一种氢燃料电池的氢处理系统的制作方法

1.本实用新型涉及拉马装置技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的氢处理系统。


背景技术：

2.氢元素是宇宙中最基本的元素，大约占宇宙总质量的3/4。在地球上，氢主要以化合态存在于水和有机物中，由于地球表面约71％的面积被海洋覆盖，并且陆地上也含有丰富的地下水，因此氢在地球上的含量也极其丰富。单质氢在自然界中非常稀少，因此，氢气是一种二次能源，其制取必须使用煤、石油、天然气等传统化石能源或太阳能、生物质能和核能等可再生能源。氢气的来源广泛且制备方法多样，比如石油热裂解、天然气重整、煤气化、电解水和生物制氢等。氢气无色、无味并且极其易燃，在0℃和1atm下，其密度仅为空气密度的1/14，是目前已知最轻的气体。
3.氢气(液氢)在空气中燃烧后产物为水，不会对环境造成污染，并且其燃烧本身不产生碳排放。相对于其他几种常用燃料，氢气具有很高的单位质量能量密度，此外，太阳能、风能等可再生能源的产能效率低、不稳定且不便于储存和运输，而通过将这些能量通过电解水等方式转化为氢能，则可以解决上述问题。在交通工具领域，氢燃料电池汽车的充电时间仅为几分钟，而同样作为未来汽车发展方向之一的纯电动汽车一次充电则需要几个小时。从续航能力上看，大部分纯电动汽车一次充电后的行驶距离大约为150-200公里，而氢燃料电池汽车的续航里程则分别达到了386-483公里。综合上述因素，将氢气作为一种潜在的替代燃料具有相当的应用前景。
4.氢气事故包括意外泄漏、点燃(或自燃)、爆燃和爆炸等，其中氢气事故的初始阶段包括氢气从固定的储罐、管道或车辆运输系统等不同储存系统的意外泄漏。由于氢气没有毒性也几乎没有腐蚀性，在密闭空间或通风不良的空间内发生泄漏或液氢的大面积泄漏和蒸发，使空间内人员发生窒息，接触液氢或低温的氢蒸汽将造成冻伤，如果大量液氢泄漏使环境温度迅速降低，将可能导致低体温症甚至危及生命；氢气燃烧时的火焰难以察觉，从而增加了人员被烧伤的可能性；氢气爆炸产生强烈的冲击波会对人体产生过压伤害；在特定的压力和温度条件下，氢气分子可以大量扩散到钢铁和其他金属中，从而使得材料的强度降低和脆化，即氢脆现象。氢脆可导致储氢罐、输气管道和阀门等装置的失效，从而引起氢气泄漏。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种氢燃料电池的氢处理系统。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
7.一种氢燃料电池的氢处理系统，包括电池堆和监测机构，所述电池堆通过管道连接有冷凝器，所述冷凝器的出口依次连接有气液分离器和催化反应器，所述催化反应器的输出端连接有负压风机，所述电池堆、冷凝器、气液分离器、催化反应器和负压风机组成处
理机构；
8.所述监测机构包括布置在电池堆工作现场的若干个监测节点和上位机，所述处理机构由上位机控制，所述监测节点包括氢气传感器和数据采集模块，所述氢气传感器对工作现场的氢气泄漏进行检测，所述氢气传感器的输出信号通过二阶有源低通滤波电路进行滤波处理，所述数据采集模块对滤波处理的输出信号进行采集、a/d转换后通过串口将数据发送至上位机，所述上位机从监测机构接收的数据，将检测到的氢气浓度信息解算并显示出来，并控制处理机构对氢气进行消除。
9.优选的，所述催化反应器的顶端输出端连接有冷却器，对消除氢气后的高温空气进行冷却。
10.优选的，所述催化反应器下部为空气加热器，所述催化反应器的上部装有消氢催化剂，在催化剂的作用下空气中的氢和氧化合生成水。
11.优选的，所述催化反应器由电池堆供电。
