基于氢能源的模块化家庭供电系统的制作方法

1.本技术涉及氢能源应用技术领域，特别涉及基于氢能源的模块化家庭供电技术。


背景技术：

2.氢，作为一种极为重要的清洁能源，将会代替化石燃料，在生活中的各个领域占据越来越重大的地位。中国现在已经决定到2030年使二氧化碳排放量达到峰值，到2060年实现碳中和，氢能将会以它独特的优势成为清洁能源的主角。目前氢作为能源的最广泛的使用途径之一就是氢燃料电池，在运输和其他领域发挥着重要的作用。但是目前还未有将氢作为包括家庭供电等日常生活中的主要能源供应方式。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种基于氢能源的模块化家庭供电系统，能够满足以氢能为主的综合供电和零排放、无污染的家庭生活需求。
4.本技术公开了一种基于氢能源的模块化家庭供电系统，包括：
5.供电模块，包括依次连接的副燃料储存与供应装置和燃料电池与电力调节装置，通过该燃料电池与电力调节装置连接第一类用电设备以为其持续供电；
6.至少一个可移动氢燃料电池模块，每个可移动氢燃料电池模块包括燃料储存与供应装置和燃料电池与电力调节装置，该燃料储存与供应装置与该燃料电池与电力调节装置连接以为后者补充氢气，该燃料电池与电力调节装置可产生用于第二类用电设备所需电；
7.总供氢模块，包括依次连接的主燃料储存与供应装置和供氢装置，通过所述主燃料储存与供应装置接入氢气源以为自身补充氢气，通过所述供氢装置分别与所述副燃料储存与供应装置和所述燃料储存与供应装置连接以为所述供电模块和所述可移动氢燃料电池模块供应氢气。
8.在一个优选例中，所述第一类用电设备为交流用电设备；
9.所述第二类用电设备为直流用电设备。
10.在一个优选例中，所述总供氢模块设置为可移动，以方便移动和部署。
11.在一个优选例中，所述至少一个可移动氢燃料电池模块为多个可移动氢燃料电池模块，该多个可移动氢燃料电池模块包含多种不同尺寸规格，以匹配不同用电需求的用电设备。
12.在一个优选例中，所述总供氢模块具有密封壳，密封壳与内部各装置之间的空隙充惰性气体或抽真空处理。
13.在一个优选例中，所述密封壳与内部各装置之间还设有用于防爆检测的传感器。
14.在一个优选例中，所述传感器包括以下的一种或多种：
15.化学传感器、压力传感器、湿度传感器。
16.在一个优选例中，所述供电模块和所述可移动氢燃料电池模块还分别包括水管理装置，用于回收由所在模块中的燃料电池发电所生成的水；
17.所述总供氢模块还包括水集中回收与处理装置，分别与各所述水管理装置连接，用于集中回收和处理由燃料电池所生成的水。
18.在一个优选例中，所述供电模块和所述可移动氢燃料电池模块还分别包括空气供应装置，所述空气供应装置分别与所在模块中的燃料电池与电力调节装置和水管理装置连接，为燃料电池提供发电所需空气。
19.在一个优选例中，所述供电模块和所述可移动氢燃料电池模块还分别包括辅助储能装置，所述辅助储能装置分别与所在模块中的燃料电池与电力调节装置电连接以为自身充电；
20.其中，所述供电模块中的辅助储能装置用于为所在模块内的用电装置和所述总供氢模块中的用电装置供电，所述可移动氢燃料电池模块中的辅助储能装置用于为所在模块内的用电装置供电。
21.在一个优选例中，所述供电模块、所述可移动氢燃料电池模块和所述总供氢模块还分别包括监测与控制装置，用于监测、控制其所在模块中的其他装置的实时状态；
22.所述系统还包括控制模块，其与各所述监测与控制装置通信连接；
23.所述控制模块包括中央处理器、交互界面和网络装置；
24.所述网络装置用于连接用户终端以实现远程监控；
25.所述交互界面用于显示系统中各模块的实时状态和提供用户操作接口。
26.本技术实施方式中，至少包括以下优点和有益效果：
27.将系统中各组成部分进行模块化，为不同类型的用电设备分配不同的用电模块(即供电模块和不同尺寸的可移动氢燃料电池模块)，能够实现以氢能为主要能源的供电方式，只要按需为总供氢模块补充氢气，便能满足家庭生活场所大部分家电设备的电力供给，进而实现以氢能为主的综合供电和零排放、无污染的智能家居生活方式。
28.进一步地，系统中各模块可以作为独立单元进行移动或更换，例如，可方便拆卸和更换总供氢模块，以及在总供氢模块更换或者补充氢气时，由于供电模块中的副燃料储存与供应装置能够维持较长时间的氢气供应，可保证移动、更换总供氢模块时供电模块仍能稳定运行不受影响，提高系统的可靠性。
29.进一步地，系统中各模块内的辅助储能装置能够持续保证监测与控制装置、无线通信等各模块内的用电设施电力供应，在事故切断燃料电池电源后辅助储能装置仍能为内部的安全装置提供电力供应，提高系统的可靠性。
