一种便携式燃料电池制氢供氢系统及其使用方法与流程

本发明涉及氢气的制备和应用技术领域，特别是涉及一种便携式燃料电池制氢供氢系统及其使用方法。

背景技术：

能源不仅是人类社会生存和不断向前发展的基础和重要保障，而且也是如今世界各国政治、经济、外交所关注的焦点。纵观历史，人类社会的每一次进步都伴随着能源的变化。现阶段世界能源构成还是以煤、石油、天然气三大传统能源为主。

氢是元素周期表中的一号元素，也是已知元素中最小最轻的元素，同时氢也是宇宙中最丰富的元素，宇宙物质的构成元素中氢超过了90％。氢气和氧气燃烧生成水，生成物不仅无污染而且反应过程会释放出巨大的能量，这种能量就是氢能。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。世界各国关于氢能技术的研究与应用正如火如荼地进行着。美国能源部和来自全美各个与氢能相关行业的企业、学校等组织机构共同启动了“国家氢能发展前景和指南”项目并签署未来工作指南。欧洲各发达国家和日本也相继出台了相关政策和鼓励措施。同样，我国也十分重视氢能的开发和利用。北京奥运会期间，氢燃料电池公交汽车已经驶上北京街头，体现“科技奥运，绿色奥运”。上海世博会期间，共有196辆氢燃料电池汽车参加运行，其中燃料电池轿车90辆、燃料电池公交车6辆、燃料电池观光车100辆，历时6个月，是当前世界上规模最大的燃料车示范项目之一。2016年9月17日，全球首台常温常压储氢氢能工程样车“泰歌号”在武汉诞生。这些项目的启动与发展都将推动“氢经济”的快速发展，预示着人们将逐步走向“氢能时代”。

鉴于氢氧燃料电池技术的迅速发展，现已有部分成功商业化，例如，丰田公司的mirai和本田公司的clarity等燃料电池汽车。然而这些产品都存在同样一个问题就是利用笨重的高压瓶储氢，然后为燃料电池供氢。这种供氢方式增加了汽车的自重减少了燃料电池汽车的续航里程。鉴于铝合金水解制氢技术是利用化学反应产生氢气，而燃料电池是一种良好的将氢能转化为电能的工具。因此，我们可以利用铝合金水解制氢系统实时制氢、实时为燃料电池供氢，减少用氢过程中高压瓶储氢环节。现已有相关专利将燃料电池和供氢系统相结合的系统，如申请号为cn201520244776.8和申请号为cn201510012793.3等专利。但这些系统普遍存在着结构复杂，体积庞大，制造成本高，能量利用率低的缺陷，其商业化难度较大。

为此，需开发一种集氢气制备和氢气应用为一体，结构简单，安全可靠，可以实现即时制氢和用氢的系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种便携式燃料电池制氢供氢系统及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其集制氢和用氢为一体，以替换传统的用氢过程中的高压储氢瓶。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种便携式燃料电池制氢供氢系统，包括供水单元、供氢单元和若干个制氢单元；

所述制氢单元内部放有水解制氢铝合金，所述制氢单元的进水口分别通过一进水管与所述供水单元的水泵连通，所述制氢单元通过氢气输出管与所述供氢单元连通；

所述供水单元包括供水控制系统、抽水管和所述水泵，所述水泵通过所述抽水管与所述供氢单元连通，所述水泵与所述供水控制系统电连接，所述供水控制系统能够控制所述水泵依次给所述制氢单元供水；

所述供氢单元包括罐体、调压阀和压力传感器，所述供水单元和所述制氢单元均设置在所述罐体内部，所述罐体用于盛装水，且水面高于所述氢气输出管和所述抽水管的末端，所述压力传感器设置于所述罐体内侧上部，所述压力传感器与所述供水控制系统电连接，所述罐体的上部设有氢气输出口，所述调压阀的输入端与所述氢气输出口连接，所述调压阀的输出端用于与燃料电池单元连通。

优选地，所述制氢单元包括可拆卸密封连接的反应容器和顶盖，所述顶盖上设有用于通过所述进水管和所述氢气输出管的通孔，所述水解制氢铝合金通过透水透气的无纺布袋包裹起来后放置在所述反应容器内。

优选地，所述罐体包括可拆卸密封连接的罐身和罐盖，所述罐盖上设有安全阀和压力表。

优选地，所述氢气输出管延伸至所述罐体的底部。

优选地，所述燃料电池单元为质子交换膜燃料电池。

优选地，所述水泵的泵出口连通一供水总管，所述供水总管连通有与所述制氢单元数量相等的所述进水管，每个所述进水管上均设有一电磁阀，所述电磁阀与所述供水控制系统电连接。

优选地，所述氢气输出管上设有仅能够从所述制氢单元向所述供氢单元开启的单向阀。

优选地，所述罐体呈圆柱体形，所述制氢单元围绕所述罐体中心呈圆周阵列分布。

本发明还提供了一种上述技术方案中任一项所述的便携式燃料电池制氢供氢系统的使用方法，根据燃料电池的供氢流量和使用时间，将一定质量的水解制氢铝合金均分为与制氢单元数相等的质量份分别装入无纺布袋中，然后将无纺布袋通过换料口放入到各个制氢单元中后安装好顶盖和罐盖；

