CN213475415U - 一种极地用氢能应急电源装置及电力设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种极地用氢能应急电源装置及电力设备，属于极地制氢技术领域，包括水箱、缓存水箱以及分别和水箱、缓存水箱连通的氢能发生器，水箱用于外接用电设备，水箱用于储存冰或雪，缓存水箱用于储存水，氢能发生器内设有反应料，缓存水箱内的水进入氢能发生器与反应料反应以产生氢气，产生的氢气输送至用电设备，水箱设置于氢气的输送管路上，水箱内储存的冰或雪经氢气的热量融化形成的水通过管道流入氢能发生器内。就地取材，制造所需要的水，使之能够循环使用。使用少量的物料而产生源源不断的氢气输出电能，从而减轻了运输的困难；并且，排放的只有水和少量的氢氧气体，对环境不造成任何的影响和破坏；氢能量密度高，能量转化率高。

Description

一种极地用氢能应急电源装置及电力设备

技术领域

本实用新型涉及极地制氢技术领域，具体而言，涉及一种极地用氢能应急电源装置及电力设备。

背景技术

极地地区是全球变化的驱动器、全球气候变化的冷源，针对该地区的科考，在全球气候变化研究中，起着不可替代的关键作用。同时，极地地区矿物资源、生态资源丰富，对于全球能源逐渐匮乏的现状来说，极地无疑是地球天然的馈赠。

然而极地地区气候环境恶劣、人迹罕至，极地电力资源异常匮乏，无法满足诸如土地开发、矿物勘探等任务的电力需求。采用柴油发电机组进行极地供电是目前的通行做法，然而寒冷环境下柴油容易冻结而产生“挂蜡”现象，大大影响了发电机组的供电稳定性，而通过燃油预热提高柴油的流动性，又将导致设备结构复杂、启动缓慢、能源浪费等问题。同时，柴油机组供电时无可避免的噪音和污染产生，也会影响科学考察等特殊任务的顺利完成。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种极地用氢能应急电源装置及电力设备，利用极地环境大量存在的冰、雪制氢，对用电设备进行供电。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例的一方面提供一种极地用氢能应急电源装置，其包括水箱、缓存水箱以及分别和所述水箱、所述缓存水箱连通的氢能发生器，所述水箱用于外接用电设备，所述水箱用于储存冰或雪，所述缓存水箱用于储存水，所述氢能发生器内设有反应料，所述缓存水箱内的水进入所述氢能发生器与所述反应料反应以产生氢气，产生的所述氢气输送至所述用电设备，所述水箱设置于所述氢气的输送管路上，所述水箱内储存的冰或雪经所述氢气的热量融化形成的水通过管道流入所述氢能发生器内。

可选地，所述水箱包括外水箱以及设在所述外水箱内的内水箱，所述冰或雪储存在所述外水箱中，所述内水箱上设有连通所述外水箱的内水箱进水口；所述氢能发生器通过出氢管道和所述内水箱连通，所述内水箱通过氢气出口管与所述外水箱连通，所述氢气出口管伸出所述外水箱并连通所述用电设备，所述内水箱和所述氢能发生器通过内水箱出水管连通，以向所述氢能发生器注入所述外水箱融化后的水。

可选地，还包括控制器，所述内水箱出水管上设有与所述控制器电连接的水路调节阀，所述出氢管道上设有与所述控制器电连接的流量检测器，所述控制器根据所述流量检测器检测的氢气的流量控制所述水路调节阀，调节通过所述内水箱注入所述氢能发生器的水的流量。

可选地，所述氢气出口管和所述用电设备之间设有与所述控制器电连接的氢气调节阀，用于调节流向所述用电设备的所述氢气的流量。

可选地，所述氢气出口管的形状为螺旋状。

可选地，所述缓存水箱通过水路缓冲管和所述氢能发生器连通，以向所述氢能发生器内注入所述缓存水箱内的水。

可选地，所述缓存水箱和所述水路缓冲管之间设有与所述控制器电连接的截止阀。

可选地，所述氢能发生器内设有并排设置的多个料槽，所述料槽内设有所述反应料，所述料槽的壁上设有多个料孔以露出所述反应料，注入所述氢能发生器内的水与多个料槽内的反应料同时反应。

