本發(fā)明涉及氫氧燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于硼氫化鈉制氫的氫燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第4代發(fā)電技術(shù)，它是唯一兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化特點的動力裝置，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術(shù)。按燃料的來源，燃料電池又可分為三類。第一類是直接式燃料電池，即其燃料直接用氫氣或輕醇類；第二類是間接式燃料電池，其燃料不是直接用氫，而是通過某種方法(如重整轉(zhuǎn)化)將輕醇、天然氣、汽油等化合物轉(zhuǎn)變成氫(或氫的混合物)后再供給燃料電池發(fā)電；第三類是再生式燃料電池，它是指把燃料電池反應(yīng)生成的水，經(jīng)過電解分解成氫和氧，再將氫和氧輸入燃料電池發(fā)電。作為燃料電池的一種，氫氧燃料電池(hydrogen-oxygenfuelcell)以氫氣為燃料作還原劑，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵?，與原電池的工作原理相同。

氫燃料電池工作時，向氫電極供應(yīng)氫氣，同時向氧電極供應(yīng)氧氣。氫氣、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質(zhì)生成水，此時氫電極上有多余電子帶負(fù)電，氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應(yīng)過程就能連續(xù)進(jìn)行。其具有如下特點：產(chǎn)物是水，清潔環(huán)保；容易持續(xù)通氫氣和氧氣，產(chǎn)生持續(xù)電流；能量轉(zhuǎn)換率較高；排放廢棄物少；噪音低。因此，氫氧燃料電池近年來受到人們的廣泛關(guān)注。

目前國內(nèi)外氫燃料電池的相關(guān)專利的研究內(nèi)容基本上圍繞著燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電極材料、反應(yīng)裝置、電解質(zhì)組成優(yōu)化以及氫氣的制造與儲存系統(tǒng)等方面。

氫燃料電池用儲氫材料的研究面臨著挑戰(zhàn)。金屬氫化物用作儲氫材料由于其儲存及運(yùn)輸氫安全、方便的特點而備受青睞，但由于熱力學(xué)、動力學(xué)和金屬原子量上的限制，一些可逆金屬氫化物儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)只能達(dá)到1.5％～2.5％。配位輕金屬氫化物的儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在金屬氫化物中相對較高，這些配位輕金屬氫化物中又以鋁氫化物(mxalh4)和硼氫化物(mxbh4)儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，最大可達(dá)到18.4％(libh4)。

國外的amendola研究組設(shè)計出兩種實現(xiàn)該反應(yīng)的方案。方案i類似于扁昔發(fā)生器，利用壓籌將儲罐中靜止的nabh4溶液驅(qū)入裝有催化劑的反應(yīng)管，nabh4溶液由反應(yīng)管底部進(jìn)入，產(chǎn)生的氫氣由反應(yīng)管頂部通過控制閥逸出。通過控制反應(yīng)管中氫氣的壓力可以調(diào)節(jié)反應(yīng)管中nabh4液面高低，從而也就控制了氧氣的生成速度。方案2是使用小型機(jī)械泵將nabh4溶液注入裝有催化劑的管式反應(yīng)器.通過控制nabh4溶液的流速來控制產(chǎn)氫速度，該方案可對氫氣需要量的變化做出快速響應(yīng)。

a.pozio等發(fā)明了一種新型、由硼氫化鈉溶液水解制取氫氣的裝置，其特點是由兩塊平行的磁性平板圍成反應(yīng)區(qū)域，硼氧化鈉堿性溶液包含在磁場之中。enea粉末催化劑是由直徑為10微米的磁性球體組成，并在其表面涂有ru的涂層，并使催化劑均勻的分布于磁性容器表面上，這種特殊的催化劑可以保證高動力速率且能提高其化學(xué)穩(wěn)定性。在這個研究的基礎(chǔ)上，a.pozio等人又致力于一種新型便攜式燃料電池能源發(fā)生器的設(shè)計，并取得了一定的成果。

國內(nèi)的學(xué)者如楊漢西等人采用硼化鎳作催化劑，進(jìn)行了用硼氫化鈉溶液水解制取氫氣的研究，并取得了理想的效果。他們還公開了一項有關(guān)氫氣制備方法及裝置的專利(cnl438169)，將金屬硼氫化物的水溶液或堿性水溶液與通過化學(xué)沉積在多孔載體村料的過渡金屬硼化物催化劑接觸.硼氧化物發(fā)生水解反應(yīng).釋放出氫氣。

