基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统。


背景技术：

2.使用氢气的质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、清洁无污染等优点，已进入商业化使用。燃料电池运行时，氢气供给是非常重要的环节。基于储氢合金的固态储氢装置作为燃料电池供氢氢源具有安全高效、氢气纯度高等特点，在燃料电池应急发电系统领域应用潜力大。
3.储氢合金吸氢过程放热，放氢过程需要吸热，温度对于储氢合金的吸放氢性能影响显著，因此，固态储氢装置对环境温度较为敏感。常规的固态储氢装置在环境温度较低情况下，放氢平台压相对较低，放氢响应速度较差，无法持续以额定的压力和流量供氢。为了保证顺利供氢，在环境温度较低情况下，需要对固态储氢装置进行加热。但是固态储氢装置加热升温过程中需要耗费一定时间，导致燃料电池无法做到随时发电。
4.利用燃料电池发电过程产生的废热供固态储氢装置加热释放氢气可以提高整个系统的能量利用率。但是在环境温度较低情况下，常规的固态储氢装置的供氢量通常难以保证燃料电池启动。


技术实现要素：

5.基于此，提出一种基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统，以确保燃料电池在不同温度下随时响应用电需求，立即进入工作状态。
6.一种基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统，所述系统包括：
7.燃料电池；
8.第一储氢装置，内部装填第一储氢合金，所述第一储氢合金能够在环境温度为零下15℃条件下释放氢气；
9.第二储氢装置，内部装填第二储氢合金，所述第二储氢合金能够在环境温度为25℃条件下释放氢气，所述第二储氢装置的外部设有加热模块，所述加热模块与所述燃料电池电性连接，所述加热模块能够给所述第二储氢装置加热；
10.供氢通道，包括第一供氢管路和第二供氢管路，所述第一供氢管路包括a1端、a2端以及a3端，所述a1端和所述a3端均与所述a2端相连通，所述a1端与所述第一储氢装置的氢气进出口连通，所述a2端与所述燃料电池的氢气进入口连通；所述第二供氢管路包括相对的b1端和b2端，所述b1端与所述第二储氢装置的氢气进出口连通，所述b2端与所述a3端连通。
11.上述系统，由于第一储氢装置中装填有第一储氢合金能够在零下15℃释放氢气，因此在环境温度为较低温度下，第一储氢装置中的第一储氢合金能够将其释放的氢气沿第一供氢管路输送到燃料电池的氢气进出口，以此实现在环境温度为低温下为燃料电池供
氢。第一储氢合金在释放氢气的过程需要吸热，其可以通过吸收周围环境中的热量来实现持续释放氢气。在第一储氢装置为燃料电池供氢的过程中，燃料电池能够为加热模块供电，从而使得加热模块为第二储氢装置加热。当第二储氢装置的温度达到25℃时，此时系统再切换为第二储氢装置为燃料电池供氢。而在环境温度为常温下，第二储氢装置中的第二储氢合金能够释放氢气，沿第二供氢管路向燃料电池供氢。通过第一储氢装置和第二储氢装置能够实现在环境温度为较低温度和常温情况下氢气对燃料电池的供应，以此确保燃料电池在不同温度下随时响应用电需求，并立即进入工作状态，避免了现有的固态储氢装置加热升温的过程中需要耗费一定的时间，难以保证其快速向燃料电池供氢的问题。
12.在其中一个实施例中，所述第一储氢装置包括多个第一储氢罐或第一储氢列管，多个所述第一储氢罐或所述第一储氢列管内均装填所述第一储氢合金。
13.在其中一个实施例中，所述第一储氢合金包括钛锰系ab2储氢合金。
14.在其中一个实施例中，所述第二储氢装置包括多个第二储氢罐或第二储氢列管，多个所述第二储氢罐或所述第二储氢列管内均装填所述第二储氢合金。
15.在其中一个实施例中，所述第二储氢合金包括稀土系ab5储氢合金。
16.在其中一个实施例中，所述a3端设于所述a1端与所述a2端之间，所述a1端与所述a3端之间设置有第一控制阀，所述第一控制阀控制所述第一储氢装置向所述燃料电池供氢，所述b1端与所述b2端之间设置有第二控制阀，所述第二控制阀防止所述第一供氢管路的氢气进入到所述第二储氢装置内；