开启供水控制系统，压力传感器将罐体中的实时压力传输给供水控制系统，供水控制系统需根据燃料电池的供氢压力和安全阀的开启压力预设一参比压力，且供氢压力≤参比压力＜开启压力；

供水控制系统将实时压力与参比压力进行比较，若实时压力＜参比压力，供水控制系统则为制氢单元中的一个供水；若实时压力≥参比压力，供水控制系统则停止为当前制氢单元供水；

根据燃料电池的供氢流量、使用时间和每个制氢单元中水解制氢铝合金的质量计算获得每个制氢单元的最大供水量；

根据燃料电池的使用要求，设供氢流量为q，使用时间为t，使用过程中需要的氢气体积v：

v＝qt

标况下，氢气的物质的量n：

根据氢气质量计算反应所需的水解制氢铝合金的质量：

2al+6h2o→2al(oh)3+3h2

根据化学计量数之比，产生nmol的氢气，需要2/3nmol纯al，换算成质量后，即得所需纯al的质量为18n。设水解制氢铝合金中al的质量百分比为ω％。则需要水解制氢铝合金的总质量为将质量为的水解制氢铝合金分别放入到a个制氢单元中，则单个制氢单元水解制氢铝合金的质量为根据化学反应方程式计算单个制氢单元的最大供水量：

2al+6h2o→2al(oh)3+3h2

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由于反应是放热反应，反应过程中部分水会蒸发并随氢气进入到供氢单元中，因此，最大供水量根据试验实测值取

若当前制氢单元的供水量达到最大供水量，则停止为当前制氢单元供水，且需根据实时压力来控制是否为下一制氢单元供水，若实时压力＜参比压力，则立即为下一制氢单元供水，若实时压力≥参比压力，则暂不为下一制氢单元供水，待到实时压力＜参比压力时，再为下一制氢单元供水；

如此依次为所有制氢单元供水，直到所有制氢单元的供水量均达到最大供水量为止；

制氢单元中的水解制氢铝合金遇水反应生成氢气，氢气通过氢气输出管输送进入罐体中，并从水底向上浮起，去除掉反应产生的杂质和水蒸气，净化后的氢气经氢气输出口和调压阀进入燃料电池中并发电，以供后续的负载设备使用。

优选地，根据不同燃料电池的供氢压力来调节调压阀的输出压力，使燃料电池的供氢压力与调压阀的输出压力相等；

参比压力为供氢压力的1～1.3倍，安全阀的开启压力为供氢压力的1.5～2倍；

所有制氢单元的供水量均达到最大供水量后及时回收无纺布袋中的反应产物，并更换新的水解制氢铝合金。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的便携式燃料电池制氢供氢系统结构简单，均是集成在罐体中，体积小巧便于携带运输。且反应过程安全可控，通过控制供水的速度和时间就可调节氢气的产率，可以实现即时制氢并为燃料电池供氢，集氢气制备和氢气应用为一体，可替换传统的高压储氢瓶。配备的调压阀可根据不同的燃料电池的使用要求而设定不同的氢气输出压力，提高了本发明的适应能力，增加了本发明的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明便携式燃料电池制氢供氢系统的结构框图；

图2为本发明便携式燃料电池制氢供氢系统的主视结构示意图；

图3为本发明便携式燃料电池制氢供氢系统的俯视结构示意图；

图4为本发明制氢单元的主视结构示意图；

其中：1-制氢单元，2-水解制氢铝合金，3-进水管，4-水泵，5-氢气输出管，6-罐体，7-调压阀，8-压力传感器，9-安全阀，10-压力表，11-供水总管，12-单向阀，13-电磁阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种便携式燃料电池制氢供氢系统及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其集制氢和用氢为一体，以替换传统的用氢过程中的高压储氢瓶。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示：本实施例提供了一种便携式燃料电池制氢供氢系统，包括供水单元、供氢单元和若干个制氢单元1。供氢单元的罐体6呈圆柱体形，制氢单元1围绕罐体6中心呈圆周阵列分布。供氢单元根据要求可以设置一层两层或更多层，以便增加整体的反应时间和产氢量。

制氢单元1包括可拆卸密封连接的反应容器和顶盖，顶盖上设有用于通过进水管3和氢气输出管5的通孔，制氢单元1的进水口分别通过一进水管3与供水单元的水泵4连通，制氢单元1通过氢气输出管5与供氢单元连通，氢气输出管5优选延伸至罐体6的底部，以使氢气可以从水底上浮，上浮的过程可以过滤掉氢气中反应生成的杂质和水蒸气。且氢气输出管5上优选设有仅能够从制氢单元1向供氢单元开启的单向阀12，防止氢气和水倒流。水解制氢铝合金2通过透水透气的无纺布袋包裹起来后放置在反应容器内，以便于反应产物的回收。