王新東等對硼氧化鈉制氧技術(shù)做了相關(guān)研究，并申請了一項專利(cnl01049907a)，該方法利用裝置內(nèi)部兩容器間的氫氣壓力差的作用，使反應(yīng)料在裝置內(nèi)的兩容器間流動，調(diào)節(jié)反應(yīng)料與催化劑的接觸量，從而來控制氫氣的產(chǎn)生速率和氫氣壓力。由于裝置內(nèi)部的氣壓可以隨外部氫氣的需求速率變化，從而實現(xiàn)該裝置根據(jù)外部氫氣的需求量來自控調(diào)節(jié)氫氣的生成速率，達(dá)到即時自控供氫的目的。該方法是密閉兩容器內(nèi)，通過導(dǎo)液管來接通，兩密閉容器分別是反應(yīng)區(qū)容器和儲料區(qū)容器，儲料區(qū)容器內(nèi)的反應(yīng)料通過導(dǎo)液管進(jìn)入反應(yīng)區(qū)容器后.在催化劑催化作用下產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣再由導(dǎo)氣管通往燃料電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于硼氫化鈉制氫的氫燃料電池及其控制方法，本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)可以利用微控制器對硼氫化鈉制氫系統(tǒng)中的溫度、流量、壓力等多參數(shù)進(jìn)行集成控制，實現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)安全可靠、自動化的要求，可以直接為氫燃料電池提供流量和壓力可調(diào)的氫源。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種氫燃料電池系統(tǒng)。

本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)包括：溶液箱、液壓泵、高速電磁閥、反應(yīng)室、三通閥、散熱器、氣液分離器、減壓閥、廢液箱、儲氫箱、反應(yīng)室溫度傳感器、反應(yīng)室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器、儲氫箱壓力傳感器和控制器；其中，溶液箱內(nèi)盛放反應(yīng)溶液；溶液箱連接至液壓閥，通過高速電磁閥連接至反應(yīng)室的入口；反應(yīng)室的出口連接至三通閥的入口；三通閥的側(cè)面為入口，頂端為空氣出口，底端為液體出口；三通閥的液體出口連接至廢液箱；三通閥的空氣出口連接至散熱器，散熱器的出口連接至氣液分離器；氣液分離器的出口分別連接至減壓閥和廢液箱；減壓閥連接至儲氫箱；反應(yīng)室內(nèi)壁分別設(shè)置反應(yīng)室溫度傳感器和反應(yīng)室壓力傳感器；散熱器的進(jìn)出口處分別設(shè)置散熱器溫度傳感器；儲氫箱內(nèi)設(shè)置儲氫箱壓力傳感器；液壓泵、高速電磁閥、反應(yīng)室溫度傳感器、反應(yīng)室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器和儲氫箱壓力傳感器分別連接至控制器；控制器通過反應(yīng)室壓力傳感器實時測量反應(yīng)室內(nèi)的氣壓，當(dāng)氣壓低于閾值時，控制器開啟液壓泵，抽取溶液箱中的反應(yīng)溶液，經(jīng)高速電磁閥加入反應(yīng)室中；控制器通過控制高速電磁閥的通斷時間對加人溶液量進(jìn)行微調(diào)，反應(yīng)溶液在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行水解反應(yīng)生成氫氣；水解反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)入三通閥，在重力的作用下，氣體和液體分離；廢液經(jīng)三通閥底端的液體出口進(jìn)入廢液箱；氫氣和水汽通過三通閥頂端的氣體出口進(jìn)入散熱器；散熱器降低水汽和氫氣的溫度，水汽變成了液態(tài)水經(jīng)氣液分離器進(jìn)入廢液箱；氫氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)入減壓閥，再經(jīng)過減壓閥進(jìn)入儲氫箱，最后由調(diào)速閥調(diào)節(jié)供給燃料電池使用；控制器實時采集散熱器溫度傳感器的溫度信息，當(dāng)溫度過高時，控制器報警或停機(jī)；控制器實時采集儲氫箱壓力傳感器的壓力信息，當(dāng)儲氫箱的壓力過高時，控制器關(guān)閉液壓泵的電源；控制器根據(jù)需要設(shè)置壓力與溫度的變化參數(shù)，由反應(yīng)溶液的濃度計算并控制反應(yīng)溶液加入量，并由反饋的壓力與溫度信號自動調(diào)節(jié)液壓泵的電壓及高速電磁閥的通斷時間，從而精確控制反應(yīng)室的壓力和溫度信號。

