一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置及供电方法与流程

1.本发明属于供电装置技术领域，具体涉及一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置及供电方法。


背景技术：

[0002]“氢”由于其丰富、无污染且可再生，兼具有高的能量密度，因此氢能被认为是二十一世纪最有发展潜力的清洁能源之一。氢燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，其发电不受卡诺循环限制，发电效率可达85～90％，能量转化效率比国内内燃机高2～3倍，无机械部件，安静无噪声，无污染，启动快，在便携式电源领域具有良好的应用前景。氢燃料电源启动快、保温问题小、结构简单模块单元化可靠性高且发电过程无污染；氢燃料电池中的质子交换膜在电堆工作时需要一定湿度，以水解储氢材料为氢源给燃料电池供给氢气，安全性高，避免高压运输和高压释氢，可实现实时即用即制取，同时对质子交换膜有一定自增湿作用。
[0003]
现有技术[cn 213483787 u 2021.06.18]提供一种单兵作战用便携式氢能电源，其设有水箱，动作机构，反应机构和供电机构，但加液需要多次操作，反应室分为多层，同时结构较复杂，加入样品需包裹处理，整体使用步骤较繁琐。
[0004]
现有技术[cn 110265691 a 2019.09.20]提供一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统，整体装置控制部分完善，适用于水解材料释氢，但仍存在结构复杂，成本较高，质量体积大，无法在低温下运行等问题。
[0005]
现有的针对氢燃料电池的供电装置，有的功能单一，不能控制反应过程进行，使用不便；有的结构复杂，体积重量大，不方便操作；有的适应性差，低温环境下无法单独运行，需要辅助装置和额外供电，能量利用率低。因此，氢能燃料电池的环境适应性十分重要。


技术实现要素：

[0006]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置及供电方法，以解决目前氢燃料电池供电装置不能控制反应过程进行；结构复杂，体积重量大，不方便操作；环境适应性差，低温环境下无法单独运行，需要辅助电源和能量利用率低的技术问题。
[0007]
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0008]
本发明公开了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置，包括水解制氢单元、气压测量控制单元和燃料电池启动输出单元；水解制氢单元的氢气出口与气压测量控制单元的气路氢气入口相连通；燃料电池启动输出单元的进气口与气压测量控制单元气路输出口相连通；
[0009]
燃料电池启动输出单元包括氢燃料电池、负载部分和低温启动单元，低温启动单元用于在低温时启用氢燃料电池，氢燃料电池的电源接口连接负载部分接口；
[0010]
低温启动单元包括低温启动装置i和低温启动装置ii，在-10～0℃时通过低温启动装置i启用氢燃料电池，在-40～-10℃时通过低温启动装置ii启用氢燃料电池。
[0011]
进一步的，所述低温启动装置i包括散热风扇和螺旋加热气路，螺旋加热气路设置在氢燃料电池的电堆面，散热风扇设置在氢燃料电池电堆面的反面。
[0012]
进一步的，所述水解制氢单元包括储液罐和反应罐，反应罐和储液罐通过平衡气路连接；在储液罐上方通过管路连接四通阀，四通阀一路连接进液口控制阀，一路连接抽真空控制阀，另一路连接平衡气路，储液罐下方通过进液管路与反应罐连接，在进液管路上设有能够控制液体流速的反应液控制阀；
[0013]
反应罐上设有供氢气路的气路出口和加料口，供氢气路的气路出口安装卸荷阀；反应罐内部装有储氢材料；
[0014]
储氢材料为石墨烯界面纳米阀固态储氢材料、硼氢化钠或氢化镁中的一种。
[0015]