12.优选的，所述监测节点包括有温度传感器和压力传感器，所述氢气传感器、温度传感器和压力传感器通过数据采集模块连接有主控制器，主控制器连接有紧急切断模块。
13.优选的，所述主控制器连接至上位机，所述上位机与氢气传感器和数据采集模块的输出端通过网络连接，实现氢气泄漏实时监测和事故预防。
14.优选的，电池堆的工作现场内还设有隔离网，所述的隔离网的底部设有均匀排布的铂钯催化板。
15.优选的，氢气传感器包括电源模块、环境检测模块、外围辅助电路和can总线电路，所述的电源模块完成供电，所述的环境检测模块完成当前环境信息检测，并通过pic单片机计算氢气浓度，由数码管进行显示，所述的can总线电路将计算信息发送给主控制器。
16.优选的，所述环境检测模块包括氢气浓度监测电路和温度监测电路，所述的氢气浓度监测电路采用恒温差电桥与惠斯通电桥组成的恒温差双桥电路，结合温度检测电路使得氢气传感器功耗更低，同时可防水汽凝露。
17.优选的，所述外围辅助电路包括红外接收电路、数码管显示电路和声光报警电路，所述的数码管显示电路用于检测结果和标定数值时显示数值；所述的红外遥控电路用于标定以及阈值浓度设定；所述的声光报警电路在气体浓度超过阈值时会发出报警。
18.优选的，所述氢气传感器采用导体型传感器，所述的氢气传感器采用金属封装、冶金粉末网外壳的结构，所述的氢气传感器的采用温度传感器检测关机时刻的环境温度，计算传感器降温时间，控制催化燃烧传感器关机时间，使得传感器温度始终高于环境温度，从而不会产生较严重的凝露现象，所述的氢气传感器的降温时间κ与环境温度和传感器温度的关系满足：
19.κ＝ρcv
·
ln[(t-t
′
)/(t
0-t
′
)]/ah
[0020]
其中t
′
表示传感器最终趋近于恒定的、近似为环境温度的温度值，t表示氢气传感器的温度，t0为环境的初始温度，为传感器的体积，a为氢气传感器的表面积，h为传感器表面与周围环境的表面传热系数，ρ表示氢气传感器材质的密度，ρcv表示氢气传感器与氢燃料电池工作环境的对流散热量，既保证了传感器的低功耗，又避免了凝露对传感器的影响。
[0021]
优选的，所述氢气传感器的灵敏度特性λ为：λ＝1 κ
·
δr
t
/r0，其中δr
t
为检测环境温度变化给氢气传感器造成的电阻变化值，r0为室温下氢气传感器自身的阻值。
[0022]
本实用新型的有益效果为：
[0023]
1、该氢燃料电池的氢处理系统，电池工作场所内的含氢空气首先要通过冷却冷凝器进行冷却，经过气液分离器去除液滴的含氢空气由负压风机加压进入催化反应器，催化反应器的下部是空气加热器，使空气温度升高至120℃，因为温度的升高而游离出的固体颗粒在催化反应器的中部进行沉降、分离，催化反应器的上部装有消氢催化剂，在催化剂作用下空气中的氢和氧化合生成水，氢氧化合反应为放热反应，消除氢气后的高温空气经过空气冷却器进行冷却，并使反应生成的水冷凝，冷凝水由冷凝液收集管收集后定时排入储液槽；
[0024]
2、该氢燃料电池的氢处理系统，监测机构是事故预防系统，以氢气泄漏为监测对象，联合通风、自动灭火和紧急切断模块，实现氢气泄漏实时监测和事故预防，监测节点布置在工作现场，通过节点中的多个相同的分立的氢气传感器组成的传感器阵列以及相应的电路对环境中的氢气浓度进行检测，然后监测节点将反映工作现场氢气浓度的输出信号发送给上位机，上位机对多路检测信号进行滤波、温度补偿以及数据融合，然后解算出氢气浓度并显示在上位机中，实现对工业环境中氢气浓度的检测。
附图说明
[0025]
图1是本新型一种氢燃料电池的氢处理系统结构示意图。
[0026]
图2是本新型一种氢燃料电池的氢处理系统监测节点示意图。
[0027]
图3是本新型一种氢燃料电池的氢处理系统监测机构示意图。
[0028]
