀“模块”和“单元”在此用于方便描述，并且因此可以可交换地被使用，而且没有任何可区别的意义或功能。

虽然构成本发明的实施例的所有元件或单元被描述为结合到单个元件中或被操作为单个元件或单元，但是本发明不一定局限于此种实施例。根据实施例，在本发明的目的和范围内所有的元件可以选择性地结合到一个或多个元件并且被操作为一个或多个元件。

在燃料电池设计中，制氢的方式是多种多样的，既可通过化学方法对化合物进行重整、分解、光解或水解等方式获得，也可通过电解水制氢，或是利用产氢微生物进行发酵或光合作用来制得氢气。在目前的制氢储氢方法中，化学氢化物储氢具有储氢环境温和、能在室温下储氢且相对压力小等优点而受到重视。

图1示出了本发明提供的一种基于化学制氢反应的燃料电池系统，包括反应器模块，电堆模块，和控制模块三个子部分。

所述反应器模块，用于进行金属氢化物水解反应，为电堆模块供应氢气源。将水加入金属氢化物中，两者不需催化剂即可剧烈反应，产生氢气，此过程的速率由液体的注入速率决定。

上述反应器模块由水解反应器，储水荚，和进液泵组成，所述水解反应器由反应腔和洗气装置组成，反应腔内置惰性化处理的金属氢化物粉末。通过进液泵将储水荚中的水定速定量泵入反应腔内可以保持氢气产量的稳定可控，进而保证反应腔及电堆内压力可控。所述洗气装置为常规水洗瓶结构，起到净化氢气及冷却、缓冲作用。

作为优选，所述进液泵由蠕动泵和步进电机组成，其供电与控制直接连接至控制模块，蠕动泵与步进电机精度足够高，以便于精确控制移液速率。

所述电堆模块由质子交换膜燃料电池堆，进气泵和风扇组成，其氢气入口即为所述质子交换膜燃料电池堆的氢气入口，与反应器模块相连。另一方面，进气泵与质子交换膜燃料电池堆的氧气入口相连，向所述质子交换膜燃料电池堆内泵入空气作为氧气来源，在所述质子交换膜燃料电池堆进行发电反应，提供功率输出。

所述质子交换膜燃料电池堆为本发明所述燃料电池系统的核心，在传统电池堆结构的基础上，本发明选用双极板结构压缩电堆厚度，同时使用微加工和微装配技术控制电池堆极板面积小于50mm*50mm，实现质子交换膜燃料电池堆的小型化。如图2所示，质子交换膜燃料电池堆由阴极、阳极扩散层，双极型电极板、膜电极(质子交换膜)组成，这几部分使用硅酮胶进行粘合，各部分之间使用小的硅胶管连接。

所述电堆模块还包含有一个风扇，其供能输入直接与质子交换膜燃料电池堆的功率输出连接，即直接由所述质子交换膜燃料电池堆供电。所述质子交换膜燃料电池堆的功率输出除去为风扇供电外作为本发明所述微型燃料电池系统的输出，对外界负载供电。

所述控制模块分包括锂电池与降压电路和主控模块。所述控制模块采用12V锂电池供电，内部需提供3.3V和5V电压分别为主控模块以及上述进液泵、进气泵供电。降压电路一路产生3.3-5V电压，为主控模块和上述进气泵和进液泵供电；另一路产生12V电压，连接电堆模块功率输出及锂电池，控制向锂电池充电过程。

所述主控模块核心是一个微处理器，其上连接LED等实现人机交互供能，其输出信号经光耦开关驱动上述进气泵及进液泵。通过控制占空比控制所述进气泵及进液泵流速。

以下对本发明所述基于化学制氢的微型燃料电池系统的工作方法进行进一步说明：

1.系统启动，进液泵从储水荚抽取水泵入水解反应器的存放有金属氢化物粉末的反应腔中，发生剧烈反应，生成大量氢气，放热。此时，反应腔中充斥着氢气和水蒸汽以及少量杂质气体，下方是仍在反应的金属氢化物粉末。

2.生成气体进入洗气装置，通过一个洗气瓶，洗掉在水解反应中可能生成的可溶性杂质气体，同时为生成气体降温，使氢气的纯度提高，进而保证氢气产量的可控。

3.氢气进入所述质子交换膜燃料电池堆中后，电池堆产生功率，随着电池堆启动，其输出功率端开始出现能量输出，向外部负载供电。同时自身产生的功率带动电堆上的风扇工作，开始将空气吹入电堆，一方面提供更多的氧气与氢气进行氧化还原反应从而产生电能(即氧化还原反应)，另一方面为电池堆与水解反应器降温，使所述微型燃料电池系统温度维持在一个合适的区间内。

4.在系统运行期间，所述进液泵，进气泵由控制模块输出的方波信号控制，通过调整方波信号占空比精确控制移液与进气流速，保证水解反应和发电反应平稳进行。作为优选，进液流速控制可分为两个阶段：启动阶段和工作阶段。在启动阶段为了让电堆模块能够快速的启动，需要将流速控制在较高速度(或高速度)；在工作阶段，流速需要控制在较低范围内(或低速)以保证上述水解反应器反应腔内压力可控。另一方面，控制模块定时控制锂电池降压电路，使用质子交换膜燃料电池堆输出的一部分输出功率为锂电池充电，维持控制模块的使用。

所述反应器模块的水解反应制氢及所述电堆模块发电反应由控制模块实时控制，控制模块通过对进液泵和进气泵的实时调速保证本发明的化学制氢的微型燃料电池系统启动快速且工作稳定。

