基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源及供电方法与流程

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本发明涉及氢能源技术领域,特别涉及一种基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源及供电方法。



背景技术:

近年来新能源汽车受到越来越多的重视,各种类型的新能源汽车陆续上市。目前常见的是采用锂电池作为电源的新能源汽车,具有清洁无污染的优点,符合当下的环保要求。但是,采用锂电池作为电源,存在充电时间长、续航里程不足等问题,且为其提供电能的充电站等配套设施与现有的加油站及运输储存设施不兼容,完全替换需要投入巨大的财力物力,成本高昂。

另一种新能源汽车模式是采用氢气作为能源提供动力,其氢能转换模式包括氢内燃机或氢燃料电池两种。其中,氢燃料电池与锂电池结合作为新能源汽车动力,可以解决充电时间和续航里程的问题。现有的技术是采用高压储氢罐储氢,为氢燃料电池提供氢气。由于锂电池有因为过热或短路引起燃烧爆炸的问题,而燃料电池的高压储氢罐同样有可能因为氢气泄露引起燃烧爆炸,从而使锂电池与高压储氢罐在同一车上的安全隐患大大增加。而安全是新能源汽车能否大规模应用最重要的决定因素之一,因此,上述问题导致现有的氢燃料电池新能源汽车无法进入大规模商业应用。

中国地质大学(武汉)可持续能源实验室研究团队,在程寒松教授的带领下,经长期的研究发现了一类有机液态共轭分子储氢材料,这类材料具有闪点高,熔点低、在高效催化剂作用下脱氢温度低、释放气体纯度高等特点,且可逆性强,循环寿命高,并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池催化剂的气体。作为氢的载体,这类材料在常温下以液态方式存在,可以像汽油一样在常温常压下储存和运输,可利用现有汽油输送方式和加油站设备。这种有机材料的发现,为解决现有的氢燃料电池新能源汽车的安全问题提供了基础。



技术实现要素:

本发明解决的技术问题在于提供一种基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,提高氢燃料电池新能源汽车的安全性,且解决充电时间和续航里程的问题。

为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:

基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,用于新能源汽车的车载动力系统中,包括用于提供氢气的有机液态氢源装置、用于将氢能转换为电能的氢能转换装置和用于管理电能的电源管理装置,以及温度管理装置;

所述有机液态氢源装置包括用于储存有机液态氢源材料和有机液态储氢载体的储存设备,及用于产生氢气的脱氢装置;

所述氢能转换装置包括用于发电的氢燃料电池,所述氢燃料电池为中温燃料电池电堆或者高温燃料电池电堆;

所述电源管理装置包括用于储存电能的二次电池以及用于电能管理的电能管理单元;

所述脱氢装置设有第一热交换设备,所述氢燃料电池设有第二热交换设备,所述二次电池设有第三热交换设备,所述第一热交换设备、第二热交换设备、第三热交换设备通过管道传热设备连接;

所述温度管理装置用于管理系统温度以及控制所述第一热交换设备、第二热交换设备、第三热交换设备及管道传热设备的运行。

进一步的,所述氢燃料电池产生的电能输入所述二次电池储存,所述二次电池在所述电能管理单元的控制下对外部负载供电。

进一步的,所述电能管理单元连接汽车的行车电脑,并根据所述行车电脑提供的行车及路况数据计算平均行车能耗,调节二次电池与燃料电池电量的合理分配,控制所述氢燃料电池平稳运行。

优选的,所述储存设备包括用于存放有机液态氢源材料的第一储存罐/储存室和用于存放有机液态储氢载体的第二储存罐/储存室,所述第一储存罐/储存室的输出口设置有用于输送有机液态氢源材料的泵。

优选的,所述脱氢装置包括用于有机液态氢源材料进行脱氢反应的脱氢反应器以及用于催化脱氢反应的脱氢催化剂。

进一步的,所述有机液态氢源装置还包括缓冲罐,所述缓冲罐用于储存所述脱氢装置产生的氢气,所述氢燃料电池使用所述缓冲罐中的氢气发电。

优选的,所述脱氢装置中进行脱氢反应的反应条件为温度120~280℃,气压 0.1~0.4MPa。

进一步的,所述脱氢装置还设有用于加热所述脱氢装置的加热装置,所述温度管理装置还用于控制所述加热装置的工作温度。

优选的,所述加热装置为电加热设备,使用所述二次电池提供的电能进行加热。

优选的,所述加热装置为氢燃烧设备,使用所述脱氢装置提供的氢气燃烧加热。

进一步的,所述中温燃料电池电堆的工作温度为140~300℃,所述高温燃料电池电堆的工作温度为300~800℃。

优选的,所述管道传热设备中的导热介质为高温导热介质。

优选的,所述管道传热设备中的导热介质为有机液态氢源材料,所述储存设备中的有机液态氢源材料经所述管道传热设备后进入脱氢装置进行脱氢反应。

本发明还提供了一种使用上述的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源供电的方法,包括如下步骤:通过泵将储存在储存设备中的有机液态氢源材料输入脱氢装置进行脱氢反应,得到氢气和有机液态储氢载体,所述氢气进入氢燃料电池,所述氢燃料电池通过电源管理单元为二次电池充电,所述电源管理装置为汽车或其它外部负载供电。

