一種氫燃料電池系統及其控制方法與流程

本發明涉及氫氧燃料電池制備領域，具體涉及一種基于硼氫化鈉制氫的氫燃料電池系統及其控制方法。

背景技術：

燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第4代發電技術，它是唯一兼備無污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續工作和模塊化特點的動力裝置，被認為是21世紀最有發展前景的高效清潔發電技術。按燃料的來源，燃料電池又可分為三類。第一類是直接式燃料電池，即其燃料直接用氫氣或輕醇類；第二類是間接式燃料電池，其燃料不是直接用氫，而是通過某種方法(如重整轉化)將輕醇、天然氣、汽油等化合物轉變成氫(或氫的混合物)后再供給燃料電池發電；第三類是再生式燃料電池，它是指把燃料電池反應生成的水，經過電解分解成氫和氧，再將氫和氧輸入燃料電池發電。作為燃料電池的一種，氫氧燃料電池(hydrogen-oxygenfuelcell)以氫氣為燃料作還原劑，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉變為電能的電池，與原電池的工作原理相同。

氫燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫氣、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水，此時氫電極上有多余電子帶負電，氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應過程就能連續進行。其具有如下特點：產物是水，清潔環保；容易持續通氫氣和氧氣，產生持續電流；能量轉換率較高；排放廢棄物少；噪音低。因此，氫氧燃料電池近年來受到人們的廣泛關注。

目前國內外氫燃料電池的相關專利的研究內容基本上圍繞著燃料電池的結構設計、電極材料、反應裝置、電解質組成優化以及氫氣的制造與儲存系統等方面。

氫燃料電池用儲氫材料的研究面臨著挑戰。金屬氫化物用作儲氫材料由于其儲存及運輸氫安全、方便的特點而備受青睞，但由于熱力學、動力學和金屬原子量上的限制，一些可逆金屬氫化物儲氫質量分數只能達到1.5％～2.5％。配位輕金屬氫化物的儲氫質量分數在金屬氫化物中相對較高，這些配位輕金屬氫化物中又以鋁氫化物(mxalh4)和硼氫化物(mxbh4)儲氫質量分數最大，最大可達到18.4％(libh4)。

國外的amendola研究組設計出兩種實現該反應的方案。方案i類似于扁昔發生器，利用壓籌將儲罐中靜止的nabh4溶液驅入裝有催化劑的反應管，nabh4溶液由反應管底部進入，產生的氫氣由反應管頂部通過控制閥逸出。通過控制反應管中氫氣的壓力可以調節反應管中nabh4液面高低，從而也就控制了氧氣的生成速度。方案2是使用小型機械泵將nabh4溶液注入裝有催化劑的管式反應器.通過控制nabh4溶液的流速來控制產氫速度，該方案可對氫氣需要量的變化做出快速響應。

a.pozio等發明了一種新型、由硼氫化鈉溶液水解制取氫氣的裝置，其特點是由兩塊平行的磁性平板圍成反應區域，硼氧化鈉堿性溶液包含在磁場之中。enea粉末催化劑是由直徑為10微米的磁性球體組成，并在其表面涂有ru的涂層，并使催化劑均勻的分布于磁性容器表面上，這種特殊的催化劑可以保證高動力速率且能提高其化學穩定性。在這個研究的基礎上，a.pozio等人又致力于一種新型便攜式燃料電池能源發生器的設計，并取得了一定的成果。

國內的學者如楊漢西等人采用硼化鎳作催化劑，進行了用硼氫化鈉溶液水解制取氫氣的研究，并取得了理想的效果。他們還公開了一項有關氫氣制備方法及裝置的專利(cnl438169)，將金屬硼氫化物的水溶液或堿性水溶液與通過化學沉積在多孔載體村料的過渡金屬硼化物催化劑接觸.硼氧化物發生水解反應.釋放出氫氣。

王新東等對硼氧化鈉制氧技術做了相關研究，并申請了一項專利(cnl01049907a)，該方法利用裝置內部兩容器間的氫氣壓力差的作用，使反應料在裝置內的兩容器間流動，調節反應料與催化劑的接觸量，從而來控制氫氣的產生速率和氫氣壓力。由于裝置內部的氣壓可以隨外部氫氣的需求速率變化，從而實現該裝置根據外部氫氣的需求量來自控調節氫氣的生成速率，達到即時自控供氫的目的。該方法是密閉兩容器內，通過導液管來接通，兩密閉容器分別是反應區容器和儲料區容器，儲料區容器內的反應料通過導液管進入反應區容器后.在催化劑催化作用下產生氫氣，產生的氫氣再由導氣管通往燃料電池。

技術實現要素：

為了解決以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種基于硼氫化鈉制氫的氫燃料電池及其控制方法，本發明的氫燃料電池系統可以利用微控制器對硼氫化鈉制氫系統中的溫度、流量、壓力等多參數進行集成控制，實現反應系統安全可靠、自動化的要求，可以直接為氫燃料電池提供流量和壓力可調的氫源。