30.进一步地，系统中各模块内的水管理装置或燃料电池产生水集中回收与处理装置能够保证燃料电池产生的水得到合理的处置，不会影响系统的正常运行。
31.此外，本技术的实施方式不受外部电网的影响，尤其适用于远离电网供电的家庭(例如游牧民)，本技术可以为其提供了一种极为安全、有效且稳定的供电方式。
32.在氢能将会作为极为重要的清洁能源的今天，本技术实施方式也为氢能在实际生活的使用提供了一种有效途径。
33.本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各
种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a b c，在另一个例子中公开了特征a b d e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a b c d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a b c e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
34.图1是根据本技术第一实施方式的基于氢能源的模块化家庭供电系统结构示意图。
35.图2是根据本技术第一实施方式的总供氢模块结构示意图。
36.图3是根据本技术第一实施方式的供电模块结构示意图。
37.图4是根据本技术第一实施方式的可移动氢燃料电池模块结构示意图。
38.图5是根据本技术第一实施方式的控制模块结构示意图。
39.其中，
40.101
‑
总供氢模块
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102
‑
供电模块
41.103
‑
可移动氢燃料电池模块
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104
‑
控制模块
42.201
‑
主燃料储存与供应装置
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202
‑
供氢装置
43.203
‑
监测与控制装置
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204
‑
无线通信单元
44.205
‑
水集中回收与处理装置
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206
‑
密封壳
45.301
‑
副燃料储存与供应装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
302
‑
燃料电池与电力调节装置
46.303
‑
监测与控制装置
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304
‑
无线通信单元
47.305
‑
水管理装置
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306
‑
空气供应装置
48.307
‑
辅助储能装置
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401
‑
燃料储存与供应装置
49.402
‑
小型燃料电池与电力调节装置 403
‑
监测与控制装置
50.404
‑
无线通信单元
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
405
‑
水管理装置
51.406
‑
空气供应装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
407
‑
辅助储能装置
52.501
‑
中央处理器
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502
‑
交互界面
53.503
‑
网络装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
504
‑
无线通信单元
具体实施方式
54.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
55.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