可选地，所述氢能发生器还包括氢气缓存仓，所述氢气缓存仓与多个所述料槽分别连通，所述氢气缓存仓还与所述出氢管道连通。

本实用新型实施例的另一方面提供一种电力设备，其包括如上述的极地用氢能应急电源装置和依次连接的燃料电池、电源控制系统和用电器，所述电源控制系统还连接二次电池，所述燃料电池和所述极地用氢能应急电源装置连通。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置及电力设备，缓存水箱内储存水，水进入氢能发生器，与氢能发生器内的反应料反应以产生氢气和热量，产生的氢气输送至用电设备，以向用电设备供电。同时，水箱设置于氢气的输送管路上，氢气经水箱输送至用电设备，水箱用于储存冰或雪，氢能发生器产生的热量进入水箱，融化水箱内的冰或雪形成水，流入氢能发生器，补充氢能发生器内的水，与氢能发生器内的反应料持续反应产生氢气和热量，利用融化的冰或雪循环制氢。本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置，通过水解反应即时生成氢气，水解反应为放热反应，会释放出大量的热量，可以用来取暖或者溶解冰或雪，就地取材，制造所需要的水，使之能够循环使用。使用少量的物料而产生源源不断的氢气输出电能，从而减轻了运输的困难；并且，排放的只有水和少量的氢氧气体，对环境不造成任何的影响和破坏；氢能量密度高，能量转化率高，故整体能量利用率优于其他传统的发电装备。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置结构示意图之二。

图标：1－水箱；101－外水箱；102－内水箱；121－内水箱进水口；122－氢气出口管；123－氢气排水管；124－内水箱出水管； 2－氢能发生器；21－水路缓冲管；22－氢气缓存仓；3－料槽；31－料孔；33－出氢管道；4－缓存水箱；41－注水口；5－截止阀；6－水路调节阀；7－氢气调节阀；8－燃料电池；9－电源控制系统； 10－二次电池；11－用电器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

极地地区矿物资源、生态资源丰富，对于全球能源逐渐匮乏的现状来说，极地无疑是地球天然的馈赠。因此，极地地区的科考在全球气候变化研究中，起着不可替代的关键作用。

极地地区气候环境恶劣、人迹罕至，电力资源异常匮乏，无法满足诸如土地开发、矿物勘探等任务的电力需求。目前采用柴油发电机组进行极地供电，但该方法易产生“挂蜡”现象，影响发电机组的供电稳定性。并且，柴油机组供电时产生的噪音和污染，也会影响科学考察等特殊任务的顺利完成。

在此基础上，本实施例提供一种极地用氢能应急电源装置，通过固体水解制氢材料制备氢气，供给氢氧燃料电池发电。一方面，固体水解制氢材料制氢反应过程自发放热，生成的热量可用于取暖、融雪，适用于极寒环境；另一方面，氢氧燃料电池启动迅速、运行安静、无污染排放，可将高能量密度的氢气高效地转化为电能，满足极地地区长时间供电需求。

具体地，请参照图1，本实施例提供一种极地用氢能应急电源装置，其包括水箱1、缓存水箱4以及分别和水箱1、缓存水箱4连通的氢能发生器2，水箱1用于外接用电设备，水箱1 用于储存冰或雪，缓存水箱4用于储存水，氢能发生器2内设有反应料，缓存水箱4内的水进入氢能发生器2与反应料反应以产生氢气，产生的氢气输送至用电设备，水箱1设置于氢气的输送管路上，水箱1内储存的冰或雪经氢气的热量融化形成的水通过管道流入氢能发生器2内。

极地环境存在大量的冰或雪，将冰或雪储存在水箱1内。缓存水箱4储存少量水，缓存水箱4内的水进入氢能发生器2，氢能发生器2内设有反应料，进入氢能发生器2的水与反应料反应，利用水与活泼金属及其化合物进行反应制得氢气的原理，产生氢气，同时产生热量，氢气输送至用电设备，以向用电设备供电。

水箱1设置于氢气的输送管路上，氢气带着热量流经水箱1 时，热量会融化水箱1内储存的冰或雪，形成水再通过管道流入氢能发生器2内，以补充氢能发生器2内的水，与氢能发生器2内的反应料反应持续产生氢气和热量，又进入水箱1融化冰或雪，循环补充氢能发生器2的水，循环反应。这样一来，只需向缓存水箱4注入少量的水，引发氢能发生器2内产生氢气和热量后，热量进入水箱1融化冰或雪，补充氢能发生器2 内的水以持续反应制氢。