17.所述第二储氢装置的氢气进出口设有压力检测模块，所述压力检测模块通过检测所述第二储氢装置的氢气进出口的氢气压力来控制所述第一控制阀开启和关闭。
18.在其中一个实施例中，所述供氢通道还包括第三供氢通道，所述第三供氢通道包括相连通的c1端和c2端，所述c1端与所述c2端之间设置有第三控制阀；所述第一储氢装置的氢气进出口处设有计量模块，所述计量模块能够统计所述第一储氢装置的氢气排出量和进入量，并控制所述第三控制阀工作；
19.所述c1端与所述a1端到所述a3端之间的管路连通；
20.所述c2端与所述b1端到所述b2端之间的管路连通。
21.在其中一个实施例中，所述系统还包括控制模块，所述控制模块与所述燃料电池、所述加热模块、所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述压力检测模块、所述第三控制阀以及所述计量模块电性连接，并能够控制其工作。
22.在其中一个实施例中，所述第一储氢装置外部设有换热外壳。
23.在其中一个实施例中，所述第二储氢装置还设有保温外壳。
附图说明
24.图1为本发明一实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的模块示意图；
25.图2为本发明另一实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的模块示意图；
26.图3为本发明另一实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的模块示意图；
27.图4为本发明另一实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的模块示意图。
28.附图标号说明：
29.100、燃料电池；
30.200、第一储氢装置；210、计量模块；220、换热外壳；
31.300、第二储氢装置；310、加热模块；320、压力检测模块；330、保温外壳；
32.400、供氢通道；410、第一供氢管路；411、第一控制阀；420、第二供氢管路；421、第二控制阀；430、第三供氢管路；431、第三控制阀。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
39.基于储氢合金的固态储氢装置作为燃料电池供氢氢源具有安全高效、氢气纯度高
等特点，在燃料电池应急发电系统领域应用潜力大。储氢合金吸氢过程放热，放氢过程需要吸热，温度对于储氢合金的吸放氢性能影响显著，因此，固态储氢装置对环境温度较为敏感。常规的固态储氢装置在环境温度较低情况下，放氢平台压相对较低，放氢响应速度较差，无法持续以额定的压力和流量供氢。为了保证顺利供氢，在环境温度较低情况下，需要对固态储氢装置进行加热。但是固态储氢装置加热升温过程中需要耗费一定时间，导致燃料电池无法做到随时发电。
40.利用燃料电池发电过程产生的废热供固态储氢装置加热释放氢气可以提高整个系统的能量利用率。但是在环境温度较低情况下，常规的固态储氢装置的供氢量通常难以保证燃料电池启动。为此，本发明提出一种基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统，以确保燃料电池在不同温度下随时响应用电需求，立即进入工作状态。
41.参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的模块示意图，本发明一实施例提供了的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统，包括：燃料电池100、第一储氢装置200、第二储氢装置300以及供氢通道400。其中燃料电池100能够为系统以及外部其它设备供电，第一储氢装置200能够实现在环境温度为低温条件下氢气释放，一般指的是环境温度为零下15℃；第二储氢装置300能够实现在环境温度为常温条件下氢气释放，一般指的是环境温度为25℃；供氢通道400能够将第一储氢装置200和第二储氢装置300释放的氢气输送给燃料电池100。