图中标号：1、电池堆；2、冷凝器；3、气液分离器；4、催化反应器；5、负压风机；6、冷却器；7、氢气传感器；8、温度传感器；9、压力传感器；10、主控制器；11、上位机；12、数据采集模块。
具体实施方式
[0029]
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0030]
实施例一
[0031]
一种氢燃料电池的氢处理系统，包括电池堆1和监测机构，监测机构负责对电池堆1工作现场的氢气的浓度监测，电池堆1通过管道连接有冷凝器2，冷凝器2的出口依次连接有气液分离器3和催化反应器4，催化反应器4的输出端连接有负压风机5，电池堆1、冷凝器2、气液分离器3、催化反应器4和负压风机5组成处理机构，处理机构负责对超出的氢气进行消除，提高氢燃料电池工作的安全系数，催化反应器4的顶端输出端还连接有一冷却器6，对消除氢气后的高温空气进行冷却，催化反应器4下部为空气加热器，催化反应器4的上部装有消氢催化剂，在催化剂的作用下空气中的氢和氧化合生成水。
[0032]
电池工作场所内的含氢空气首先要通过冷却冷凝器进行冷却，经过气液分离器去除液滴的含氢空气由负压风机加压进入催化反应器，催化反应器的下部是空气加热器，使空气温度升高至120℃，因为温度的升高而游离出的固体颗粒在催化反应器的中部进行沉降、分离，催化反应器的上部装有消氢催化剂，在催化剂作用下空气中的氢和氧化合生成
水，氢氧化合反应为放热反应，消除氢气后的高温空气经过空气冷却器进行冷却，并使反应生成的水冷凝，冷凝水由冷凝液收集管收集后定时排入储液槽。
[0033]
实施例二
[0034]
结合图2和图3，监测机构包括布置在电池堆1工作现场的若干个监测节点和上位机11，监测节点包括氢气传感器7和数据采集模块12，氢气传感器7对工作现场的氢气泄漏进行检测，氢气传感器7的输出信号通过二阶有源低通滤波电路进行滤波处理，由于氢气密度较低，泄漏速度非常快，选用二阶有源低通滤波电路对传感器输出信号进行滤波处理，响应速度较快，数据采集模块12对滤波处理的输出信号进行采集、a/d转换后通过串口将数据发送至上位机11，上位机11从监测机构接收的数据，将检测到的氢气浓度信息解算并显示出来，并控制处理机构对氢气进行消除，监测节点布置在工作现场，通过节点中的多个相同的分立的氢气传感器组成的传感器阵列以及相应的电路对环境中的氢气浓度进行检测，然后监测节点将反映工作现场氢气浓度的输出信号发送给上位机，上位机对多路检测信号进行滤波、温度补偿以及数据融合，然后解算出氢气浓度并显示在上位机中，实现对工业环境中氢气浓度的检测。
[0035]
数据采集模块用于对调理后的多路检测电路输出信号进行采集、a/d转换，然后通过串口将数据发送给上位机，上位机主要功能是接收数据，并对数据进行温度补偿、浓度解算以及数据融合，以提高检测精度、改善系统工作稳定性，最后将检测到的氢气浓度信息解算并显示出来。
[0036]
实施例三
[0037]
监测节点还包括有温度传感器8和压力传感器9，氢气传感器7、温度传感器8和压力传感器9通过数据采集模块12连接至主控制器10，主控制器10还连接有紧急切断模块，主控制器10连接至上位机11，上位机11与通风模块和灭火模块数据共享，实现氢气泄漏实时监测和事故预防。
[0038]
主控制器将接收到的氢气传感器和压力传感器的信号实时传输至上位机，同时进行自身的判断处理，当任一处的氢气体积分数超过设定下限即体积分数4％的10％，30％和50％时，主控制器分三级向报警器发出报警信号，并通过氢气传感器的序号判断出泄漏的位置，主控器将泄漏信号和位置信号传达给上位机，监控人员根据事故情况进行抉择，对主控制器回发出自动判定切断或人为判定切断模式命令。进入自动判定模式后，主控制器就会综合泄漏强度、泄漏位置、泄漏后果以及切断后果进行处理和判定，在保障设备基本运行的前提下将切断信号传输给紧急切断模块，控制相应位置的电磁阀进行氢气管路切断，当出现多处泄漏报警时则直接关闭燃料主阀；进入人为判定模式后，主控制器等待上位机的控制命令，接受到控制信号后采取相应措施，并依据泄漏信息向通风模块和自动灭火模块发出相应控制命令。