本发明还提供了另一种使用上述的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源供电的方法,包括如下步骤:通过泵将储存在储存设备中的有机液态氢源材料送入所述管道传热设备,吸收热量后进入脱氢装置进行脱氢反应,得到氢气和有机液态储氢载体,所述氢气进入氢燃料电池,所述氢燃料电池通过电源管理单元为二次电池充电,所述电源管理装置为汽车或其它外部负载供电。

进一步的,所述脱氢装置产生的氢气先进入缓冲罐储存,所述氢燃料电池使用缓冲罐中的氢气发电。

本发明的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,采用储存在储存设备中的有机液态储氢材料作为氢源,使用时在脱氢装置中经脱氢反应产生氢气,供氢燃料电池使用。所述有机液态储氢材料具有闪点高、熔点低,在催化剂作用下能释放出高纯度氢气,且脱氢温度低、可逆性强、循环寿命长、不产生有害燃料电池催化剂的气体等优点。因此,采用该种有机液态储氢材料作为氢源,对比现有的采用高压储氢罐作为氢源的方式,避免了因氢气泄露引起燃烧爆炸的风险,大大提高了氢源的安全性。氢燃料电池产生的电能为二次电池充电,并由电能管理单元统一管理二次电池的充电和放电,常用的二次电池为锂电池。采用这种方式,既避免了二次电池因为过热或短路引起燃烧爆炸的危险,又可以稳定持续的为新能源汽车中的外部负载供电,在提高安全性的同时也解决了充电时间和续航里程的问题。作为进一步的改进,上述电能管理单元连接汽车的行车电脑。所述行车电脑包括电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)和车载导航装置等,是普遍配置于汽车中的电子控制设备,其不仅能管理车上的电子设备,还能与外部设备通过无线网络进行通信,获取实时路况等数据信息。电能管理单元根据所述行车电脑提供的行车及路况数据计算平均行车能耗,调节二次电池与燃料电池电量的合理分配,以达到控制所述氢燃料电池平稳运行,从而节约能耗、提高氢燃料电池寿命的目的。

本发明的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,其氢燃料电池为工作温度在140~300℃范围的中温燃料电池电堆,或者工作温度在300~800℃范围的高温燃料电池电堆。由于氢燃料电池具有较高的工作温度,可以将其作为热源提供热量加热液态氢源材料,从而提高整个系统的热能利用效率。同时,二次电池在工作时也会发热,产生多余热量,因此也可以作为热源。具体的,在所述脱氢装置上设有第一热交换设备,在所述氢燃料电池、二次电池上分别设有第二、第三热交换设备,所述第一、第二、第三热交换设备通过管道传热设备连接。在上述的管道传热设备中,导热介质可以是高温导热介质,从而可以将氢燃料电池、二次电池产生的剩余热量传递到脱氢装置上,满足脱氢装置中的反应条件,同时也冷却了氢燃料电池和二次电池,提高了系统的热效率。

更优选的,管道传热设备中的导热介质也可以是有机液态氢源材料。采用有机液态氢源材料时,可将管道传热设备分别与有机液态氢源材料的储存设备和脱氢装置相连接,使有机液态氢源材料经所述管道传热设备吸收热量后进入脱氢装置进行脱氢反应,从而进一步提高系统的热能利用效率,且简化了系统结构,节约了空间。