42.具体地，第一储氢装置200内部装填第一储氢合金(图中未显示)，其中第一储氢合金能够在环境温度为零下15℃条件下释放氢气，且氢气压力不低于0.4mpa，此时可以满足燃料电池100的供氢需求。
43.第二储氢装置300内部装填第二储氢合金(图中未显示)，其中第二储氢合金能够在环境温度为25℃条件下释放氢气，且氢气压力不低于0.4mpa,也就是说第二储氢装置300可以在环境温度为常温条件下满足燃料电池100的供氢需求。第二储氢装置300的外部设有加热模块310，其中加热模块310与燃料电池100电性连接，加热模块310能够给第二储氢装置300加热。需要说明的是，在环境温度为低温条件下，当第一储氢装置200为燃料电池100供氢时，此时加热模块310能够利用燃料电池100的电能为第二储氢装置300加热，当第二储氢装置300加热放氢达到对燃料电池100的供氢要求时，此时第二储氢装置300能够在环境温度为低温的条件下向燃料电池100供氢。
44.供氢通道400包括第一供氢管路410和第二供氢管路420，其中第一供氢管路410包括a1端、a2端以及a3端，其中，a1端和a3端均与a2端相连通，第一供氢管路410的a1端与第一储氢装置200的氢气进出口连通，第一供氢管路410的a2端与燃料电池100的氢气进入口连通；第二供氢管路420包括相对的b1端和b2端，第二供氢管路420的b1端与第二储氢装置300的氢气进出口连通，第二供氢管路420的b2端与第一供氢管路410的a3端连通。
45.进而对本实施例中的基于固态储氢技术的燃料电池应急发电系统的工作原理进行说明，在环境温度为低温条件下，第一储氢装置200装填的第一储氢合金能够在该温度下释放氢气，第一储氢装置200释放的氢气能够沿第一供氢管路410的a1端和a2端进入到燃料电池100的氢气进入口，以此实现燃料电池100在低温条件下的启动。当燃料电池100启动后，燃料电池100产生的电能能够为加热模块310供电，加热模块310能够为第二储氢装置300加热。当第二储氢装置300加热放氢达到对燃料电池100的供氢要求后，第二储氢装置
300释放的氢气沿第二供氢管路420的b1端、b2端、第一供氢管路410的a3端、a2端到达燃料电池100的氢气进入口。需要说明的是，在第一储氢装置200对燃料电池100供氢时，第二储氢装置300可以选择关闭，也就是关闭第二储氢装置300的氢气进出口，例如通过控制阀门实现，避免第二储氢装置300吸收第一储氢装置200释放的氢气；或者第二储氢装置300也可以选择不关闭，在第二供氢管路420上设置单向控制阀，如此第一供氢管路410的氢气被单向控制阀限制无法进入到第二供氢管路420内，从而避免第二储氢装置300吸收第一储氢装置200释放的氢气。另外，第一储氢装置200占系统总储氢量的10％～50％，第二储氢装置300占系统总储氢量的50％～90％。为此，在环境温度为低温条件下，通过加热模块310为第二储氢装置300加热，使得第二储氢装置300能够释放氢气，以满足燃料电池100对氢气的需求。
46.在环境温度为常温条件下，第二储氢装置300内的第二储氢合金能够释放氢气沿第二供氢管路420的b1端、b2端、第一供氢管路410的a3端、a2端到达燃料电池100的氢气进入口。在此过程中可以不对第二储氢装置300加热，第二储氢装置300中的第二储氢合金能够利用环境温度中的空气热量来释放氢气。当然，也可以开启加热模块310为第二储氢装置300加热。第一储氢装置200可以选择不对燃料电池100供氢，也就是可以关闭第一储氢装置200的氢气进出口。
47.在本实施例中，通过第一储氢装置200和第二储氢装置300能够实现在环境温度为低温和常温情况下氢气对燃料电池100的供应，以此确保燃料电池100在不同温度下随时响应用电需求，并立即进入工作状态，避免了现有的固态储氢装置加热升温的过程中需要耗费一定的时间，难以保证其快速向燃料电池供氢的问题。