此外，上述电堆模块中，风扇可不直接连接在功率输出上，可以同移液泵等一同连接至控制模块，由控制模块调整控制散热流速。

上述控制模块内部降压电路并非固定降压至5V/3.3V，另一路充电部分并非确定为DC-DC电路。仅需满足供应控制需求和锂离子电池充电要求即可。

上述工作方式中所述所述移液速度和进气流速调整或控制阶段可分为多个阶段，并可加入PID等控制算法，目的在于满足电堆模块快速启动以及所述水解反应器反应腔内压力可控。

综上所述，本发明提出了一种应用化学制氢作为供氢来源的微型燃料电池系统，采用水解化学制氢方法可以快速，高效地获取氢源并使得系统体积与重量可以极大地缩小，且仅通过加水即可开始工作。

另外，由于产氢速率由主控模块通过控制水解反应进液速度控制，提高了安全性和稳定性，并减少了氢源的浪费。

另外，本发明所提出的微型燃料电池系统，及其工作方法在微型化尺度下包含了全部产氢，发电，降温，控制功能。具有启动快速，操作简单，稳定高效的特点，其微型化的设计适用于移动计算，通信和无线传感领域。

应该理解由本领域技术人员通过本发明能够实现的效果并不局限于在上文已特别描述的内容，并且本发明的其它优点从上面的详细描述中将更清楚地理解。

对于本领域技术人员，显然可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在本发明中做出各种修改和变型。因此，本发明旨在如果本发明的修改和变型落入附随权利要求和它们的等同形式的范围内，那么本发明覆盖这些修改和变型。

Claims (17)

1.一种基于化学制氢反应的燃料电池系统，包括反应器模块、电堆模块和控制模块，其中，

所述反应器模块，用于将水加入金属氢化物中进行水解反应来产生氢气，为电堆模块供应氢气源；

所述电堆模块，分别接收来自反应器模块的氢气源和外部的氧气源，进行氧化还原反应后产生功率用于向外界供电；

所述控制模块，用于实时控制所述反应器模块中的水解反应和所述电堆模块中的氧化还原反应，以保证所述燃料电池系统快速启动和稳定工作。

2.如权利要求1所述的系统，所述反应器模块由水解反应器，储水荚和进液泵组成，所述储水荚内液体由进液泵精确控制定速定量移入水解反应器。

3.如权利要求2所述的系统，所述水解反应器包括反应腔,所述反应腔底部内置惰性化处理的金属氢化物粉末，通过进液泵将储水荚中的水定速定量泵入反应腔内，产生稳定可控的氢气产量，以保证反应腔及所述电堆模块内压力可控。

4.如权利要求2所述的系统，所述水解反应器还包括洗气装置，用于洗掉在水解反应中生成的可溶性杂质气体，并且同时为生成气体降温，使得氢气的纯度提高，保证氢气量可控。

5.如权利要求2所述的系统，所述进液泵由蠕动泵和步进电机组成，由所述控制模块为所述进液泵供电和提供控制信号，以便于精确控制移液速率。

6.如权利要求2所述的系统，所述电堆模块包括质子交换膜燃料电池堆和进气泵，所述质子交换膜燃料电池堆包括氢气入口和氧气入口，分别接收来自反应器模块的氢气源和所述进气泵泵入的氧气源，在其中进行氧化还原反应。

7.如权利要求6所述的系统，所述电堆模块还包括风扇，所述风扇用于将进气泵的空气吹入所述质子交换膜燃料电池堆，进行氧化还原反应，并使得所述电堆模块和所述水解反应器降温，以将所述燃料电池系统的温度维持在合适的区间内。

8.根据权利要求7所述的系统，所述电堆模块的功率输出与所述风扇连接，由所述电堆模块来供电。

9.根据权利要求7所述的系统，所述风扇与控制模块间接连接，由控制模块来调整风扇以控制散热流速。

10.根据权利要求6所述的系统，所述质子交换膜燃料电池堆采用双极板单元装配而成，使用微加工与微装配技术控制极板面积小于50mm*50mm。

11.根据权利要求3所述的系统，所述控制模块包含锂电池、降压电路和主控模块，其中，

所述降压电路经过两路稳压器分别输出电功率：一路经所述主控模块为所述进气泵和进液泵供电；另一路向所述控制模块中的锂电池供电；

所述主控模块输出控制信号至所述进气泵及进液泵，精确控制反所述进液泵的移液速率和所述进气泵的进气流速。

12.根据权利要求11所述的系统，所述两路稳压器，一路输出12V电压，另一路输出3.3V或5V可调电压。

13.根据权利要求11所述的系统，所述稳压器为带使能的直流-直流变换电路。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述主控模块为一个低功耗微处理器。

15.根据权利要求11所述的系统，所述主控模块对所述进液泵的进液流速控制可分为启动阶段和工作阶段：在启动阶段，将流速控制在较高速度以便电堆模块能够快速的启动；在工作阶段，将流速控制在较低范围内以保证所述水解反应器反应腔内压力可控。

16.根据权利要求11所述系统，所述主控模块输出的控制信号为方波信号，通过调整所述方波信号的占空比来控制所述进液泵和进气泵的移液速度和进气流速。

17.根据权利要求11所述系统，所述控制模块对所述移液速度和进气流速控制阶段可分为多个阶段，通过加入比例积分微分控制算法，以便使得电堆模块能够快速启动以及所述水解反应器的反应腔内压力可控。