金属氢化物储氢与燃料电池联合系统技术方案

本发明专利技术属于手机信号基站的备用电源系统技术领域，特别涉及一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统。本发明专利技术将金属氢化物储氢罐设置在与排风管道连通的热交换腔室内，当燃料电池工作时，金属氢化物储氢罐利用从燃料电池排出的热空气加热储氢合金粉末进行放氢，保证储氢合金粉末处于有效放氢温度区，从而令其有效放氢量达到最高。引入到热交换腔室中并且被储氢合金粉末冷却的空气与新鲜空气混合后，循环提供给燃料电池，因此可以提高燃料电池的冷却性能。本发明专利技术的方法并不局限于空冷式燃料电池系统，还可应用于水冷式燃料电池系统。

【技术实现步骤摘要】
金属氢化物储氢与燃料电池联合系统
本专利技术属于备用电源系统
，特别涉及一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。
技术介绍
用于手机信号基站应急发电用的燃料电池系统，一般采用质子交换膜燃料电池，这种燃料电池系统的燃料电池主体通常为通过堆叠多个被称为单体电池的最小结构单元而获得的燃料电池堆。一般的燃料电池包括分别提供氢的阳极和提供氧的阴极，氢气在阳极侧的电解质膜表层的催化剂中转换为活性氢原子，并且进一步放出电子转换为氢离子，该反应被表达如下：H2→2H++2e(公式1)氢离子从阳极侧穿过电解质膜迁移到阴极，同时电子穿过外电路迁移到阴极形成电流，电流流过外电路中的负载为基站系统提供电力。空气中的氧气在阴极的催化剂层中接收外电路提供的电子，分解为氧原子并进一步转换为氧离子，然后与穿过电解质膜迁移来的氢离子结合，产生水，部分水通过浓度扩散从阴极迁移到阳极。该反应被表达如下。O2+4H++4e→2H2O(公式2)在上述反应中存在各种损耗，如由电解质膜和电极电阻导致的电阻过电压，由氢氧之间的电化学反应导致的反应过电压，以及由氢氧穿过扩散层的迁移导致的扩散过电压，由此产生的废热需要被散去。包括上述单体电池的燃料电池系统的冷却方式有水冷式和空冷式。水冷式燃料电池系统除了必要的水循环系统之外，还包括许多附件，如用于提供压缩空气以提高燃料电池堆的输出密度的压缩器，因而导致水冷式燃料电池系统复杂，体积庞大，价格昂贵，消耗电力巨大而且维修保养困难。空冷式燃料电池系统使用风扇提供空气作为反应气体和冷却介质。空冷式燃料电池系统消耗电力少、体积小、解构简单，价格低廉，且保养维修容易，但由于空气流量有限，冷却能力比水冷式燃料电池系统的冷却能力低。因此在某些情况下，燃料电池堆的工作温度范围窄，且容易产生燃料电池过热停机的问题。另外，对于手机信号基站的备用电源系统而言，为燃料电池提供氢气的储氢系统一般使用高压容器储氢。使用高压钢瓶存储氢气对环境条件要求少，成本低廉，但由于充氢所需压力高，因此一般需要通过更换气瓶进行氢气补充，而不能利用水电解制氢补充。由于每次紧急停电时启动并使用燃料电池备用电源所需的工作时间不定，氢气消耗量不同，如果使用高压气瓶难以控制氢气残留量与更换气瓶补充氢气的时间，容易造成资源浪费或者储氢量不足。而金属氢化物包括储氢合金包括AB2(TiMn2)，AB(TiFe)，AB5(LaNi5)，A2B(Mg2Ni)和BCC相(Ti-V基)合金，其中以AB2系和AB系储氢合金适用于常温环境，且储氢合金存储氢气所需的充氢压力低，储氢量大，可以在常温下达到吸氢最大值，可以使用储氢合金罐与与电解水制氢系统的组合，在电力充足的时候电解水制氢，利用储氢合金可以在较低压力下大量吸氢的特性补充氢气储备，在紧急停电的时候放出氢气提供电力。但金属氢化物储氢罐吸放氢过程对环境温度要求较高。储氢合金在放氢过程中需要大量吸热，如果温度过低会导致放氢量降低；在吸氢过程中大量放热，如果温度过高会导致吸氢性能下降。