56.本技术的第一实施方式涉及一种基于氢能源的模块化家庭供电系统，其结构如图1所示，该系统包括总供氢模块101、供电模块102和多个不同尺寸规格的可移动氢燃料电池模块103。
57.如图3所示，供电模块102包括依次连接的副燃料储存与供应装置301和燃料电池
与电力调节装置302，通过燃料电池与电力调节装置302连接第一类用电设备以为第一类用电设备持续供电。其中，第一类用电设备为交流用电设备，燃料电池与电力调节装置302能够将燃料电池产生的直流电转变为第一类用电设备所需的交流电，并随用电负荷调节功率输出。以传统家庭的家用电器供电系统为例，该第一类用电设备例如可以为冰箱、洗衣机、空调等。
58.可选地，如图3所示，供电模块102还包括水管理装置305和空气供应装置306，水管理装置305用于回收由模块内燃料电池发电所生成的水，空气供应装置306与水管理装置305连接，借助水管理装置305所供应的水进行空气润湿，同时空气供应装置306与燃料电池与电力调节装置302连接为燃料电池提供发电所需空气。
59.如图1所示，可移动氢燃料电池模块103可以设置多个，包含多种尺寸规格，根据所应用设备不同，具有不同的尺寸规格，可方便用户根据使用需求(例如使用时间)选择合适尺寸规格的电池。
60.如图4所示，可移动氢燃料电池模块103包括燃料储存与供应装置401和小型燃料电池与电力调节装置402，燃料储存与供应装置401与小型燃料电池与电力调节装置402连接以为小型燃料电池与电力调节装置402补充氢气，小型燃料电池与电力调节装置402根据需要电连接到第二类用电设备以为其供电，同时调节燃料电池的输出功率以适应第二类用电设备。
61.可选地，如图4所示，可移动氢燃料电池模块103还包括水管理装置405和空气供应装置406，水管理装置405用于回收由模块内的燃料电池发电所生成的水，空气供应装置406与水管理装置405连接，借助水管理装置405所供应的水进行空气润湿，同时空气供应装置406与小型燃料电池与电力调节装置402连接为燃料电池提供发电所需空气。
62.可选地，燃料储存与供应装置401具有进氢接口和出氢接口，充氢接口附近设置有小型燃料电池与电力调节装置402的安装槽以便于与小型燃料电池与电力调节装置402连接为其补充氢气。
63.第二类用电设备为直流用电设备或交流用电设备，可移动氢燃料电池模块内的小型燃料电池与电力调节装置可以实现直流或交流输出。以传统家庭供电系统为例，第二类用电设备例如可以是现有的收音机、刮胡刀、笔记本电脑、吸尘机、电风扇、电暖炉等用电设备，将小型燃料电池与电力调节装置402的电源输出接口制作成与设备电源输入接口相匹配的接口形式。为了方便使用，还可以对第二类用电设备进行改进，例如，第二类用电设备被改进为具有安装可移动氢燃料电池模块的供电槽，使用第二类用电设备时，就可以根据需求选择合适的可移动氢燃料电池模块并安装到供电槽中以为设备供电，待使用结束，拆下可移动氢燃料电池模块返还到总供氢模块101中及时进行补充氢气。
64.如图2所示，总供氢模块101包括依次连接的主燃料储存与供应装置201和供氢装置202，通过主燃料储存与供应装置201接入氢气源以为自身补充氢气，通过供氢装置202分别与副燃料储存与供应装置301和燃料储存与供应装置401的进氢接口连接以为供电模块102和可移动氢燃料电池模块103供应氢气。
65.可选地，如图2所示，总供氢模块101还包括水集中回收与处理装置205，分别与水管理装置305、405连接，用于集中回收和处理水管理装置305、405中的水。例如，水管理装置305、405将模块中的燃料电池发电产生的水进行收集并通过连接管道定量输送到总供氢模
块中的水集中回收与处理装置205，例如，连接管道上设有阀门，水管理装置中水量达到预设门限后开启阀门。
66.可选地，总供氢模块101还具有密封壳205，密封壳205与内部各装置之间的空隙优选地充保护气体或抽真空，该保护气体例如可以为惰性气体。
67.可选地，密封壳205与内部各装置之间的还设有用于防爆防漏检测的传感器，例如可以但不限于包括以下的一种或多种传感器：化学传感器、压力传感器、湿度传感器等。
68.可选地，总供氢模块101设置为整体可移动，例如可以在总供氢模块101的底部设置移动组件(例如但不限于万向轮、滑轮等)，便于移动至氢气源补充氢气和根据需要更改部署位置。
69.可选地，该系统中各模块可以作为独立单元进行移动或更换。例如，总供氢模块101中供氢装置202与供电模块102中的副燃料储存与供应装置301之间采用可拆卸连接结构连接，例如但不限于快卸接头等，可方便拆卸和更换总供氢模块101；以及在总供氢模块101更换或者补充氢气时，由于供电模块102中的副燃料储存与供应装置能够维持较长时间的氢气供应，可保证移动、更换总供氢模块101时供电模块102仍能稳定运行不受影响。