同时,为了避免热交换设备提供的热量不能满足脱氢装置中的反应条件,本系统还于脱氢装置上设置了加热装置,以便保证脱氢反应的正常进行。

本发明的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,采用两个储存罐分别存放储存氢气的有机液态氢源材料和脱氢后的有机液态储氢载体。作为氢的载体,这类材料在使用过程中始终以液态方式存在,可以像石油一样在常温常压下储存和运输,完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架,大大节省了投资成本。脱氢装置采用脱氢反应器,在第一热交换设备和/或加热装置加热和脱氢催化剂的催化下可高效的产生氢气供燃料电池发电。优选的,脱氢装置产生的氢气先进入缓冲罐存储,燃料电池使用缓冲罐中的氢气发电,可以提高供氢的稳定性和发电效率。所述脱氢反应器中进行脱氢反应的反应条件为温度120~280℃,气压 0.1~0.4MPa。上述加热装置可以是由二次电池供电的电加热装置,也可以是由缓冲罐提供氢气的氢燃烧设备,结构紧凑,节约空间。本发明所提供的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,是一种清洁环保、使用方便的电源系统,用于新能源汽车,不仅解决了充电时间和续航里程的问题,更重要的是避免了现有的高压储氢罐与锂电池在同一车上的安全隐患,大大提高了系统的安全性,使采用该智能电源的新能源汽车能够进行大规模商业应用,带来巨大的社会效益和经济效益。同时,本发明的智能电源也可以用于汽车,轮船,飞行器等移动设备或固定设备作为动力能源,具有广泛的用途。

使用本发明的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源供电的方法,具有清洁高效、安全性好、热能利用率高且供电稳定的优点,能广泛应用于新能源汽车或其他交通工具或固定设备,经济效益好,有很好的商业应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源的一个优选实施例的结构示意图;

附图标记说明:1-储存罐一,2-泵,3-管道传热设备,4-脱氢反应器,5-缓冲罐,6-氢燃料电池,7-第一热交换设备,8-温度管理装置,9-锂电池,10-第二热交换设备,11-第三热交换设备,12-电源管理装置,13-储存罐二。

具体实施方式

为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。

本发明提供了一种基于液态氢源和中高温燃料电池的智能电源,用于新能源汽车的车载动力系统中,包括:

用于提供氢气的有机液态氢源装置、用于将氢能转换为电能的氢能转换装置和用于管理电能的电源管理装置,以及温度管理装置;

所述有机液态氢源装置包括用于储存有机液态氢源材料和有机液态储氢载体的储存设备,及用于产生氢气的脱氢装置;

所述氢能转换装置包括用于发电的氢燃料电池,所述氢燃料电池为中温燃料电池电堆或者高温燃料电池电堆;

所述电源管理装置包括用于储存电能的二次电池以及用于电能管理的电能管理单元;

所述脱氢装置设有第一热交换设备,所述氢燃料电池设有第二热交换设备,所述二次电池设有第三热交换设备,所述第一热交换设备、第二热交换设备、第三热交换设备通过管道传热设备连接;

所述温度管理装置用于管理系统温度以及控制所述第一热交换设备、第二热交换设备、第三热交换设备及管道传热设备的运行。

其中,本发明的智能电源中使用的有机液态储氢载体是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系,包括至少两种不同的有机储氢组分,储氢组分为杂环不饱或不饱和芳香烃和化合物,且至少一种有机储氢组分为熔点低于80℃的低熔点化合物。上述有机液态储氢载体在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成有机液态氢源材料,有机液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为有机液态储氢载体,具有闪点高、熔点低,在高效催化剂作用下能释放出高纯度氢气,且脱氢温度低、循环寿命长、可逆性强、不产生毒害燃料电池催化剂的气体等优点。

用于储存有机液态氢源材料和有机液态储氢载体的储存设备,可以是储存罐或者其它形式,体积可以是微型或着车载或着大型储存罐体。储存设备可以采用分别储存有机液态氢源材料和有机液态储氢载体的储存罐,每个储存罐分别设置有有输入口和输出口。储存设备也可以是设置有分别存放有机液态氢源材料和有机液态储氢载体的空间:第一存放室和第二存放室,第一和第二存放室各设置有输入口和输出口。第一储存罐或存放室的输出口设置有泵,通过泵的运转,有机液态氢源材料被输入脱氢反应器。

脱氢装置中的脱氢反应器可以采用塔式、列管式、板式或其他形式,内部填充有脱氢催化剂。脱氢过程是在120~250℃,0.1~0.4MPa大气压下、在脱氢催化剂的作用下进行,有机液态氢源材料在反应器中被催化分解为氢气和有机液态储氢载体,反应产物直接在反应器内分离,氢气进入氢燃料电池发电,有机液态储氢载体回流第二存罐或存放室。或者反应产物先被输入气液分离装置里进行分离,氢气进入氢燃料电池发电,有机液态储氢载体回流第二存罐或存放室。

作为进一步的优选方案,上述过程中产生的氢气先被输送到缓冲罐,之后氢气从缓冲罐被输送至燃料电池,从而保证了氢气的稳定供应。

本发明的智能电源中,氢燃料电池为工作温度在140~300℃范围的中温燃料电池电堆,或者工作温度在300~800℃范围的高温燃料电池电堆。由于具有较高的工作温度,可以将其作为热源提供热量加热液态氢源材料,从而提高整个系统的热能利用效率;同时,锂电池在工作时也会发热,产生多余热量,因此也可以作为热源,从而提高整个系统的热能利用效率。