因此在手机基站用应急发电燃料电池系统中直接使用金属氢化物储氢罐时，需要特殊的罐体设计以提高换热效率。为了避免上述问题，有文献提出了利用金属氢化物储氢系统放氢吸热的性能为燃料电池提供额外的冷却作用的设计。比如专利200810148884.X公开了利用金属氢化物储氢系统为燃料电池提供氢气的同时，也利用燃料电池的散热为金属氢化物升温的设计。然而在上述专利文献中公开的技术主要针对车载燃料电池系统进行设计，使用的耗电设备过多，不适用于基站应急备用电源系统，另外，对于储氢合金选择标准的不同也导致了适用设计的不同，如专利文献中的储氢系统主要使用了轻质的Mg基储氢合金，其所需要的300℃放氢温度对于基站用应急电源燃料电池系统，其升温所需时间和额外能耗方面并不适用于紧急停电状态下的基站燃料电池备用电源系统。专利文献中也未考虑储氢合金的抗毒化性能，而利用冷却剂作为热量转移介质的设计对无人监控下长期停机及需要紧急启动工作的储氢合金气罐存在较大的毒化风险。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种适用于金属氢化物特点的储氢罐及换热系统，利用燃料电池系统的废热，为金属氢化物储氢罐提供适合的放氢工作温度，使储氢合金达到最大有效储氢效率，并且利用金属氢化物储氢罐的吸热过程提高燃料电池堆的冷却性能。基于此，本专利技术提供了一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统。一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，该联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统；所述燃料电池系统包括燃料电池3，燃料电池3的阴极侧与进风管道2连通，进风管道2的进风口设有过滤器1；燃料电池3的阳极侧与排风管道6的进风口连通；燃料电池3与第一温度传感器19连接，并通过导线连接至外部负载17；在进风管道2的进风口处或排风管道6的进风口处安装排风扇5；排风管道6的排风口与热交换腔室7的一端连通；热交换腔室7另一端连接排气管道15的进气口，热交换腔室7与排气管道15的连接处设有清除阀24，排气管道15的排气口与所述进风管道2连通；热交换腔室7与氢气浓度传感器23连接，氢气浓度传感器23连接至清除阀24；所述金属氢化物储氢系统包括金属氢化物储氢罐13，其内部填充储氢合金粉末14，所述金属氢化物储氢罐13设置在热交换腔室7内，其一端安装气阀8，气阀8一端连接氢气输出管道9，氢气输出管道9的另一端与热交换腔室7外侧的氢气供给管道10连通，氢气供给管道10通过氢气加压阀11连通至燃料电池3的阳极进气部；气阀8另一端连接氢气输入管16，氢气输入管16连接至所述电解水制氢系统的电解水制氢装置22；金属氢化物储氢罐13与第二温度传感器21连接；所述第一温度传感器19、第二温度传感器21，以及排风扇5分别连接至排风扇控制器20。所述热交换腔室7内壁设有散热叶片12。所述热交换腔室7截面形状为圆形，其外壳下部设有支架18。所述储氢合金粉末14为AB系或AB2系储氢合金。所述排风扇5采用防爆结构。本专利技术的有益效果为：通过实际测试，燃料电池燃烧产生的废热与AB系或AB2系储氢合金放氢吸热所需的热能接近，实际使用中废热也存在许多损耗，因此设计中的散热通道得以简化。本专利技术将金属氢化物储氢罐设置在与排气管道连通的热交换腔室内，当燃料电池工作时，金属氢化物储氢罐利用从燃料电池排出的热空气加热储氢合金粉末进行放氢，保证储氢合金粉末处于有效放氢温度区，从而令其有效储氢量达到最高。