供水单元包括供水控制系统、抽水管和水泵4，水泵4通过抽水管与供氢单元连通，水泵4与供水控制系统电连接，供水控制系统能够控制水泵4依次给制氢单元1供水。优选地，水泵4的泵出口连通一供水总管11，供水总管11连通有与制氢单元1数量相等的进水管3，每个进水管3上均设有一电磁阀13，电磁阀13与供水控制系统电连接，供水控制系统可以通过控制电磁阀13的通断给特定的制氢单元1供水。

供氢单元包括罐体6、调压阀7和压力传感器8，罐体6包括可拆卸密封连接的罐身和罐盖，罐盖位于罐身顶部，罐盖上设有安全阀9和压力表10，当罐体6中的压力超过安全阀9的开启压力后，安全阀9自动开启泄压，以保证供氢装置安全。通过压力表10可以观测到罐身中的实时压力。供水单元和制氢单元1均设置在罐体6内部，罐体6用于盛装水，且水面高于氢气输出管5和抽水管的末端，水量还应满足在制氢过程完成后水面仍高于氢气输出管5和抽水管的末端。压力传感器8设置于罐盖内侧，压力传感器8与供水控制系统电连接，压力传感器8用于检测罐身中氢气的实时压力并将检测结果发送给供水控制系统。罐盖上还设有氢气输出口，调压阀7的输入端与氢气输出口连接，调压阀7的输出端用于与燃料电池单元连通，可根据不同燃料电池的供氢压力来调节调压阀7的输出压力，使燃料电池的供氢压力与调压阀7的输出压力相等，以提高本实施例的适应性。燃料电池单元优选为质子交换膜燃料电池。

本实施例还提供了上述便携式燃料电池制氢供氢系统的使用方法，具体为：根据燃料电池的供氢流量和使用时间，将一定质量的水解制氢铝合金2均分为与制氢单元1数相等的质量份分别装入无纺布袋中，然后将无纺布袋通过换料口放入到各个制氢单元1中后安装好顶盖和罐盖；

开启供水控制系统，压力传感器8将罐体6中的实时压力传输给供水控制系统，供水控制系统需根据燃料电池的供氢压力和安全阀9的开启压力预设一参比压力，且供氢压力≤参比压力＜开启压力；参比压力优选为供氢压力的1～1.3倍，安全阀9的开启压力优选为供氢压力的1.5～2倍。

供水控制系统将实时压力与参比压力进行比较，若实时压力＜参比压力，供水控制系统则为制氢单元1中的一个供水；若实时压力≥参比压力，供水控制系统则停止为当前制氢单元1供水；

根据燃料电池的供氢流量、使用时间和每个制氢单元1中水解制氢铝合金2的质量计算获得每个制氢单元1的最大供水量；

若当前制氢单元1的供水量达到最大供水量，则停止为当前制氢单元1供水，且需根据实时压力来控制是否为下一制氢单元1供水，若实时压力＜参比压力，则立即为下一制氢单元1供水，若实时压力≥参比压力，则暂不为下一制氢单元1供水，待到实时压力＜参比压力时，再为下一制氢单元1供水；

如此依次为所有制氢单元1供水，直到所有制氢单元1的供水量均达到最大供水量为止；所有制氢单元1的供水量均达到最大供水量后及时回收无纺布袋中的反应产物，并更换新的水解制氢铝合金2，以备继续制氢使用。

制氢单元1中的水解制氢铝合金2遇水反应生成氢气，氢气通过氢气输出管5输送进入罐体6中，并从水底向上浮起，去除掉反应产生的杂质和水蒸气，净化后的氢气经氢气输出口和调压阀7进入燃料电池中并发电，以供后续的负载设备使用。

其中，根据燃料电池的使用要求，设供氢流量为q，使用时间为t，使用过程中需要的氢气体积v：

v＝qt

标况下，氢气的物质的量n：

根据氢气质量计算反应所需的水解制氢铝合金的质量：

2al+6h2o→2al(oh)3+3h2

根据化学计量数之比，产生nmol的氢气，需要2/3nmol纯al，换算成质量后，即得所需纯al的质量为18n。设水解制氢铝合金中al的质量百分比为ω％。则需要水解制氢铝合金的总质量为将质量为的水解制氢铝合金分别放入到a个制氢单元中，则单个制氢单元水解制氢铝合金的质量为根据化学反应方程式计算单个制氢单元的最大供水量：

2al+6h2o→2al(oh)3+3h2

54108

由于反应是放热反应，反应过程中部分水会蒸发并随氢气进入到供氢单元中，因此，最大供水量根据试验实测值取

本实施例的便携式燃料电池制氢供氢系统结构简单，均是集成在罐体6中，体积小巧便于携带运输。且反应过程安全可控，通过控制供水的速度和时间就可调节氢气的产率，可以实现即时制氢并为燃料电池供氢，集氢气制备和氢气应用为一体，可替换传统的高压储氢瓶。配备的调压阀7可根据不同的燃料电池的使用要求而设定不同的氢气输出压力，提高了本实施例的适应能力，增加了本实施例的适用范围。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。