[0039]
实施例四
[0040]
在实施例1的基础上，电池堆的工作现场内还设有隔离网，隔离网的底部设有均匀排布的铂钯催化板，在金属铂钯的催化作用下，使得氢气在较低的温度下即可与氧气发生化学反应，化学反应过程中消除氢气，并产生水和大量的反应热，生成的水以水蒸汽的形式存在并与空气混合，热空气因密度小而上升，冷空气顺势对热空气上升后留下的空间进行填补，这样也就形成良性对流循环，从而就可以在不需要外接动力的情况下来实现源源不
断的消氢。
[0041]
实施例五
[0042]
在实施例2的基础上，氢气传感器包括电源模块、环境检测模块、外围辅助电路和can总线电路，电源模块完成供电，环境检测模块完成当前环境信息检测，并通过pic单片机计算氢气浓度，由数码管进行显示，can总线电路将计算信息发送给主控制器。
[0043]
环境检测模块包括氢气浓度监测电路和温度监测电路，氢气浓度监测电路采用恒温差电桥与惠斯通电桥组成的恒温差双桥电路，结合温度检测电路使得氢气传感器功耗更低，同时可防水汽凝露。
[0044]
外围辅助电路包括红外接收电路、数码管显示电路和声光报警电路，数码管显示电路用于检测结果和标定数值时显示数值；红外遥控电路用于标定以及阈值浓度设定；声光报警电路在气体浓度超过阈值时会发出报警。
[0045]
氢气传感器采用导体型传感器，氢气传感器采用金属封装、冶金粉末网外壳的结构，氢气传感器的采用温度传感器检测关机时刻的环境温度，计算传感器降温时间，控制催化燃烧传感器关机时间，使得传感器温度始终高于环境温度，从而不会产生较严重的凝露现象，氢气传感器的降温时间κ与环境温度和传感器温度的关系满足：κ＝ρcv
·
ln[(t-t
′
)/(t
0-t
′
)]/ah，其中t
′
表示传感器最终趋近于恒定的、近似为环境温度的温度值，t表示氢气传感器的温度，t0为环境的初始温度，为传感器的体积，a为氢气传感器的表面积，h为传感器表面与周围环境的表面传热系数，ρ表示氢气传感器材质的密度，ρcv表示氢气传感器与氢燃料电池工作环境的对流散热量，既保证了传感器的低功耗，又避免了凝露对传感器的影响。
[0046]
氢气传感器的灵敏度特性λ为：λ＝1 κ
·
δr
t
/r0，其中δr
t
为检测环境温度变化给氢气传感器造成的电阻变化值，r0为室温下氢气传感器自身的阻值，在实际工作时，监测节点中的氢气传感器受到环境中温度变化和氢气的共同影响，氢气传感器的阻值为环境温度和氢气浓度共同作用的函数量，通过对氢气传感器和参考传感器的阻值做预处理处理并相减，可以消除温度变化给传感器带来的影响，消除温度变化给传感器造成的影响。
[0047]
在本实用新型的描述中，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”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。
[0048]
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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0049]
以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。