本發明的一個目的在于提出一種氫燃料電池系統。

本發明的氫燃料電池系統包括：溶液箱、液壓泵、高速電磁閥、反應室、三通閥、散熱器、氣液分離器、減壓閥、廢液箱、儲氫箱、反應室溫度傳感器、反應室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器、儲氫箱壓力傳感器和控制器；其中，溶液箱內盛放反應溶液；溶液箱連接至液壓閥，通過高速電磁閥連接至反應室的入口；反應室的出口連接至三通閥的入口；三通閥的側面為入口，頂端為空氣出口，底端為液體出口；三通閥的液體出口連接至廢液箱；三通閥的空氣出口連接至散熱器，散熱器的出口連接至氣液分離器；氣液分離器的出口分別連接至減壓閥和廢液箱；減壓閥連接至儲氫箱；反應室內壁分別設置反應室溫度傳感器和反應室壓力傳感器；散熱器的進出口處分別設置散熱器溫度傳感器；儲氫箱內設置儲氫箱壓力傳感器；液壓泵、高速電磁閥、反應室溫度傳感器、反應室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器和儲氫箱壓力傳感器分別連接至控制器；控制器通過反應室壓力傳感器實時測量反應室內的氣壓，當氣壓低于閾值時，控制器開啟液壓泵，抽取溶液箱中的反應溶液，經高速電磁閥加入反應室中；控制器通過控制高速電磁閥的通斷時間對加人溶液量進行微調，反應溶液在反應室內進行水解反應生成氫氣；水解反應的產物進入三通閥，在重力的作用下，氣體和液體分離；廢液經三通閥底端的液體出口進入廢液箱；氫氣和水汽通過三通閥頂端的氣體出口進入散熱器；散熱器降低水汽和氫氣的溫度，水汽變成了液態水經氣液分離器進入廢液箱；氫氣經氣液分離器進入減壓閥，再經過減壓閥進入儲氫箱，最后由調速閥調節供給燃料電池使用；控制器實時采集散熱器溫度傳感器的溫度信息，當溫度過高時，控制器報警或停機；控制器實時采集儲氫箱壓力傳感器的壓力信息，當儲氫箱的壓力過高時，控制器關閉液壓泵的電源；控制器根據需要設置壓力與溫度的變化參數，由反應溶液的濃度計算并控制反應溶液加入量，并由反饋的壓力與溫度信號自動調節液壓泵的電壓及高速電磁閥的通斷時間，從而精確控制反應室的壓力和溫度信號。

反應溶液采用硼氫化鈉nabh4溶液。硼氫化鈉是一種強還原劑，廣泛用于廢水處理、紙張漂白和藥物合成等方面。在催化劑的作用下，nabh4在堿性水溶液中可水解生成氫氣和水溶性偏硼酸鈉。

液壓泵采用小功率液壓泵。

反應室采用管式反應器，長度為200mm～300mm。在反應室中放置催化劑。反應室的管壁上均勻分布多個噴口，噴口的直徑為0.5mm～1mm；在小功率液壓泵的作用下，反應溶液從噴口處霧化噴出，進入反應室，與催化劑充分接觸；反應室里安裝有壓力傳感器及溫度傳感器，可及時檢測反應室中壓強和溫度，并作為控制制氫反應速度的反饋信號；水解反應后的產物有氣體(主要是h2)和液體，反應室出口連接至一個三通閥，利用重力作用將反應產物中的氣體和液體進行分離。

控制器包括ac/dc轉換單元、微處理器單元和隔離驅動單元；其中，反應室溫度傳感器、反應室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器和儲氫箱壓力傳感器分別連接至ac/dc轉換單元；ac/dc轉換單元將模擬信號轉換為電信號傳輸至微處理器單元；微處理器單元控制隔離驅動單元，驅動液壓泵和高速電磁閥的啟動和關閉；微處理器單元還連接至外部的輸入輸出設備，從而實現對溫度和壓力的控制。

