一种用于通信基站的制氢‑储氢燃料电池备用电源系统技术方案

本发明专利技术属于燃料电池技术及电化学领域，尤其涉及一种用于通信基站的制氢‑储氢燃料电池备用电源系统。为解决当前燃料电池没有专门针对通信基站使用的制储燃一体化设计，并且氢气利用率无法达到最优的问题。本发明专利技术提出一种用于通信基站的制氢‑储氢燃料电池备用电源系统。所述系统包括电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、控制单元和输出单元。在市电稳定时，通过市电驱动电解水制氢系统制备氢气储存在合金储氢罐中，当市电掉电时，将氢气作为燃料提供给燃料电池发电系统。这种制储燃一体化备用电源系统可满足掉电时通讯基站电力供应需求，能够长期待机或频繁启动，高效环保，符合通讯基站需要的备用电源模式，同时提高了能源利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统
本专利技术属于燃料电池技术及电化学领域，尤其涉及一种用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统。
技术介绍
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，其主要优点在于清洁和高效，氢气的燃烧热值高，燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。氢气也可以由水制取，可以直接存储、运输及使用。燃料电池电源是广泛应用于通信领域的应急备用电源，也可作为电网不方便地区的独立电源。燃料电池将燃料的电化学能转化为电能，其效率远远高于内燃机效率。用氢能作为燃料电池的燃料无疑是最佳选择。然而氢的存储与输送是氢能利用中的重要环节，如何做到安全、高效和无泄漏是必须要考虑的问题。目前，合金储氢技术可以实现在常温环境下充放氢气，储氢密度极大，接近液态储氢，并且吸氢压力也仅为一般气态储氢气瓶所需压力的五分之一，适合与各种制氢设备连接。然而合金储氢技术的储氢密度巨大，由此导致此类储氢系统在放氢过程中需要大量吸热，短时间过快放氢会导致储氢合金温度急剧下降，从而降低了合金的有效放氢量。目前在燃料电池系统设计中，通常以气态储氢气瓶为供氢单元，没有在不同功率、压力及储氢量变化的条件下，有效管理氢气输入的流量和废热循环效率的设计，导致合金储氢罐有效的氢气利用效率无法达到最优，浪费了大量氢气储量。目前通信基站主要以铅酸蓄电池作为主要的后备电源，其缺陷主要在于维护成本高，使用寿命短，不能长时间连续供电，对环境污染严重，过冷过热、过充过放、快充快放都会导致储量大幅下降，为了让铅酸电池长时间连续供电，还需增加数倍储量的电池系统，占用更大的空间，同时电池系统冷藏处理也耗费大量电能。新兴的锂离子电池虽然避免了铅酸电池的缺点，但其本身易燃易爆，安全性较差。而另一类稳定的镍氢电池则价格高昂，过充过放损害较大，不利于长期待机储能。燃料电池电源系统可以避免电池类备用电源的缺点，其效率高、易维护，在应急和防灾方面有很大的优势，易于智能化管理，对突然停电和突发性灾害有很好的预见性；使用寿命可达数千小时，长期待机不损害使用寿命，是通讯基站备用电源系统的最佳选择。目前虽然已有许多针对燃料电池作为备用电源系统的研究，但尚无专门针对通讯基站情况和需求的使用电解水制氢的一体化设计。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，包括：电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、控制单元和输出单元；电解水制氢单元包括中碱液电解水装置或高分子电解质膜水电解装置；合金储氢单元包括合金储氢罐、换热叶片和热交换腔室；燃料电池单元包括风冷式质子交换膜燃料电池电堆、电磁阀、传感器、内部控制电路、充电控制器、锂离子电池和DC/DC逆变器；控制单元包括PLC模块、模拟量采集单元、人机交互界面和远程操控模块、驱动电路、微控制器、D/A输出模块、PWM输出模块和RS232通讯模块；输出单元包括AC/DC逆变器、巡检单元和负载电路；所述电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、输出单元与控制单元依次相连，所述控制单元的输出端经驱动电路与燃料电池单元相连。所述巡检单元包括信号整理电路和A/D采样模块。所述人机交互界面包括LCD显示屏、声光告警装置、开关按钮和通信模块；LCD显示屏用于显示电解水制氢单元、储氢单元、燃料电池单元、输出单元和模拟量采集单元相应的数据和状态，声光告警装置用于在系统不安全时发出告警信号，开关按钮用于打开或关闭系统，通讯模块用于数据的传输。所述DC/DC逆变器包括48VDC/DC电源模块、电流传感器、电压传感器和温度传感器；电流传感器负责采集相关电流数据并传输至内部控制电路，电压传感器负责采集相关电压数据并传输至内部控制电路。所述模拟量采集单元包括信号整理电路、微控制器、A/D采样模块；所述模拟量采集单元用来采集燃料电池电堆温度、电压、电流、电解水系统氢气纯度、压力、环境温度、氢气浓度等数据，并通过RS232通讯模块传输至控制单元的PLC模块。所述通信模块包括RS232通讯模块、USB通信模块和GPRS通信模块。所述电解水制氢单元使用中高压电解水装置，利用碱性电解槽制氢设备电解水反应或者高分子电解质膜水电解制备氢气，所述碱性电解槽制氢设备包括电解槽、氢侧系统、氧侧系统、补给水系统、纯水设备、碱液系统，工作温度70-80℃，电解液使用KOH溶液；电解后的氢气经过吸附纯化后露点降低至-70℃，微氧含量低于5ppm，通过电化学增压达到2.5-8MPa后储存在合金储氢罐中备用。所述合金储氢单元，储氢合金使用AB或者AB2系合金粉末，颗粒直径为0.1-0.5mm，合金储氢罐罐体采用316L不锈钢或者16MnR低碳钢制造，换热叶片使用铝或铝合金翅片，热交换腔使用PVC材料，合金储氢罐放出的氢气通过压力控制器减压至1.6atm后送入燃料电池单元，放氢吸热产生的冷气输入燃料电池系统为电堆控温。