本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置，缓存水箱4内储存水，水进入氢能发生器2，与氢能发生器2内的反应料反应以产生氢气和热量，产生的氢气输送至用电设备，以向用电设备供电。同时，水箱1设置于氢气的输送管路上，氢气经水箱1输送至用电设备，水箱1用于储存冰或雪，氢能发生器2产生的热量进入水箱1，融化水箱1内的冰或雪形成水，流入氢能发生器2，补充氢能发生器2内的水，与氢能发生器2 内的反应料持续反应产生氢气和热量，利用融化的冰或雪循环制氢。本实用新型实施例提供的极地用氢能应急电源装置，通过水解反应即时生成氢气，水解反应为放热反应，会释放出大量的热量，可以用来取暖或者溶解冰或雪，就地取材，制造所需要的水，使之能够循环使用。使用少量的物料而产生源源不断的氢气输出电能，从而减轻了运输的困难；并且，排放的只有水和少量的氢氧气体，对环境不造成任何的影响和破坏；氢能量密度高，能量转化率高，故整体能量利用率优于其他传统的发电装备。

具体地，水箱1包括外水箱101以及设在外水箱101内的内水箱102，外水箱101外侧做保温措施，隔绝内外温度，内部填充冰、雪、水等；进一步地，外水箱101的顶部为敞口结构，以方便放入冰或雪。

内水箱102位于外水箱101内部，内水箱102顶部凸起为中空密封结构，保持独立密封，内水箱102上设有连通外水箱 101的内水箱进水口121，内水箱进水口121位于内水箱102的底部，以使外水箱101内融化的冰或雪形成的水经内水箱进水口121进入内水箱102。氢能发生器2通过出氢管道33和内水箱102连通，氢能发生器2与水反应产生的氢气和热量经出氢管道33流入内水箱102，内水箱102内设有氢气排水管123，氢气排水管123为直管，由内水箱102底部进入，并伸入内水箱102顶部凸起内，氢气排水管123和出氢管道33连通，氢气和热量经出氢管道33进入氢气排水管123，再进入内水箱 102。

内水箱102通过氢气出口管122与外水箱101连通，氢气出口管122开设在内水箱102上部，氢气出口管122为直管，氢气出口管122伸出外水箱101并连通用电设备，氢能发生器2 内产生的氢气和热量先经出氢管道33进入内水箱102，然后通过氢气出口管122进入外水箱101，热量将外水箱101的冰或雪融化成水，氢气供给用电设备。

外水箱101融化的水经内水箱进水口121进入内水箱102，内水箱102和氢能发生器2通过内水箱出水管124连通，内水箱出水管124设置在内水箱102上部靠下侧面，可以在一定的条件下允许一定量的水从内水箱出水管124排出，进入氢能发生器2，以向氢能发生器2注入外水箱101融化后的水，补充氢能发生器2内的水，以和反应料持续反应制氢。

当氢能发生器2中产生氢气不足时，内水箱102中氢气压力降低，液位增高，内水箱102中的水则可以通过内水箱出水管124流入氢能发生器2，用以补充水源。当氢能发生器2中产生氢气过量时，氢能发生器2和内水箱102中压力升高，使内水箱102中的水位下降并低于内水箱出水管124管口，此时自动停止供水。若氢能发生器2中水位依然过高，则会迫使多余的水通过水路缓冲管21进入缓存水箱4进行缓存，如此反复，可以使氢气输出压力和流量都保证一个很小范围的波动。

如图2所示，缓存水箱4通过水路缓冲管21和氢能发生器 2连通，以向氢能发生器2内注入缓存水箱4内的水。

示例地，缓存水箱4为上窄下宽结构，上部设置有注水口 41，下部通过水路缓冲管21与氢能发生器2连通，水路缓冲管 21延伸至氢能发生器2底部，以通过水路缓冲管21将缓存水箱4内的水注入氢能发生器2。