本發明的另一個目的在于提供一種氫燃料電池系統的控制方法。

本發明的氫燃料電池系統的控制方法，包括以下步驟：

1)控制器通過反應室壓力傳感器實時測量反應室內的氣壓，當氣壓低于閾值時，控制器開啟液壓泵，抽取溶液箱中的反應溶液，經高速電磁閥加入反應室中；

2)控制器通過控制高速電磁閥的通斷時間對加人溶液量進行微調，反應溶液在反應室內進行水解反應生成氫氣；

3)水解反應的產物進入三通閥，在重力的作用下，氣體和液體分離；廢液經三通閥底端的液體出口進入廢液箱；

4)氫氣和水汽通過三通閥頂端的氣體出口進入散熱器；散熱器降低水汽和氫氣的溫度，水汽變成了液態水經氣液分離器進入廢液箱；

5)氫氣經氣液分離器進入減壓閥，再經過減壓閥進入儲氫箱；

6)由調速閥調節氫氣的輸出量，供給燃料電池使用；

7)控制器實時采集散熱器溫度傳感器的溫度信息，當溫度過高時，控制器報警或停機；控制器實時采集儲氫箱壓力傳感器的壓力信息，當儲氫箱的壓力過高時，控制器關閉液壓泵的電源；控制器根據需要設置壓力與溫度的變化參數，由反應溶液的濃度計算并控制反應溶液加入量，并由反饋的壓力與溫度信號自動調節液壓泵的電壓及高速電磁閥的通斷時間，從而精確控制反應室的壓力和溫度信號。

本發明的優點：

本發明利用反應溶液水解制氫，通過控制器控制反應室反應的壓力和溫度，以及散熱器的溫度和儲氫室的壓力，并控制反應溶液的溶液量，是一種安全、高效、實用性強的制氫技術，本發明的制氫燃料電池啟動和負荷響應時間短、可靠性高，并且可對溫度、濕度、壓力、催化劑接觸狀況、溶液供應、功率調節等過程及參數進行集成控制，可以為燃料電池提供壓力和流量可控的氣源；采用液壓泵將反應溶液注入裝有催化劑的管式反應器，通過控制反應溶液的流速來控制發生氫氣的速度；本發明對氫氣需要量的變化作出快速響應，易實現輸出氫氣流量準確控制及系統參數的智能控制。

附圖說明

圖1為本發明的氫燃料電池系統的結構框圖；

圖2為本發明的氫燃料電池系統的一個實施例的反應室的示意圖；

圖3為本發明的氫燃料電池系統的控制器的結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發明。

如圖1所示，本實施例的氫燃料電池系統包括：溶液箱、液壓泵、高速電磁閥、反應室、三通閥、散熱器、氣液分離器、減壓閥、廢液箱、儲氫箱、反應室溫度傳感器、反應室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器、儲氫箱壓力傳感器和控制器。

本實施例中，反應溶液采用硼氫化鈉溶液，nabh4在堿性水溶液中可水解生成氫氣和水溶性偏硼酸鈉，反應如下：

nabh4+2h2o→4h2↑+nabo2(1)

反應(1)是一個放熱反應，每產生1mol的h2放出75kj熱量，而其他氫化物與水反應生成氫的典型反應熱為125kj/mol(h2)。因而，反應(1)更安全而且容易控制。

nabh4分子自身含氫的質量百分比為10.6％，但從反應(1)可見，在nabh4與水的反應中，水成為另一個氫源，每1gnabh4的最大產氫量為0.212g。因此，硼氫化鈉水解制氫具有很高的儲氫效率。如果沒有催化劑，上述反應也能進行，其反應速度與溶液的ph值和溫度有關。當ph值為8時，即使在常溫下，nabh4溶液也會很快水解。因此，為了使nabh4制氫能夠得到實際應用，必須將其保持在強堿性溶液中，通常在nabh4溶液中加入氫氧化鈉。

要利用nabh4的堿性溶液來生產氫氣，必須有足夠快的反應速度，使用催化劑或酸以及升高體系溫度都可以加速硼氫化鈉的水解反應速度，其中使用催化劑(尤其是多相催化劑)是最為有效的方法。常用的催化劑有金屬氯化物(nicl2或cocl2)、硼化物、交換樹脂載銣金屬和金屬氧化物pt-licoo2，以及鈷和鎳的硼化物中的一種。

本實施例中，反應室長為250mm，采用的催化劑為泡沫狀，用篩網將其固定在反應室內壁。如圖2所示，反應室的管壁上均勻分布多個噴口，噴口的直徑為0.5mm；在小功率液壓泵的作用下，反應溶液從噴口處霧化噴出，進入反應室，與催化劑充分接觸。

圖3為控制器的結構框圖。外部的輸入輸出設備采用鍵盤和顯示屏。控制器選用的單片機具有5通道pwm信號輸出、64kflash的存儲空間以及在線編程能力，使用其pwm模塊可方便準確的調節液壓泵的電壓，64kflash空間可滿足程序和數據的存儲，在線編程使系統調試方便快捷。通過鍵盤輸入使系統開始工作并確定制氫速度，壓力傳感器采集反應室內的壓強信號并反饋到控制系統中從而調節液壓泵的電壓或高速電磁閥的周期開關時間來控制系統的制氫速度，系統中安裝溫度傳感器，可以對反應室溫度及散熱器進出口的溫度等進行精確測量，溫度一旦過高時控制系統報警或停機；顯示屏中顯示用戶設定值、壓力信號、溫度信號和制氫速度等相關信息。溫度傳感器采用熱敏電阻。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。