进一步的，所述低温启动装置ii为安装在反应罐外部的可拆卸式换热装置，可拆卸式换热装置由相变材料、保温护套、导热层、传热连接管路、散热区和换料口组成；
[0016]
导热层、相变材料、导热层和保温护套从内到外依次设置在反应罐的外部，换料口设置在保温护套的一侧，散热区设置在氢燃料电池的电堆面与螺旋加热气路之间的空隙区；传热连接管路与散热区相交汇。
[0017]
进一步的，相变材料为液气相变材料或者固液相变材料，通过换料口加入，换料口带有开关阀门。
[0018]
进一步的，导热层包覆于相变材料的外部，导热层采用导热硅胶片或氧化铝陶瓷薄片；
[0019]
可拆卸式换热装置中在导热层的外部和传热管道外部均加上保温护套，保温护套采用轻质塑料或pvc材料。
[0020]
进一步的，气压测量控制单元包括若干控制器件，若干控制器件均设置在反应罐与燃料电池启动输出单元之间的管路上；
[0021]
控制器件包括卸荷阀、正压压力表、第一控制阀、减压阀、第二控制阀、正负压压力表和单向阀，正压压力表和正负压压力表安装在供氢气路上，正压压力表和正负压压力表中间分为两个并联支路，一路为减压阀和第一控制阀，另一路为第二控制阀，单向阀安装在氢燃料电池的进氢入口之前。
[0022]
进一步的，氢燃料电池为质子交换膜燃料电池，氢燃料电池进气口的氢气正常工作压强范围为0.045～0.065mpa；负载部分应与氢燃料电池功率相匹配。
[0023]
本发明还公开了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置的供电方法，储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置的供电方法包括0℃以上常温供电模式和零下低温供电模式；0℃以上常温供电模式下直接启动氢燃料电池；
[0024]
零下低温供电模式下启动分为两种情况，一种为在-10～0℃时，通过低温启动装置i启用氢燃料电池，另一种为在-40～-10℃时，通过低温启动装置ii启用氢燃料电池。
[0025]
进一步的，低温启动装置i通过平衡气路在氢燃料电池的电堆面进行螺旋绕向作为螺旋加热气路，使得氢燃料电池低温下顺利启动；
[0026]
低温启动装置ii通过加入可拆卸式换热装置至反应罐外部，可拆卸式换热装置内部使用液气或固液相变材料循环，从而利用水解反应热量使得氢燃料电池低温下顺利启
动。
[0027]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028]
本发明公开了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置，包括水解制氢单元、气压测量控制单元和燃料电池启动输出单元；水解制氢单元的氢气出口与气压测量控制单元的气路氢气入口相连通，燃料电池启动输出单元的进气口与气压测量控制单元气路输出口相连通，可以充分发挥制氢、用氢一体化的优势，保证系统正常运行；氢燃料电池的电源接口连接负载部分接口，由氢燃料电池直接实现化学能转化成电能，可使整个装置无需外接电源和内部锂电池供电等外来能耗，使结构简化；燃料电池启动输出单元设有低温启动装置，为在低温环境时启动使用氢燃料电池，可解决目前氢燃料电池供电装置环境适应性差，低温下无法单独运行的问题。因此本发明的氢能供电装置填补了这一空白。
[0029]
进一步的，水解制氢单元中的进液管路上安装反应液控制阀，用于控制反应的进程和反应速度；通过控制器件中的减压阀控制气压，控制阀进行保压使得氢燃料电池工作时进气口氢气压强在0.045～0.065mpa之间，以保证足够的氢气流量从而使得氢燃料电池稳定工作，进而可以控制氢燃料电池的停启，控制反应过程的进行。
[0030]
进一步的，氢源部分优先使用石墨烯界面纳米阀固态储氢材料，同时该种材料可以在-40-85℃范围内常压水解释氢，同时无需催化剂，水解释氢出的氢气会带有少量水蒸气有利于电堆膜湿润反应，因此整体无需冷却和干燥装置，使得整个氢燃料电池体积重量小，可减小整个装置体积。
[0031]