48.为了确保第一储氢装置200在环境温度为低温条件下的氢气供应，一实施例中，第一储氢装置200包括多个第一储氢罐或第一储氢列管(图中未显示)，其中多个第一储氢罐内或第一储氢列管内均装填第一储氢合金。在环境温度为低温条件下，通过多个第一储氢罐或第一储氢列管内的第一储氢合金同时释放氢气，能够满足燃料电池100对氢气的需求。
49.进一步地，一实施例中，第一储氢装置200包括3个第一储氢罐，每个第一储氢罐的材质均为6061铝合金，每个第一储氢罐的放氢量为400l，共计为1200l。第一储氢合金包括钛锰系ab2储氢合金。在本实施例中，第一储氢装置200在环境温度为零下15℃低温条件下的放氢压力不低于0.5mpa，在环境温度为25℃常温条件下放氢气压不高于10mpa。
50.为了确保第二储氢装置300在常温条件下的氢气供应，一实施例中，第二储氢装置300包括多个第二储氢罐或第二储氢列管(图中未显示)，其中多个第二储氢罐内或第二储氢列管内均装填第二储氢合金。在常温条件下，通过多个第二储氢罐内或第二储氢列管内的第二储氢合金同时释放氢气，能够满足燃料电池100对氢气的需求。
51.进一步地，一实施例中，第二储氢装置300包括7个第二储氢罐，每个第二储氢罐的材质均为6061铝合金，每个第二储氢罐的放氢量为400l，共计为2800l。第二储氢合金包括稀土系ab5储氢合金。在本实施例中，第二储氢装置300在25℃常温条件下的放氢压力不低于0.5mpa，在60℃高温条件下的放氢压力不低于10mpa。
52.为了实现在环境温度为低温条件下对第一储氢装置200和第二储氢装置300的供氢模式切换，一实施例中，参阅图2所示，第一供氢管路410的a3端设于第一供氢管路410的a1端与第一供氢管路410的a2端之间，在第一供氢管路410的a1端与第一供氢管路410的a3
端之间设置有第一控制阀411，第一控制阀411控制第一储氢装置200向燃料电池100供氢，在第二供氢管路420的b1端与第二供氢管路的b2端之间设置有第二控制阀421，其中第二控制阀421能够防止第一供氢管路410的氢气进入到第二储氢装置300内。第二储氢装置300的氢气进出口设有压力检测模块320，其中压力检测模块320检测第二储氢装置300的氢气进出口的氢气压力并控制第一控制阀411开启和关闭。
53.也就是说，在环境温度为低温条件下，首先是第一储氢装置200沿第一供氢管路410向燃料电池100供氢，第二供氢管路420上的第二控制阀421能够防止第一储氢装置200释放的氢气沿第二供氢管路420进入到第二储氢装置300内，第二控制阀421可以为电磁式单向阀，其工作压力为4～10mpa，最大耐压能力为15mpa或更高。然后，当压力检测模块320检测到第二储氢装置300释放的氢气压力达到要求后，此时压力检测模块320可以关闭第一控制阀411，即第一储氢装置200不对燃料电池100供氢。需要说明的是，第一控制阀411可以为电磁式的截止阀。压力检测模块320可以与第一控制阀411通信，例如压力检测模块320与第一控制阀411电性连接或者采用无线通信的方式，例如压力检测模块320能够通过高低电平控制第一控制阀411工作。
54.进一步地，由于第一储氢装置200在环境温度为低温条件下存在氢气消耗，为了使得燃料电池100在下次环境温度为低温条件下能够启动，也就是第一储氢装置200依旧能够满足供氢需求，需要对第一储氢装置200补充氢气。一实施例中，参阅图3所示，供氢通道400还包括第三供氢管路430，其中第三供氢管路430包括相连通的c1端和c2端，第三供氢管路430的c1端与第三供氢管路430的c2端之间设置有第三控制阀431，第一储氢装置200的氢气进出口处设有计量模块210，计量模块210能够统计第一储氢装置200的氢气排出量和进入量，并控制第三控制阀431工作；第三供氢管路430的c1端与第一供氢管路410的a1端到所述第一供氢管路410的a3端之间的管路连通；第三供氢管路430的c2端与第二供氢管路420的b1端到所述第二供氢管路420的b2端之间的管路连通。其中第三控制阀431为电磁式单向阀，其工作压力为4～10mpa，最大耐压能力为15mpa或更高。第三控制阀431只能允许第二储氢装置300的氢气沿第三供氢管路430进入第一储氢装置200内，从而对第一储氢装置200补氢。
