一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)，燃料供給子系統(tǒng)包括相接的燃料罐和輸送泵；燃料處理子系統(tǒng)包括平衡組件、重整器、氫氣凈化膜和氫氣緩沖罐，平衡組件連接在輸送泵和重整器之間，氫氣凈化膜連接在重整器和氫氣緩沖罐之間；發(fā)電子系統(tǒng)通過第一電磁閥與燃料處理子系統(tǒng)相連，發(fā)電子系統(tǒng)通過第二電磁閥與外接氫氣存儲裝置相連，外接氫氣存儲裝置出口處管線上設有減壓閥，該減壓閥和第二電磁閥之間的管線上設有手動閥門，第一電磁閥和第二電磁閥將氫氣緩沖罐或外接氫氣存儲裝置的氫氣送入電堆發(fā)電；重整器處于預熱階段未產生氫氣時若要求該電源系統(tǒng)發(fā)電，關閉第一電磁閥開啟第二電磁閥，由外接氫氣存儲裝置為發(fā)電子系統(tǒng)提供氫氣。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及氫能源領域，具體而言，涉及一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)。 -種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)
【背景技術】
[0002] 目前，傳統(tǒng)通信基站采用油機和鉛酸蓄電池作為備用電源，但具有工作效率低、噪 音環(huán)境污染嚴重、功率密度低等問題。燃料電池技術能夠克服傳統(tǒng)通信基站備用電源的缺 點，作為新型的備用電源技術在備用電源保障領域受到越來越多的重視。
[0003] 燃料電池發(fā)電技術必須有合適的燃料。在目前技術階段，相比純氫燃料而言，甲醇 重整現(xiàn)場制氫和純化技術是具有現(xiàn)實意義的燃料電池氫源。這種氫源能量密度高、能量轉 換效率大，并且液體燃料容易運輸、補充和儲存，在經濟性等方面也具有很明顯的優(yōu)勢。然 而，如何提供穩(wěn)定的氫源仍是亟需解決的問題。 實用新型內容
[0004] 本實用新型提供一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)，用以克服現(xiàn)有技術中存在的 至少一個問題。
[0005] 為達到上述目的，本實用新型提供了一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)，包括：燃 料供給子系統(tǒng)、燃料處理子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)和外接氫氣存儲裝置，其中：
[0006] 所述燃料供給子系統(tǒng)包括相連接的燃料罐和輸送泵，用于儲存和輸運甲醇水溶 液燃料至所述燃料處理子系統(tǒng)；
[0007] 所述燃料處理子系統(tǒng)包括平衡組件、重整器、氫氣凈化膜和氫氣緩沖罐，所述平衡 組件連接在所述輸送泵和所述重整器之間，所述氫氣凈化膜連接在所述重整器和所述氫氣 緩沖罐之間，用于將來自所述燃料供給子系統(tǒng)經過重整后的含有氫氣的蒸汽進行提純和干 燥，得到純凈的氫氣，并存儲在所述氫氣緩沖罐中；
[0008] 所述發(fā)電子系統(tǒng)通過第一電磁閥與所述燃料處理子系統(tǒng)相連接，所述發(fā)電子系 統(tǒng)通過第二電磁閥與所述外接氫氣存儲裝置相連接，其中，所述外接氫氣存儲裝置出口處 的管線上設置有減壓閥，所述減壓閥和所述第二電磁閥之間的管線上還設置有第一手動閥 門，所述氫氣緩沖罐與所述第一電磁閥之間的管線上還設置有第二手動閥門，這些閥門將 燃料處理子系統(tǒng)中的氫氣緩沖罐或所述外接氫氣存儲裝置中的氫氣送入電堆發(fā)電；
[0009] 其中，當所述重整器處于預熱階段還未產生氫氣時，此時如果要求該電源系統(tǒng)發(fā) 電，可以關閉所述第一電磁閥，開啟所述第二電磁閥，由所述外接氫氣存儲裝置為所述發(fā)電 子系統(tǒng)提供氫氣進行發(fā)電。
[0010] 進一步地，所述外接氫氣存儲裝置為炭纖維纏繞鋁內膽氫氣瓶。