进一步的，可拆卸式换热装置中相变材料使用液气相变材料或者固液相变材料进行热量传递循环，并且根据不同环境温度可以选取不同沸点熔点的相变材料通过换料口加入，换料口带有开关阀门可以防止相变材料泄露造成危险，同时换料口可以用于抽真空使用，防止部分相变材料与空气混合发生燃烧爆炸危险等；保温护套使用轻质塑料或pvc材料可以防止环境温度影响换热装置的传热过程。
[0032]
本发明还公开了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置的供电方法，可适用于不同环境场景下稳定运行，利用储氢材料发生水解反应时放出大量热，释放带有一定热量的氢气，装置在低温下首先反应氢气热量，在-10～0℃低温下设置螺旋加热气路使氢燃料电池能顺利启动，并在-40～-10℃低温下增加可拆卸式换热装置利用相变材料将反应罐内水解反应产生的大量热存储转移到氢燃料电池的电堆附近使得氢燃料电池可以在低温下顺利启动。
附图说明
[0033]
图1为本发明的内部结构示意图；
[0034]
图2为本发明的平衡气路加热示意图；
[0035]
图3为本发明的可拆卸式换热装置结构示意图。
[0036]
其中：1-进液口控制阀，2-四通阀，3-抽真空控制阀，4-储液罐，5-进液管路，6-反应液控制阀，7-反应罐，8-加料口，9-卸荷阀，10-平衡气路，1001-螺旋加热气路，11-供氢气路，12-正压压力表，13-第一控制阀，14-减压阀，15-第二控制阀，16-正负压压力表，17-单向阀，18-氢燃料电池，19-负载部分，20-散热风扇，21-储氢材料，22-可拆卸式换热装置，701-反应罐圆底，101-相变材料，102-保温护套，103-导热层，104-传热连接管路，105-散热
区，106-换料口。
具体实施方式
[0037]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0038]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0039]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0040]
参见图1至图3，一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置，包括水解制氢单元、气压测量控制单元、燃料电池启动输出单元；水解制氢单元的氢气出口与气压测量控制单元的气路氢气入口相连通；燃料电池启动输出单元的进气口与气压测量控制单元气路输出口相连通；
[0041]
水解制氢单元包括进液口控制阀1、四通阀2、抽真空控制阀3、储液罐4、进液管路5、反应液控制阀6、反应罐7、反应罐圆底701、加料口8和平衡气路10，反应罐7内部设置有储氢材料21；储液罐4上方为一个四通阀2，四通阀2一路连接进液口控制阀1，一路连接抽真空控制阀3控制抽真空口，另一路连接平衡气路10，反应罐7和储液罐4通过平衡气路10直接连接实现气压平衡，储液罐4下方通过进液管路5与反应罐7连接，在进液管路5上设有反应液控制阀6控制液体进入反应罐7中，反应罐7上设有供氢气路11的气路出口和加料口8，供氢气路11的气路出口安装卸荷阀9，反应罐7的底部为弧形圆底，增大反应液和储氢材料21的接触面积有利于加快水解反应产氢速度。
[0042]
气压测量控制单元包括卸荷阀9、供氢气路11、正压压力表12、第一控制阀13、减压阀14、第二控制阀15、正负压压力表16和单向阀17。正压压力表12和正负压压力表16安装在供氢气路11上，中间分为两个并联支路，一路为减压阀14和第一控制阀13，另一路为第二控制阀15，单向阀17安装在氢燃料电池18的进氢入口之前。
[0043]
燃料电池启动输出单元包括氢燃料电池18，负载部分19和低温启动单元，氢燃料电池18的电源接口通过转换器等连接负载部分19接口。低温启动单元包括低温启动装置i和低温启动装置ii，低温启动装置i包括散热风扇20和螺旋加热气路1001，低温启动装置ii包括可拆卸式换热装置22，可拆卸式换热装置22由相变材料101，保温护套102，导热层103，传热连接管路104，散热区105，换料口106组成；导热层103、相变材料101、导热层103和保温护套102从内到外依次设置在反应罐7的外部，换料口106设置在保温护套102的一侧；散热区105设置在氢燃料电池18的电堆面与螺旋加热气路1001之间的空隙区；传热连接管路104