70.需要指出，本技术中的总供氢模块101、供电模块102、可移动氢燃料电池模块103之间氢气传输通道采用适配的接口连接，优选地均采用通用氢气传送接口，并且第二类用电设备与氢燃料电池之间采用匹配的电源接口，从而保证了整个系统的连贯性和有效配合。
71.可选地，各供氢、补氢连接接口处设置至少一个控制阀，该控制阀例如为手动控制阀门或者自动控制阀。以自动控制阀门为例，可移动氢燃料电池模块103中，燃料储存与供应装置401与每个小型燃料电池与电力调节装置充氢连接接口处设有自动控制阀门，其被配置为根据小型燃料电池与电力调节装置中的气压大小自动控制阀门打开或关闭。
72.可选地，总供氢模块101、供电模块102和可移动氢燃料电池模块103还分别包括监测与控制装置203、303和403，用于监测、控制其所在模块中的各装置的工作和使用状态等，例如但不限于监测补氢与储氢装置中的氢气量、小型燃料电池与电力调节装置氢气补充情况等。
73.可选地，监测与控制装置203、303和403还用于监测其所在模块的氢气泄漏情况、电路故障等状态信息，以及在监测到危险状态时立即控制关闭所在模块的氢气输送阀门、电源，并向控制模块104发送事故信息。
74.可选地，如图3和4所示，供电模块102还包括辅助储能装置307，可移动氢燃料电池模块103还包括辅助储能装置407，其中，辅助储能装置307用于为所在模块内的用电装置和总供氢模块101中的用电装置供电，辅助储能装置407用于为所在模块内的用电装置供电。
75.可选地，如图1所示，该系统还包括控制模块104，其与各模块中的监测与控制装置203、303和403通信连接，以进行信息交互，并利用控制模块104对系统中各模块的工作和使用状态进行监测和控制，例如，控制阀门开关、电源开关、定时设置，以及显示燃料储存与供应装置中的氢气量和小型燃料电池与电力调节装置中的氢气量等，从而实现智能家庭。
76.可选地，如图5所示，控制模块104由供电模块102中的辅助储能装置307供电。
77.可选地，如图5所示，控制模块104还包括中央处理器501、交互界面502和网络装置503，其中网络装置503用于连接用户终端以实现远程监控，交互界面502用于显示系统中各
模块的实时工作和使用状态和提供用户操作接口，中央处理器501用于处理从系统中各模块以及从交互界面502、网络装置503发送的数据。
78.可选地，总供氢模块101、供电模块102和可移动氢燃料电池模块103中的监测与控制装置203、303和403还用于监测其所在模块的氢气泄漏情况、电路故障等状态信息，在监测到危险状态时立即关闭所在模块的供氢阀门、电源，并向控制模块104发送事故信息，从而实现告警与监控功能。
79.可选地，总供氢模块101、供电模块102和可移动氢燃料电池模块103还分别包括无线通信单元204、304和404，并且控制模块104也包括无线通信单元504，如图5所示，控制模块104与各模块通过各自的无线通信单元进行信息交互。
80.使用第一实施方式的基于氢能源的模块化家庭供电系统时，例如先总供氢模块检测到自身储存氢气小于预设门限，提醒用户移动总供氢模块到氢气源处补充氢气；然后将总供氢模块的供氢装置分别与供电模块的副燃料储存与供应装置和至少一个可移动氢燃料电池模块的燃料储存与供应装置连接；然后将供电模块的燃料电池与电力调节装置电连接到第一类用电设备以为其持续供电；然后使用第二类用电设备时，根据需要从至少一个可移动氢燃料电池模块中取出一个并将所取出的可移动氢燃料电池模块的小型燃料电池与电力调节装置与第二类用电设备电连接以为其供电。
81.可选地，可移动氢燃料电池模块设置多个，还包含多种尺寸规格以匹配不同用电需求的用电设备，以方便用户根据使用时间选择合适尺寸规格的电池。在使用第二类用电设备时，根据使用时长从多个可移动氢燃料电池模块中取出匹配尺寸规格的小型燃料电池与电力调节装置并将其与第二类用电设备电连接以为其供电。
82.需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
83.在本技术提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本技术的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本技术的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所要求保护的范围。