水路缓冲管21与氢能发生器2底部有一定的距离，便于多余的水通过水路缓冲管21进入缓存水箱4中。

为精确控制，可根据用电设备所需的氢气量控制制氢量，极地用氢能应急电源装置还包括控制器，内水箱出水管124上设有与控制器电连接的水路调节阀6，氢能发生器2的出氢管道 33上设有与控制器电连接的流量检测器，通过流量检测器检测制得的氢气的流量，并反馈给控制器，控制器根据制得的氢气的流量控制水路调节阀6，从而调节通过内水箱102注入氢能发生器2的水的流量，以控制制氢的速度。

氢气出口管122和用电设备之间设有与控制器电连接的氢气调节阀7，用于调节流向用电设备的氢气的流量。

经过氢气调节阀7调节出氢的压力和流量后，通入用电设备产生电能供后端使用。

控制器和用电设备电连接，以获取用电设备所需的氢气量，对比检测到出氢管道33的出氢量，控制水路调节阀6向氢能发生器2注水的量，然后通过氢气调节阀7微调以进一步精确控制流向用电设备的氢气的流量。

缓存水箱4和水路缓冲管21之间设有截止阀5，截止阀5 与控制器电连接，以自动控制缓存水箱4内的水注入氢能发生器2的量。

氢气出口管122的形状为螺旋状，使氢气出口管122为盘管，可以是螺旋盘管或蚊香盘管，在外水箱101内部盘旋，保证充分的换热后连通至后端用电设备。

氢能发生器2为空腔容器，氢能发生器2内设有并排设置的多个料槽3，料槽3内设有反应料，料槽3的壁上设有料孔 31以露出反应料，注入氢能发生器2内的水与多个料槽3内的反应料同时反应。

将反应料放在料槽3内，料槽3的壁上设置多个料孔31，反应料通过料孔31露出和水接触以反应。

氢能发生器2内设有并排设置的多个料槽3，以分散反应料，料槽3为柱形或方槽型结构，外壳采用镂空或网状结构制作，内部填充由活泼金属及其化合物构成的反应料，注入氢能发生器2内的水与多个料槽3内的反应料同时反应，以达到水和每个料槽3内的反应料均能充分反应的目的，提高反应料的利用率。

氢能发生器2还包括氢气缓存仓22，氢气缓存仓22与多个料槽3分别连通，氢气缓存仓22还与出氢管道33连通。

氢气缓存仓22为空腔结构，氢气缓存仓22与料槽3通过密封结构装配，水与反应料反应产生的氢气储存在氢气缓存仓 22中，氢气缓存仓22和出氢管道33连通。

本实施例还公开了一种电力设备，包括上述实施例的极地用氢能应急电源装置，以及依次连接的燃料电池8、电源控制系统9和用电器11，电源控制系统9还连接二次电池10，燃料电池8和极地用氢能应急电源装置连通。

燃料电池8、电源控制系统9、用电器11和二次电池10可看成用电设备，燃料电池8和氢气出口管122连通，用于向后端的用电设备供电。

燃料电池8为成熟的氢氧一次电池，能够将化学能直接转化为电能，并根据后端负载需求选定输出功率。

电源控制系统9由电子元件组成，主要采集二次电池10的状态信息，一旦二次电池10低于设定值，则控制整套系统进行启动并协调二次电池10和燃料电池8的供电输出，且电源控制系统9具备整流、逆变、监测等功能，可以将二次电池10和燃料电池8的电压和电流经过整流、升降压、逆变等操作，以满足后端用电器11使用，用电器11可为直流或交流的电器。

综上，本实施例提供的电力设备，将冰、雪装填至外水箱 101中，并向缓存水箱4中加入少量的水后，关闭注水口41，打开截止阀5，水通过水路缓冲管21进入氢能发生器2底部，随着液位的增长，水进入料槽3中，与物料进行反应，从而产生氢气和热量，氢气和热量通过出氢管道33进入内水箱102，在内水箱102和氢气出口管122中与外水箱101中的冰、雪等进行换热后，经过氢气调节阀7后调节压力和流量后，通入燃料电池8与空气中的氧气进行反应，产生电能供后端使用。