为反应罐7顶部直径两侧的导热层103分别开口连接出一条圆形管道经过平衡气路10交汇于散热区105，反应罐顶部其余部分导热层103均封闭住；其中内部相变材料101使用液气相变材料或者固液相变材料进行热量传递循环，根据不同环境温度选取不同沸点熔点的相变材料通过换料口106加入，换料口106带有开关阀门防止内部相变材料泄露造成危险，同时换料口可以用于抽真空使用，防止部分相变材料与空气混合发生燃烧爆炸危险等；导热层103使用导热硅胶片或氧化铝陶瓷薄片导热率高的材料包覆于内部相变材料的外部，同时在导热层103的外部和传热管道104外部均加上保温护套102，保温护套102使用轻质塑料或pvc材料防止环境温度影响换热装置的传热过程。
[0044]
反应罐7壳体选择不锈钢等耐碱性以及导热性能良好的材料；四通阀2常开，连接四条管路；进液口控制阀1和抽真空控制阀3均为球阀，控制对应管路开闭；正压压力表12用于显示减压阀前系统内部的压强，采用机械式仪表，正负压压力表16用于系统抽真空时显示保压检测系统气密性以及确定减压阀后输出压强，同样使用机械式仪表，避免外部供电或者内部锂电池供电防止低温下无法正常工作；卸荷阀9是达到设定压强数值后可以自动泄压以保持系统安全；减压阀14为轻质减压阀，减轻装置重量，用于降低并稳定输出压强，适配于氢燃料电池18的氢气正常工作压强范围，使氢燃料电池正常工作；单向阀17用于防止气流倒流；第一控制阀13为球阀，用于控制氢燃料电池18的供氢停启，可在达到单向阀开启压力后开启第一控制阀13供氢燃料电池18工作；第二控制阀15也为球阀，用于抽真空时开启方便通过正负压压力表16观察抽真空情况，正常工作时关闭防止高压强氢气直接进入氢燃料电池18；氢燃料电池18为质子交换膜燃料电池，具体的功率大小可根据需求匹配，进气口的氢气正常工作压强范围为0.045～0.065mpa；负载部分19的电压及功率都应与氢燃料电池18相匹配；储液罐4内部为反应液，作为控制反应停启的源头部分，储液罐4与反应罐7之间有平衡气路10相连通，可以保证液体不因反应罐体内部与储液罐体内部存在压差而影响液体加入，将储液罐4的非液体部分用为储气罐；反应液控制阀6为计量阀或者针阀，控制反应液体进入反应罐7，同时可根据需求测量液体体积大小用于控制反应的进程和反应速度。
[0045]
储氢材料21为石墨烯界面纳米阀固态储氢材料，本材料以高活性轻金属氢化物为原材料，在不同组分界面建立石墨烯界面纳米阀结构，以实现储氢材料的释氢可控性，发生水解反应无需催化剂。也可使用其他合适的水解的固态储氢材料。
[0046]
本发明还公开了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置的供电方法，供电方法包括0℃以上常温供电模式和零下低温供电模式：
[0047]
0℃以上常温供电模式下直接启动装置运行即可，平衡气路10热量不影响氢燃料电池18常温下工作，零下低温供电模式下启动分为两种情况，一种为温度-10～0℃时，控制阀门并通过平衡气路10在氢燃料电池18的散热风扇20反面的电堆面进行螺旋绕向作为螺旋加热气路1001，如图2所示；另一种温度较低-40～-10℃时，加入可拆卸式换热装置22至反应罐7外部，如图3所示，内部使用液气或固液相变材料101循环，散热区105设置在氢燃料电池18的电堆面与螺旋加热气路1001之间的空隙区，从而利用水解反应热量使得氢燃料电池18低温下顺利启动。
[0048]
遵从上述技术方案，如图1至图3所示，实施例给出了一种储氢材料水解供氢的常低温自启动的氢能供电装置及供电方法，利用自身氢源水解反应热量实现在常低温下氢燃
料电池18的顺利启动并持续稳定供给负载部分19运行。
[0049]
实施例1：
[0050]