[0011] 進一步地，所述發(fā)電子系統(tǒng)的氫氣入口之前的管線上還設置有減壓閥。
[0012] 進一步地，所述氫氣緩沖罐與所述發(fā)電子系統(tǒng)的電堆之間的供氫管路上還設置有 三通管，所述三通管一端連接所述第一電磁閥，一端連接所述第二電磁閥，一端連接所述減 壓閥。
[0013] 本實用新型在系統(tǒng)準備預熱或正在預熱過程中，此時重整器還未產生氫氣，氫氣 緩沖罐中還沒有足夠的氫氣能夠向電堆輸出時，市電突然掉電，通過本實用新型的快速啟 動方案可保證立即有氫氣進入電堆開始發(fā)電，向外輸出穩(wěn)定電力，保障負載不間斷運行，滿 足不同的應急情況需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0015] 圖1為本實用新型一個實施例的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)示意圖；
[0016] 圖2為圖1實施例中氫氣管道連接結構放大圖；
[0017] 圖3為本實用新型一個實施例的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)應用示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0019] 以下先介紹本實用新型的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)的實現(xiàn)原理。
[0020] 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為 電能的發(fā)電裝置。氫燃料電池以氫氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，工作溫度一般為60? 100°C。其最大特點是發(fā)電效率高（50%?70% )、環(huán)境友好、可以室溫啟動和具有高的比功 率和比能量。
[0021] 甲醇重整燃料電池以甲醇水溶液作為燃料。燃料通過甲醇重整裝置被轉化為氫氣 和其它氣體，氫氣經過分離、提純與干燥后存儲在緩沖罐，由緩沖罐提供氫氣通過燃料電 池與空氣中的氧氣發(fā)生電化學反應，生成電流并對外輸出電力。
[0022] 圖1為本實用新型一個實施例的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)示意圖；圖2為圖 1實施例中氫氣管道連接結構放大圖。如圖所示，該快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)包括：燃 料供給子系統(tǒng)、燃料處理子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)和外接氫氣存儲裝置，其中：
[0023] 所述燃料供給子系統(tǒng)包括相連接的燃料罐和輸送泵，用于儲存和輸運甲醇水溶液 燃料至所述燃料處理子系統(tǒng)；
[0024] 所述燃料處理子系統(tǒng)包括平衡組件、重整器、氫氣凈化膜和氫氣緩沖罐，所述平衡 組件連接在所述輸送泵和所述重整器之間，所述氫氣凈化膜連接在所述重整器和所述氫氣 緩沖罐之間，用于將來自所述燃料供給子系統(tǒng)經過重整后的含有氫氣的蒸汽進行提純和干 燥，得到純凈的氫氣，并存儲在所述氫氣緩沖罐中；
[0025] 所述發(fā)電子系統(tǒng)通過電磁閥1與所述燃料處理子系統(tǒng)相連接，所述發(fā)電子系統(tǒng)通 過電磁閥2與所述外接氫氣存儲裝置（在本實施例中采用的是氫氣瓶）相連接，其中，所述 外接氫氣存儲裝置出口處的管線上設置有減壓閥（外接氫氣存儲裝置出口壓力值較高，一 般高達325Bar，通過設置一個減壓閥，經過減壓后，最終將壓力降至1. 03Bar (15Psi))，所 述減壓閥和之間的管線上還設置有手動閥門（以防出現(xiàn)意外時，能夠手動切斷外接氫氣存 儲裝置和其余管路連接），同時氫氣緩沖罐與電磁閥1之間的管線上也設置有手動閥門，這 些閥門將燃料處理子系統(tǒng)中的氫氣緩沖罐或所述外接氫氣存儲裝置中的氫氣送入電堆發(fā) 電；