具体的,在脱氢装置上设有第一热交换设备,在氢燃料电池、二次电池上分别设有第二、第三热交换设备,第一、第二、第三热交换设备通过管道传热设备连接。在管道传热设备内设有高温导热介质。系统工作时,通过管道传热设备内的导热介质吸收中温燃料电池电堆或高温燃料电池电堆以及锂电池的热量,既冷却了燃料电池和锂电池,又可以经热交换设备对反应器进行加热,从而大大提高了系统的热能利用效率。

或者,作为进一步的优选方案,上述管道传热设备的两端分别连接有机液态氢源材料储存设备的输出口和脱氢反应器的输入口,管道传热设备内的导热介质为有机液态氢源材料。此时,有机液态氢源材料经管道传热设备先进入第三热交换设备、第二热交换设备后再进入第一热交换设备,将二次电池和氢燃料电池产生的热量传导给脱氢反应器后,再进入反应器进行脱氢反应,从而进一步提高系统的热效率,同时也简化了系统结构。上述过程中,反应器加热,氢燃料电池和锂电池的冷却均通过温度管理装置控制。

为了避免热交换设备提供的热量不足以满足脱氢装置中脱氢反应的反应条件,作为进一步的改进,还可以在脱氢反应器外部设置加热装置,该加热装置可以为电加热装置、氢燃烧加热器、微波加热装置或其他加热装置。其中,电加热装置可以使用二次电池作为电源,氢加热器是使用反应器制取的部分氢气进行燃烧后产生的热量来进行加热的设备。上述加热装置结合第一热交换装置,将脱氢反应器外部的温度保持在120~290℃,使得有机液态氢源材料能在脱氢反应器内部120~250℃温度下进行脱氢反应。

本发明的智能电源中,氢燃料电池发出的电给二次电池充电,二次电池再对外部负载供电。优选的,二次电池为锂电池,在电能管理单元的统一管理下充电和放电。采用这种方式,既避免了锂电池因为过热或短路引起燃烧爆炸的危险,又可以稳定持续的为新能源汽车中的外部负载供电。进一步的改进是电能管理单元连接汽车的行车电脑,以获取汽车行驶数据和实时路况等数据信息。电能管理单元根据所述行车电脑提供的行车及路况数据计算平均行车能耗,并根据计算得到的平均行车能耗及前方路况信息控制氢燃料电池平稳运行,并合理分配锂电池的电量,在提供足够电能的同时达到节约能耗并提高氢燃料电池寿命的目的。

具体的,在一个简单的实施例中,可包括如下步骤:

1)电能管理单元连接行车电脑,得到计划行驶距离,根据当前及计划行驶距离内行车电脑提供的路况信息(如道路拥堵情况等)得到平均行驶速度;

2)电能管理单元根据上述信息进行计算,预估下一段时间内汽车的平均行车能耗;

3)根据上述计算结果,控制氢燃料电池的运行功率,使得燃料电池在运行期间内,其运行功率变化最小(稳定的运行功率可以同时提高燃料电池和锂电池的寿命和能量转换效率);

4)电能管理单元根据实际路况信息调整上述计算数据,控制氢燃料电池的运行及锂电池的电量分配。

下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步说明。

如图1所示,储存设备为储存罐,有机液态氢源材料存放在储存罐一1内,储存罐一1设置有有输入口和输出口,在储存罐一1的输出口设置有泵2。锂电池9上设有第三热交换设备11,氢燃料电池6上设有第二热交换设备10,脱氢反应器4上设有第一热交换设备7,上述泵2、第三热交换设备11、第二热交换设备10、第一热交换设备7依次通过管道传热设备3连接;或者,也可以是管道传热设备3依次绕设于第三热交换设备11、第二热交换设备10、第一热交换设备7上。通过泵2的运转,有机液态氢源材料经管道传热设备3依次进入第三热交换设备11、第二热交换设备10及第一热交换设备7后进入脱氢反应器4;或者经绕设于第三热交换设备11、第二热交换设备10、第一热交换设备7上的管道传热设备进入脱氢反应器4。脱氢反应器4为塔式反应器,内部填充有脱氢催化剂。有机液态氢源材料在脱氢反应器4中被分解为氢气和有机液态储氢载体,有机液态储氢载体被输送回储存罐二13。氢气被输送到缓冲罐5,然后从缓冲罐输送至氢燃料电池6。温度管理装置12通过热电偶及泵的流速控制第一、第二、第三热交换设备的温度。燃料电池6通过电源管理装置8为锂电池9充电,电源管理装置8为汽车电机或其他负载供电。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但实施例和附图并不是用来限定本发明,任何熟悉此技艺者,在不脱离本发明之精神和范围内,自当可作各种变化或润饰,但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

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