外水箱101中的冰、雪受热融化成水，并通过内水箱102 下部的内水箱进水口121进入内水箱102中，当氢能发生器2 中产生氢气不足时，内水箱102中氢气压力降低，液位增高，内水箱102中的水则可以通过内水箱102出水口流入氢能发生器2，用以补充水源，当氢能发生器2中产生氢气过量时，氢能发生器2和内水箱102中压力升高，使内水箱102中的水位下降并低于124内水箱102出水口，此时自动停止供水，若氢能发生器2中水位依然过高，则会迫使多余的水通过水路缓冲管 21进入缓存水箱4进行缓存，如此反复，可以是氢气输出压力和流量都保证一个很小范围的波动。

燃料电池8产生电能后，通过电源管理系统进行平衡分配，刚启动为燃料电池8为满功率运行，优先给予用电器11供电，多余的电能给二次电池10充电，当二次电池10充满后，则调节氢气调节阀7，降低进入燃料电池8的氢气量，使之功率降低，从而达到节能降耗的效果。

燃料电池8的耐温很广泛，可在－40℃低温环境持续输出稳定的电能；整套装备克服了传统二次电池10随着气温降低，性能和储电量迅速衰减的缺点，再因为极地区域比较偏僻，运输困难，若采用传统的内燃发电机需要运输原料，且能量密度、能源转化率并不高，而本电力设备就地取材，采用水解制氢技术，可以用少量的物料而产生源源不断的电能，从而减轻了运输的困难；再次，因燃料电池8的原理为氢氧结合，故排放的只有水和少量的氢氧气体，对环境不造成任何的影响和破坏；最后因为氢能量密度高，燃料电池8能量转化率高，故整体能量利用率优于其他传统的发电装备。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极地用氢能应急电源装置，其特征在于，包括水箱、缓存水箱以及分别和所述水箱、所述缓存水箱连通的氢能发生器，所述水箱用于外接用电设备，所述水箱用于储存冰或雪，所述缓存水箱用于储存水，所述氢能发生器内设有反应料，所述缓存水箱内的水进入所述氢能发生器与所述反应料反应以产生氢气，产生的所述氢气输送至所述用电设备，所述水箱设置于所述氢气的输送管路上，所述水箱内储存的冰或雪经所述氢气的热量融化形成的水通过管道流入所述氢能发生器内。

2.根据权利要求1所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述水箱包括外水箱以及设在所述外水箱内的内水箱，所述冰或雪储存在所述外水箱中，所述内水箱上设有连通所述外水箱的内水箱进水口；所述氢能发生器通过出氢管道和所述内水箱连通，所述内水箱通过氢气出口管与所述外水箱连通，所述氢气出口管伸出所述外水箱并连通所述用电设备，所述内水箱和所述氢能发生器通过内水箱出水管连通，以向所述氢能发生器注入所述外水箱融化后的水。

3.根据权利要求2所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，还包括控制器，所述内水箱出水管上设有与所述控制器电连接的水路调节阀，所述出氢管道上设有与所述控制器电连接的流量检测器，所述控制器根据所述流量检测器检测的氢气的流量控制所述水路调节阀，调节通过所述内水箱注入所述氢能发生器的水的流量。

4.根据权利要求3所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述氢气出口管和所述用电设备之间设有与所述控制器电连接的氢气调节阀，用于调节流向所述用电设备的所述氢气的流量。

5.根据权利要求2所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述氢气出口管的形状为螺旋状。

6.根据权利要求3所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述缓存水箱通过水路缓冲管和所述氢能发生器连通，以向所述氢能发生器内注入所述缓存水箱内的水。

7.根据权利要求6所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述缓存水箱和所述水路缓冲管之间设有与所述控制器电连接的截止阀。

8.根据权利要求2所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述氢能发生器内设有并排设置的多个料槽，所述料槽内设有所述反应料，所述料槽的壁上设有多个料孔以露出所述反应料，注入所述氢能发生器内的水与多个料槽内的反应料同时反应。

9.根据权利要求8所述的极地用氢能应急电源装置，其特征在于，所述氢能发生器还包括氢气缓存仓，所述氢气缓存仓与多个所述料槽分别连通，所述氢气缓存仓还与所述出氢管道连通。

10.一种电力设备，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的极地用氢能应急电源装置和依次连接的燃料电池、电源控制系统和用电器，所述电源控制系统还连接二次电池，所述燃料电池和所述极地用氢能应急电源装置连通。

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