该设计中，储氢合金粉末不会与水及其他物质接触，避免了AB系储氢合金因与水及其他物质接触反应毒化而失去储氢能力。此外，本专利技术可以将引入到热交换腔室中并且被金属氢化物储氢罐冷却的空气与新鲜空气混合后，循环提供给燃料电池堆，因此可以提高燃料电池堆的冷却性能。附图说明图1为本专利技术一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统示意图；图2为图1所示联合系统中热交换腔室的侧面透视图；图3为图1所示联合系统的控制系统设计图。标号说明：1-过滤器，2-进风管道，3-燃料电池，4-燃料电池堆，5-排风扇，6-排风管道，7-热交换腔室，8-气阀，9-氢气输出管道，10-氢气供给管道，11-氢气加压阀，12-散热叶片，13-金属氢化物储氢罐，14-储氢合金粉末，15-排气管道，16-氢气输入管，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统；所述燃料电池系统包括燃料电池(3)，燃料电池(3)的阴极侧与进风管道(2)连通，进风管道(2)的进风口设有过滤器(1)；燃料电池(3)的阳极侧与排风管道(6)的进风口连通；燃料电池(3)与第一温度传感器(19)连接，并通过导线连接至外部负载(17)；在进风管道(2)的进风口处或排风管道(6)的进风口处安装排风扇(5)；排风管道(6)的排风口与热交换腔室(7)的一端连通；热交换腔室(7)另一端连接排气管道(15)的进气口，热交换腔室(7)与排气管道(15)的连接处设有清除阀(24)，排气管道(15)的排气口与所述进风管道(2)连通；热交换腔室(7)与氢气浓度传感器(23)连接，氢气浓度传感器(23)连接至清除阀(24)；所述金属氢化物储氢系统包括金属氢化物储氢罐(13)，其内部填充储氢合金粉末(14)，所述金属氢化物储氢罐(13)设置在热交换腔室(7)内，其一端安装气阀(8)，气阀(8)一端连接氢气输出管道(9)，氢气输出管道(9)的另一端与热交换腔室(7)外侧的氢气供给管道(10)连通，氢气供给管道(10)通过氢气加压阀(11)连通至燃料电池(3)的阳极进气部；气阀(8)另一端连接氢气输入管(16)，氢气输入管(16)连接至所述电解水制氢系统的电解水制氢装置(22)；金属氢化物储氢罐(13)与第二温度传感器(21)连接；所述第一温度传感器(19)、第二温度传感器(21)，以及排风扇(5)分别连接至排风扇控制器(20)。...

【技术特征摘要】
1.一种金属氢化物储氢与燃料电池联合系统，其特征在于，所述联合系统包括燃料电池系统、金属氢化物储氢系统和电解水制氢系统；所述燃料电池系统包括燃料电池(3)，燃料电池(3)的阴极侧与进风管道(2)连通，进风管道(2)的进风口设有过滤器(1)；燃料电池(3)的阳极侧与排风管道(6)的进风口连通；燃料电池(3)与第一温度传感器(19)连接，由第一温度传感器(19)测量燃料电池(3)的温度，且燃料电池(3)通过导线连接至外部负载(17)；在进风管道(2)的进风口处或排风管道(6)的进风口处安装排风扇(5)；排风管道(6)的排风口与热交换腔室(7)的一端连通；热交换腔室(7)另一端连接排气管道(15)的进气口，热交换腔室(7)与排气管道(15)的连接处设有清除阀(24)，排气管道(15)的排气口与所述进风管道(2)连通；热交换腔室(7)与氢气浓度传感器(23)连接，由氢气浓度传感器(23)测量热交换腔室(7)中的氢气浓度，氢气浓度传感器(23)连接至清除阀(24)；所述金属氢化物储氢系统包括金属氢化物储氢罐(13)，其内部填充储氢合金粉末(14)，所述金属氢化物储氢罐(13)设置在热交换腔室(7)...

【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