55.本实施例中的工作原理可以解释为，在环境温度为低温条件下，当第二储氢装置300满足向燃料电池100供氢条件时，第一控制阀411关闭，即此时第一储氢装置200停止向燃料电池100供氢，转为第二储氢装置300向燃料电池100供氢，第二储氢装置300向第一储氢装置200补充其消耗的氢气。也就是第二储氢装置300能够向燃料电池100以及第一储氢装置200同时供氢。
56.具体地，在第一储氢装置200向燃料电池100供氢的过程中，位于第一储氢装置200的氢气进出口的计量模块210能够统计第一储氢装置200的氢气释放量，位于第一供氢管路410的a1端和第一供氢管路410的a3端之间的第一控制阀411开启使得第一供氢管路410导通；位于第三供氢管路430的c1端和c2端的第三控制阀431，由于其单向导通作用，第一供氢装置200的氢气无法沿第三供氢管路430流入到第二储氢装置300内。此时第一储氢装置200释放的氢气通过第一供氢管路410到达燃料电池100的氢气进入口。当第二储氢装置300能够向燃料电池100供氢时，此时位于第一供氢管路410的a1端和第一供氢管路410的a3端之间的第一控制阀411关闭，第二储氢装置300释放的氢气能够分别沿第二供氢管路420的b1
端、b2端到达第一供氢管路410的a3端，然后再通过a2端到达燃料电池100的氢气进入口；第二储氢装置300释放的氢气还能够沿第三供氢管路430的c2端、c1端以及第一供氢管路的a1端到达第一储氢装置100内。
57.计量模块210能够统计氢气进入到第一储氢装置200的进入量。如果计量模块210统计的氢气进入量达到氢气的释放量时，此时计量模块210控制第三控制阀431关闭，即氢气无法通过第三供氢管路430到达第一储氢装置200，也就是对第一储氢装置200补氢完毕。需要说明的是，计量模块210与第三控制阀431能够通信，例如计量模块210与第三控制阀431电性连接或者采用无线通信，计量模块210能够通过高低电平控制第三控制阀431工作。
58.为了实现基于固态储氢技术的燃料电池100应急发电系统的智能化控制，一实施例中，该系统还包括控制模块(图中未显示)，其中控制模块与燃料电池100、加热模块310、第一控制阀411、第二控制阀421、压力检测模块320、第三控制阀431以及计量模块210电性连接，并能够控制其工作。
59.为了使得外界热源更好地传递到第一储氢装置200，一实施例中，参阅图4所示，第一储氢装置200外部设有换热外壳220，外界热源能够沿换热外壳220进入到第一储氢装置200，以满足第一储氢装置200在供氢过程中的热量需求。换热外壳220可以包括翅片状或鳍片状结构，如此能够使得外界热量更好地传递到第一储氢装置200。
60.为了防止第二储氢装置300的热量散失，一实施例中，参阅图4所示，第二储氢装置300还设有保温外壳330，保温外壳330防止第二供氢模块热量散失。其中保温外壳330材质可为聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫铝、氧化铝或石棉等。
61.在另一实施例中，加热模块310包括热冷水槽(图中未显示)或换热盘(图中未显示)。例如，当加热模块310包括热冷水槽时，热冷水槽能够使得燃料电池100与第二储氢装置300之间构成水循环，即能够将燃料电池100的废热供给第二储氢装置300加热。
62.一实施例中，在第二储氢装置300上还设置有报警模块(图中未显示)，报警模块包括温度传感器，能够检测获取第二储氢装置300的温度，并结合压力检测模块320获取的第二储氢装置300的氢气压力信息判读第二储氢装置300是否需要补氢。当报警模块检测到第二储氢装置300的温度区间在25℃～60℃，但第二储氢装置300的氢气压力小于0.4mpa时，报警模块发出警报，以提示向第二储氢装置300补氢。
63.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
64.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。