[0026] 其中，當所述重整器處于預熱階段時，關閉所述電磁閥1，開啟所述電磁閥2,由所 述外接氫氣存儲裝置為所述發(fā)電子系統(tǒng)提供氫氣進行發(fā)電。
[0027] 其次，在外接儲氫裝置到系統(tǒng)的連接末端增加一個電磁閥2(圖2細節(jié)圖），以選 擇控制氫氣來源。
[0028] 進一步地，所述外接氫氣存儲裝置為炭纖維纏繞鋁內膽氫氣瓶。
[0029] 進一步地，所述氫氣緩沖罐與所述電磁閥1之間的管線上還設置有手動閥門，以 防出現(xiàn)意外時，能夠手動切斷緩沖罐和其余管路的連接。
[0030] 進一步地，所述發(fā)電子系統(tǒng)的氫氣入口之前的管線上還設置有減壓閥。
[0031] 此外，還可以在氫氣緩沖罐到發(fā)電子系統(tǒng)的電堆之間的供氫管路中增加一個三通 管，如圖2所示，三通管一端連接氫氣緩沖罐出口的電磁閥1，一端連接外接氫氣存儲裝置 的電磁閥2,一端連接電堆進氣管前的減壓閥。
[0032] 此外，本實用新型中，儲氫方式也可以采用數(shù)個工作壓力為135Bar的鋼瓶，需要 額外增加相應的匯流排管路連接，以及閥門控制，需要更多占地面積和空間。
[0033] 在系統(tǒng)預熱期間，還可采用同等容量的蓄電池來對外輸出電力，保障負載的不間 斷運行，但蓄電池的溫度控制，以及充放電管理相對復雜，增加系統(tǒng)的復雜程度。
[0034] 以下結合附圖1、2、3詳細闡述本實用新型的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)的工 作過程。
[0035] 圖3為本實用新型一個實施例的快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)具體應用結構示 意圖。快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)在使用時需與應用場景中的負載、整流器、蓄電池組一 起并聯(lián)在直流總線上，如圖3所示。
[0036] 當ElectraGen-ME甲醇重整電源系統(tǒng)首次接入直流總線時，需要對系統(tǒng)的甲醇重 整器進行3-4. 5小時的預熱。然后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。當市電消失，系統(tǒng)會自動由待機狀 態(tài)進入發(fā)電狀態(tài)。此時，甲醇水溶液燃料從燃料罐進入燃料重整子系統(tǒng)，經過重整后，轉化 成氫氣，存儲在緩沖罐。當緩沖罐中的氫氣存儲到一定的量后，開始向發(fā)電子系統(tǒng)中的電堆 供氣，電堆進行發(fā)電，為并聯(lián)在直流總線上的負載提供電力，保障其正常工作。
[0037] 然而，在系統(tǒng)進入待機狀態(tài)前，需要3-4. 5小時對甲醇重整器進行預熱，保證重整 器能夠正常工作，及時將甲醇溶液轉化成氫氣。在此期間內，沒有氫氣供應給燃料電池產生 電力，系統(tǒng)不能對外輸出電力。所以，如果在此期間遇到緊急情況，市電消失，而該系統(tǒng)又不 能提供電力給負載，不能保障負載正常工作，將給用戶造成損失。
[0038] 但由于本實用新型實施例中設置了外接氫氣存儲裝置，上述狀況將不會發(fā)生。
[0039] 圖3實施例的具體工作過程如下：
[0040]當系統(tǒng)首次安裝好并連接在直流總線上，將甲醇裝入燃料罐，系統(tǒng)控制面板的開 關已打開，系統(tǒng)已經準備好進入預熱階段，外接氫氣存儲裝置的各閥門已打開。此時，市電 停電，系統(tǒng)工作將分為兩個階段。
[0041] (1)預熱階段
[0042] a、甲醇重整器部分
[0043] 圖3實施例中系統(tǒng)配有4組12V100Ah的閥控式鉛酸蓄電池做備用啟動電源，由蓄 電池來提供系統(tǒng)開機時所需的電壓及功耗（電磁閥及風扇）。