一种基于权利要求1所述的用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统的工作方法，包括以下步骤：步骤一：在市电稳定时，通过市电驱动中高压电解水装置制备氢气，电解后的氢气经过吸附纯化后通过电化学增压直接储存在合金储氢罐中备用；步骤二：当市电掉电时，自动启动燃料电池，储存在合金储氢罐中的氢气作为燃料提供给燃料电池单元发电为通讯基站供电；同时利用燃料电池废热与合金放氢吸热耦合，综合利用能源。步骤三：模拟量采集单元将采集到的电堆温度、电压、电流、电解水系统氢气纯度、压力等数据，通过RS232通讯模块传输至控制单元的PLC模块，通过人机交互界面实时显示系统数据，控制单元控制系统各个模块，同时对系统的各种数据信号进行分析。本专利技术的有益效果在于：(1)与传统技术相比，本专利技术通过电解水制氢系统与储氢燃电系统一体化，避免了氢气在运输和更换储存中存在的困难和风险。与甲烷制氢类燃料电池电源系统相比，运输和补充纯水都更加安全、清洁、廉价。(2)本专利技术充分利用了合金储氢吸热产生的制冷效果与燃料电池电堆的废热耦合，提高了能源利用效率；(3)这种制储燃一体化备用电源系统可满足掉电时通讯基站电力供应需求，能够长期待机或频繁启动，高效环保，符合通讯基站需要的备用电源模式。附图说明附图1是通信基站用制氢-储氢燃料电池备用电源系统的设计结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细说明。附图1为通信基站用制氢-储氢燃料电池备用电源系统的设计结构图，如图1所示，包括电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、控制单元和输出单元。其中，所述电解水制氢单元包括中高压电解水装置、水箱、吸附纯化器、氢气纯度检测器；所述合金储氢单元包括合金储氢罐、换热叶片和热交换腔室；所述燃料电池单元包括燃料电池电堆、电堆温度传感器、流量控制器、散热风扇、减压阀、安全电磁阀，排氢电磁阀、压力传感器、环境温度传感器、氢气浓度传感器、内部控制电路、充电控制器、锂离子电池和DC/DC逆变器；所述控制单元包括PLC模块、模拟量采集单元、人机交互界面、远程操控模块、驱动电路、微控制器、D/A输出模块、PWM输出模块和RS232通讯模块；所述输出单元包括AC/DC逆变器、巡检单元和负载电路。所述合金储氢单元出气口通过管路与所述燃料电池单元的输入端相连，所述燃料电池单元的输出端与所述输出单元的输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通信基站的制氢‑储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，包括：电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、控制单元和输出单元；电解水制氢单元包括中碱液电解水装置或高分子电解质膜水电解装置；合金储氢单元包括合金储氢罐、换热叶片和热交换腔室；燃料电池单元包括风冷式质子交换膜燃料电池电堆、电磁阀、传感器、内部控制电路、充电控制器、锂离子电池和DC/DC逆变器；控制单元包括PLC模块、模拟量采集单元、人机交互界面和远程操控模块、驱动电路、微控制器、D/A输出模块、PWM输出模块和RS232通讯模块；输出单元包括AC/DC逆变器、巡检单元和负载电路；所述电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、输出单元与控制单元依次相连，所述控制单元的输出端经驱动电路与燃料电池单元相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，包括：电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、控制单元和输出单元；电解水制氢单元包括中碱液电解水装置或高分子电解质膜水电解装置；合金储氢单元包括合金储氢罐、换热叶片和热交换腔室；燃料电池单元包括风冷式质子交换膜燃料电池电堆、电磁阀、传感器、内部控制电路、充电控制器、锂离子电池和DC/DC逆变器；控制单元包括PLC模块、模拟量采集单元、人机交互界面和远程操控模块、驱动电路、微控制器、D/A输出模块、PWM输出模块和RS232通讯模块；输出单元包括AC/DC逆变器、巡检单元和负载电路；所述电解水制氢单元、合金储氢单元、燃料电池单元、输出单元与控制单元依次相连，所述控制单元的输出端经驱动电路与燃料电池单元相连。2.根据权利要求1所述的用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，所述巡检单元包括信号整理电路和A/D采样模块。3.根据权利要求1所述的用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，所述人机交互界面包括LCD显示屏、声光告警装置、开关按钮和通信模块；LCD显示屏用于显示电解水制氢单元、储氢单元、燃料电池单元、输出单元和模拟量采集单元相应的数据和状态，声光告警装置用于在系统不安全时发出告警信号，开关按钮用于打开或关闭系统，通讯模块用于数据的传输。4.根据权利要求1所述的用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，所述DC/DC逆变器包括48VDC/DC电源模块、电流传感器、电压传感器和温度传感器；电流传感器负责采集相关电流数据并传输至内部控制电路，电压传感器负责采集相关电压数据并传输至内部控制电路。5.根据权利要求1所述的用于通信基站的制氢-储氢燃料电池备用电源系统，其特征在于，所述模拟量采集单元包括信号整理电路、微控制器、A/D采样模块；所述模拟量采集单元用来采集燃料电池电堆温度、电压、电流、电解水系统氢气纯度、压力、环境温度、氢气浓度等数据，并通...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢淼，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11