0℃以上常温时，反应前全部阀门保证为关闭状态，打开进液口控制阀1，给储液罐4中注入反应所需的液体，常温下使用纯净水即可(使用石墨烯界面纳米阀固态储氢材料下)，可一次性加够，也可中途补加；从反应罐加料口8加入储氢材料21至反应罐7；打开抽真空控制阀3和第二控制阀15，从进行抽真空控制阀3的支路进行抽真空检查装置气密性，并通过正负压压力表16确认装置整体气密性，在系统气密性良好的前提下，确认关闭抽真空控制阀3和第二控制阀15，调整进液管路5上的反应液控制阀6，将反应液加入反应罐7中，使储氢材料21与反应液进行反应水解释氢，根据正压压力表12和正负压压力表16的示数，在正压压力表示数较稳定时候打开第一控制阀13，同时观察正负压压力表16示数，不稳定时及时关闭第一控制阀13进行保压，正负压压力表16示数稳定下，氢燃料电池18的输出端接入功率匹配的负载部分19，使负载部分19能够正常工作。
[0051]
氢燃料电池18在低于0℃的环境中，水在电池阴极产生并向外传输，此时由于电池中的水会结冰，无法从电池内除去而在电池内部堆积会造成催化层形成冰覆盖其活性表面，减少或阻止反应气到达反应界面，从而导致氢燃料电池18无法启动；另一方面增湿水会堵塞流道阻止反应气体传输；最重要的是电堆内部水形成冰晶会损伤电堆，从而导致氢燃料电池18不能工作。
[0052]
实施例2：
[0053]
温度-10～0℃时，在反应罐7的气路出口与螺旋加热气路1001之间可加入可拆卸防冻护套减少中间气路上的热量损失更有利于氢燃料电池18冷启动，同时平衡气路10的部分螺旋缠绕为螺旋加热气路1001也增加了平衡气路容积相当于增大了整个装置的气体缓存体积，使得整体装置安全性更高，反应前全部阀门保证为关闭状态，打开进液口控制阀1，给储液罐4中注入反应所需的液体，0℃以下使用添加不同剂量防冻剂的反应液防止液体冻住无法流入反应罐7，可一次性加够，也可中途补加；从反应罐加料口8加入储氢材料21至反应罐7；打开抽真空控制阀3和第二控制阀15，从进行抽真空控制阀3的支路进行抽真空检查装置气密性，并通过正负压压力表16确认装置整体气密性，在系统气密性良好的前提下，确认关闭抽真空控制阀3和第二控制阀15，调整进液管路5上的反应液控制阀6，将反应液加入反应罐7中，使储氢材料21与反应液进行反应水解释氢，反应一段时间用于氢气增加热量，根据正压压力表12和正负压压力表16的示数，在正压压力表12示数较稳定和氢燃料电池18电堆面附近环境温度温度接近0℃时打开第一控制阀13，同时观察正负压压力表16示数，不稳定时及时关闭第一控制阀13进行保压，正负压压力表16示数稳定下，氢燃料电池18的输出端接入功率匹配的负载部分19，使负载部分19能够正常工作。
[0054]
实施例3：
[0055]
温度在-40～-10℃时，反应前正确放置可拆卸式换热装置22，内部根据不同环境温度选取不同沸点熔点的相变材料101并通过换料口106加入换热装置中，整体装置的全部阀门保证为关闭状态，打开进液口控制阀1，给储液罐4中注入反应所需的液体，-10℃以下使用添加不同剂量防冻剂的反应液防止液体冻住无法流入反应罐7，可一次性加够，也可中途补加；从反应罐加料口8加入储氢材料21至反应罐7；打开抽真空控制阀3和第二控制阀15，从进行抽真空控制阀3的支路进行抽真空检查装置气密性，并通过正负压压力表16确认
装置整体气密性，在系统气密性良好的前提下，确认关闭抽真空控制阀3和第二控制阀15，调整进液管路5上的反应液控制阀6，将反应液加入反应罐7中，使储氢材料21与反应液进行反应水解释氢，等待反应一段时间用于反应热量充分释放能够满足换热需求，根据正压压力表12和正负压压力表16的示数，在正压压力表12示数较稳定和氢燃料电池18电堆面附近环境温度温度接近0℃时打开第一控制阀13，同时观察正负压压力表16示数，不稳定时及时关闭第一控制阀13进行保压，正负压压力表16示数稳定下，氢燃料电池18的输出端接入功率匹配的负载部分19，使负载部分19能够正常工作。
[0056]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。