反應(yīng)溶液采用硼氫化鈉nabh4溶液。硼氫化鈉是一種強(qiáng)還原劑，廣泛用于廢水處理、紙張漂白和藥物合成等方面。在催化劑的作用下，nabh4在堿性水溶液中可水解生成氫氣和水溶性偏硼酸鈉。

液壓泵采用小功率液壓泵。

反應(yīng)室采用管式反應(yīng)器，長度為200mm～300mm。在反應(yīng)室中放置催化劑。反應(yīng)室的管壁上均勻分布多個噴口，噴口的直徑為0.5mm～1mm；在小功率液壓泵的作用下，反應(yīng)溶液從噴口處霧化噴出，進(jìn)入反應(yīng)室，與催化劑充分接觸；反應(yīng)室里安裝有壓力傳感器及溫度傳感器，可及時檢測反應(yīng)室中壓強(qiáng)和溫度，并作為控制制氫反應(yīng)速度的反饋信號；水解反應(yīng)后的產(chǎn)物有氣體(主要是h2)和液體，反應(yīng)室出口連接至一個三通閥，利用重力作用將反應(yīng)產(chǎn)物中的氣體和液體進(jìn)行分離。

控制器包括ac/dc轉(zhuǎn)換單元、微處理器單元和隔離驅(qū)動單元；其中，反應(yīng)室溫度傳感器、反應(yīng)室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器和儲氫箱壓力傳感器分別連接至ac/dc轉(zhuǎn)換單元；ac/dc轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至微處理器單元；微處理器單元控制隔離驅(qū)動單元，驅(qū)動液壓泵和高速電磁閥的啟動和關(guān)閉；微處理器單元還連接至外部的輸入輸出設(shè)備，從而實現(xiàn)對溫度和壓力的控制。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種氫燃料電池系統(tǒng)的控制方法。

本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

1)控制器通過反應(yīng)室壓力傳感器實時測量反應(yīng)室內(nèi)的氣壓，當(dāng)氣壓低于閾值時，控制器開啟液壓泵，抽取溶液箱中的反應(yīng)溶液，經(jīng)高速電磁閥加入反應(yīng)室中；

2)控制器通過控制高速電磁閥的通斷時間對加人溶液量進(jìn)行微調(diào)，反應(yīng)溶液在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行水解反應(yīng)生成氫氣；

3)水解反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)入三通閥，在重力的作用下，氣體和液體分離；廢液經(jīng)三通閥底端的液體出口進(jìn)入廢液箱；

4)氫氣和水汽通過三通閥頂端的氣體出口進(jìn)入散熱器；散熱器降低水汽和氫氣的溫度，水汽變成了液態(tài)水經(jīng)氣液分離器進(jìn)入廢液箱；

5)氫氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)入減壓閥，再經(jīng)過減壓閥進(jìn)入儲氫箱；

6)由調(diào)速閥調(diào)節(jié)氫氣的輸出量，供給燃料電池使用；

7)控制器實時采集散熱器溫度傳感器的溫度信息，當(dāng)溫度過高時，控制器報警或停機(jī)；控制器實時采集儲氫箱壓力傳感器的壓力信息，當(dāng)儲氫箱的壓力過高時，控制器關(guān)閉液壓泵的電源；控制器根據(jù)需要設(shè)置壓力與溫度的變化參數(shù)，由反應(yīng)溶液的濃度計算并控制反應(yīng)溶液加入量，并由反饋的壓力與溫度信號自動調(diào)節(jié)液壓泵的電壓及高速電磁閥的通斷時間，從而精確控制反應(yīng)室的壓力和溫度信號。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明利用反應(yīng)溶液水解制氫，通過控制器控制反應(yīng)室反應(yīng)的壓力和溫度，以及散熱器的溫度和儲氫室的壓力，并控制反應(yīng)溶液的溶液量，是一種安全、高效、實用性強(qiáng)的制氫技術(shù)，本發(fā)明的制氫燃料電池啟動和負(fù)荷響應(yīng)時間短、可靠性高，并且可對溫度、濕度、壓力、催化劑接觸狀況、溶液供應(yīng)、功率調(diào)節(jié)等過程及參數(shù)進(jìn)行集成控制，可以為燃料電池提供壓力和流量可控的氣源；采用液壓泵將反應(yīng)溶液注入裝有催化劑的管式反應(yīng)器，通過控制反應(yīng)溶液的流速來控制發(fā)生氫氣的速度；本發(fā)明對氫氣需要量的變化作出快速響應(yīng)，易實現(xiàn)輸出氫氣流量準(zhǔn)確控制及系統(tǒng)參數(shù)的智能控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)的一個實施例的反應(yīng)室的示意圖；