[0044] 當市電斷電時，先由蓄電池提供電力，保障系統(tǒng)開機，系統(tǒng)不能從直流總線上獲取 電力對重整器進行加熱（加熱功率約為lkW)，利用本方案中的外接氫氣裝置中的氫氣供給 電堆，電堆發(fā)電一部分供給負載，另一部分用來加熱重整器，需要加熱3-4. 5個小時。
[0045] b、發(fā)電子系統(tǒng)和外接氫氣存儲裝置部分
[0046] 氫氣從外接氫氣存儲裝置的減壓閥出來后，壓力降至1. 03Bar(15Psi)(該壓力值 和緩沖罐在正常工作時工作壓力相近），從電磁閥2通過，流向三通閥，再經過減壓閥進入 發(fā)電子系統(tǒng)的電堆中，進行發(fā)電。注意，此時電磁閥1處于關閉狀態(tài)，防止在預熱期間來自 外接氫氣存儲裝置的氫氣流向緩沖罐，保證氫氣只單向通往電堆。
[0047] (2)預熱結束階段
[0048] 經過3-4. 5小時，甲醇重整器預熱完畢，當緩沖罐中氫氣壓力大于 28Psi (193kPa)，重整器的狀態(tài)由"Pressurize (增壓）"變成"Online (發(fā)電）"，系統(tǒng)會自 動打開緩沖罐的電磁閥1，同時關閉外接氫氣存儲裝置的電磁閥2,由重整器為電堆提供氫 氣，不再使用外接的氫氣來發(fā)電，系統(tǒng)進入正常發(fā)電狀態(tài)。
[0049] 關于本實用新型實施例中氫氣及氫氣瓶參數(shù)選擇
[0050] (1)氫氣要求
[0051] 氫氣應滿足具體應用系統(tǒng)中燃料電池堆的燃料參數(shù)要求，一個實施例的參數(shù)要求 如表1所示：
[0052] 表 1
[0053]
【權利要求】
1. 一種快速啟動的甲醇燃料電源系統(tǒng)，其特征在于，包括：燃料供給子系統(tǒng)、燃料處理 子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)和外接氫氣存儲裝置，其中： 所述燃料供給子系統(tǒng)包括相連接的燃料罐和輸送泵，用于儲存和輸運甲醇水溶液燃料 至所述燃料處理子系統(tǒng)； 所述燃料處理子系統(tǒng)包括平衡組件、重整器、氫氣凈化膜和氫氣緩沖罐，所述平衡組 件連接在所述輸送泵和所述重整器之間，所述氫氣凈化膜連接在所述重整器和所述氫氣緩 沖罐之間，用于將來自所述燃料供給子系統(tǒng)的經過重整后的含有氫氣的蒸汽進行提純和干 燥，得到純凈的氫氣，并存儲在所述氫氣緩沖罐中； 所述發(fā)電子系統(tǒng)通過第一電磁閥與所述燃料處理子系統(tǒng)相連接，所述發(fā)電子系統(tǒng)通過 第二電磁閥與所述外接氫氣存儲裝置相連接，其中，所述外接氫氣存儲裝置出口處的管線 上設置有減壓閥，所述減壓閥和所述第二電磁閥之間的管線上還設置有第一手動閥門，所 述氫氣緩沖罐與所述第一電磁閥之間的管線上還設置有第二手動閥門，所述的第一電磁閥 和第二電磁閥用于將所述氫氣緩沖罐或所述外接氫氣存儲裝置中的氫氣送入電堆發(fā)電，系 統(tǒng)向外輸出電力； 其中，當所述重整器處于預熱階段時，關閉所述第一電磁閥，開啟所述第二電磁閥，由 所述外接氫氣存儲裝置為所述發(fā)電子系統(tǒng)提供氫氣進行發(fā)電。
2. 根據權利要求1所述的甲醇燃料電源系統(tǒng)，其特征在于，所述外接氫氣存儲裝置為 炭纖維纏繞鋁內膽氫氣瓶。
3. 根據權利要求1所述的甲醇燃料電源系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電子系統(tǒng)的氫氣入 口之前的管線上還設置有減壓閥。
4. 根據權利要求3所述的甲醇燃料電源系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣緩沖罐與所述發(fā) 電子系統(tǒng)的電堆之間的供氫管路上還設置有三通管，所述三通管一端連接所述第一電磁 閥，一端連接所述第二電磁閥，一端連接所述減壓閥。
【文檔編號】H01M8/04GK203871427SQ201420256060
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權日:2014年5月19日
【發(fā)明者】李然, 史佳 申請人:李然