圖3為本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實施例的氫燃料電池系統(tǒng)包括：溶液箱、液壓泵、高速電磁閥、反應(yīng)室、三通閥、散熱器、氣液分離器、減壓閥、廢液箱、儲氫箱、反應(yīng)室溫度傳感器、反應(yīng)室壓力傳感器、散熱器溫度傳感器、儲氫箱壓力傳感器和控制器。

本實施例中，反應(yīng)溶液采用硼氫化鈉溶液，nabh4在堿性水溶液中可水解生成氫氣和水溶性偏硼酸鈉，反應(yīng)如下：

nabh4+2h2o→4h2↑+nabo2(1)

反應(yīng)(1)是一個放熱反應(yīng)，每產(chǎn)生1mol的h2放出75kj熱量，而其他氫化物與水反應(yīng)生成氫的典型反應(yīng)熱為125kj/mol(h2)。因而，反應(yīng)(1)更安全而且容易控制。

nabh4分子自身含氫的質(zhì)量百分比為10.6％，但從反應(yīng)(1)可見，在nabh4與水的反應(yīng)中，水成為另一個氫源，每1gnabh4的最大產(chǎn)氫量為0.212g。因此，硼氫化鈉水解制氫具有很高的儲氫效率。如果沒有催化劑，上述反應(yīng)也能進(jìn)行，其反應(yīng)速度與溶液的ph值和溫度有關(guān)。當(dāng)ph值為8時，即使在常溫下，nabh4溶液也會很快水解。因此，為了使nabh4制氫能夠得到實際應(yīng)用，必須將其保持在強(qiáng)堿性溶液中，通常在nabh4溶液中加入氫氧化鈉。

要利用nabh4的堿性溶液來生產(chǎn)氫氣，必須有足夠快的反應(yīng)速度，使用催化劑或酸以及升高體系溫度都可以加速硼氫化鈉的水解反應(yīng)速度，其中使用催化劑(尤其是多相催化劑)是最為有效的方法。常用的催化劑有金屬氯化物(nicl2或cocl2)、硼化物、交換樹脂載銣金屬和金屬氧化物pt-licoo2，以及鈷和鎳的硼化物中的一種。

本實施例中，反應(yīng)室長為250mm，采用的催化劑為泡沫狀，用篩網(wǎng)將其固定在反應(yīng)室內(nèi)壁。如圖2所示，反應(yīng)室的管壁上均勻分布多個噴口，噴口的直徑為0.5mm；在小功率液壓泵的作用下，反應(yīng)溶液從噴口處霧化噴出，進(jìn)入反應(yīng)室，與催化劑充分接觸。

圖3為控制器的結(jié)構(gòu)框圖。外部的輸入輸出設(shè)備采用鍵盤和顯示屏?？刂破鬟x用的單片機(jī)具有5通道pwm信號輸出、64kflash的存儲空間以及在線編程能力，使用其pwm模塊可方便準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)液壓泵的電壓，64kflash空間可滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲，在線編程使系統(tǒng)調(diào)試方便快捷。通過鍵盤輸入使系統(tǒng)開始工作并確定制氫速度，壓力傳感器采集反應(yīng)室內(nèi)的壓強(qiáng)信號并反饋到控制系統(tǒng)中從而調(diào)節(jié)液壓泵的電壓或高速電磁閥的周期開關(guān)時間來控制系統(tǒng)的制氫速度，系統(tǒng)中安裝溫度傳感器，可以對反應(yīng)室溫度及散熱器進(jìn)出口的溫度等進(jìn)行精確測量，溫度一旦過高時控制系統(tǒng)報警或停機(jī)；顯示屏中顯示用戶設(shè)定值、壓力信號、溫度信號和制氫速度等相關(guān)信息。溫度傳感器采用熱敏電阻。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。