本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)及電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于通信基站的制氫-儲(chǔ)氫燃料電池備用電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，其主要?yōu)點(diǎn)在于清潔和高效，氫氣的燃燒熱值高，燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。氫氣也可以由水制取，可以直接存儲(chǔ)、運(yùn)輸及使用。燃料電池電源是廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的應(yīng)急備用電源，也可作為電網(wǎng)不方便地區(qū)的獨(dú)立電源。燃料電池將燃料的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)效率。用氫能作為燃料電池的燃料無(wú)疑是最佳選擇。然而氫的存儲(chǔ)與輸送是氫能利用中的重要環(huán)節(jié)，如何做到安全、高效和無(wú)泄漏是必須要考慮的問(wèn)題。目前，合金儲(chǔ)氫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在常溫環(huán)境下充放氫氣，儲(chǔ)氫密度極大，接近液態(tài)儲(chǔ)氫，并且吸氫壓力也僅為一般氣態(tài)儲(chǔ)氫氣瓶所需壓力的五分之一，適合與各種制氫設(shè)備連接。然而合金儲(chǔ)氫技術(shù)的儲(chǔ)氫密度巨大，由此導(dǎo)致此類儲(chǔ)氫系統(tǒng)在放氫過(guò)程中需要大量吸熱，短時(shí)間過(guò)快放氫會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫合金溫度急劇下降，從而降低了合金的有效放氫量。目前在燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常以氣態(tài)儲(chǔ)氫氣瓶為供氫單元，沒(méi)有在不同功率、壓力及儲(chǔ)氫量變化的條件下，有效管理氫氣輸入的流量和廢熱循環(huán)效率的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致合金儲(chǔ)氫罐有效的氫氣利用效率無(wú)法達(dá)到最優(yōu)，浪費(fèi)了大量氫氣儲(chǔ)量。目前通信基站主要以鉛酸蓄電池作為主要的后備電源，其缺陷主要在于維護(hù)成本高，使用壽命短，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供電，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，過(guò)冷過(guò)熱、過(guò)充過(guò)放、快充快放都會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)量大幅下降，為了讓鉛酸電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供電，還需增加數(shù)倍儲(chǔ)量的電池系統(tǒng)，占用更大的空間，同時(shí)電池系統(tǒng)冷藏處理也耗費(fèi)大量電能。新興的鋰離子電池雖然避免了鉛酸電池的缺點(diǎn)，但其本身易燃易爆，安全性較差。而另一類穩(wěn)定的鎳氫電池則價(jià)格高昂，過(guò)充過(guò)放損害較大，不利于長(zhǎng)期待機(jī)儲(chǔ)能。燃料電池電源系統(tǒng)可以避免電池類備用電源的缺點(diǎn)，其效率高、易維護(hù)，在應(yīng)急和防災(zāi)方面有很大的優(yōu)勢(shì)，易于智能化管理，對(duì)突然停電和突發(fā)性災(zāi)害有很好的預(yù)見(jiàn)性；使用壽命可達(dá)數(shù)千小時(shí)，長(zhǎng)期待機(jī)不損害使用壽命，是通訊基站備用電源系統(tǒng)的最佳選擇。目前雖然已有許多針對(duì)燃料電池作為備用電源系統(tǒng)的研究，但尚無(wú)專門針對(duì)通訊基站情況和需求的使用電解水制氫的一體化設(shè)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于通信基站的制氫-儲(chǔ)氫燃料電池備用電源系統(tǒng)，包括：電解水制氫單元、合金儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、控制單元和輸出單元；電解水制氫單元包括中堿液電解水裝置或高分子電解質(zhì)膜水電解裝置；合金儲(chǔ)氫單元包括合金儲(chǔ)氫罐、換熱葉片和熱交換腔室；燃料電池單元包括風(fēng)冷式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆、電磁閥、傳感器、內(nèi)部控制電路、充電控制器、鋰離子電池和DC/DC逆變器；控制單元包括PLC模塊、模擬量采集單元、人機(jī)交互界面和遠(yuǎn)程操控模塊、驅(qū)動(dòng)電路、微控制器、D/A輸出模塊、PWM輸出模塊和RS232通訊模塊；輸出單元包括AC/DC逆變器、巡檢單元和負(fù)載電路；所述電解水制氫單元、合金儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、輸出單元與控制單元依次相連，所述控制單元的輸出端經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與燃料電池單元相連。
所述巡檢單元包括信號(hào)整理電路和A/D采樣模塊。
所述人機(jī)交互界面包括LCD顯示屏、聲光告警裝置、開關(guān)按鈕和通信模塊；LCD顯示屏用于顯示電解水制氫單元、儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、輸出單元和模擬量采集單元相應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，聲光告警裝置用于在系統(tǒng)不安全時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，開關(guān)按鈕用于打開或關(guān)閉系統(tǒng)，通訊模塊用于數(shù)據(jù)的傳輸。
所述DC/DC逆變器包括48VDC/DC電源模塊、電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器；電流傳感器負(fù)責(zé)采集相關(guān)電流數(shù)據(jù)并傳輸至內(nèi)部控制電路，電壓傳感器負(fù)責(zé)采集相關(guān)電壓數(shù)據(jù)并傳輸至內(nèi)部控制電路。
所述模擬量采集單元包括信號(hào)整理電路、微控制器、A/D采樣模塊；所述模擬量采集單元用來(lái)采集燃料電池電堆溫度、電壓、電流、電解水系統(tǒng)氫氣純度、壓力、環(huán)境溫度、氫氣濃度等數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS232通訊模塊傳輸至控制單元的PLC模塊。
所述通信模塊包括RS232通訊模塊、USB通信模塊和GPRS通信模塊。
所述電解水制氫單元使用中高壓電解水裝置，利用堿性電解槽制氫設(shè)備電解水反應(yīng)或者高分子電解質(zhì)膜水電解制備氫氣，所述堿性電解槽制氫設(shè)備包括電解槽、氫側(cè)系統(tǒng)、氧側(cè)系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、純水設(shè)備、堿液系統(tǒng)，工作溫度70-80℃，電解液使用KOH溶液；電解后的氫氣經(jīng)過(guò)吸附純化后露點(diǎn)降低至-70℃，微氧含量低于5ppm，通過(guò)電化學(xué)增壓達(dá)到2.5-8MPa后儲(chǔ)存在合金儲(chǔ)氫罐中備用。
所述合金儲(chǔ)氫單元，儲(chǔ)氫合金使用AB或者AB2系合金粉末，顆粒直徑為0.1-0.5mm，合金儲(chǔ)氫罐罐體采用316L不銹鋼或者16MnR低碳鋼制造，換熱葉片使用鋁或鋁合金翅片，熱交換腔使用PVC材料，合金儲(chǔ)氫罐放出的氫氣通過(guò)壓力控制器減壓至1.6atm后送入燃料電池單元，放氫吸熱產(chǎn)生的冷氣輸入燃料電池系統(tǒng)為電堆控溫。
一種基于權(quán)利要求1所述的用于通信基站的制氫-儲(chǔ)氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
步驟一：在市電穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)市電驅(qū)動(dòng)中高壓電解水裝置制備氫氣，電解后的氫氣經(jīng)過(guò)吸附純化后通過(guò)電化學(xué)增壓直接儲(chǔ)存在合金儲(chǔ)氫罐中備用；
步驟二：當(dāng)市電掉電時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)燃料電池，儲(chǔ)存在合金儲(chǔ)氫罐中的氫氣作為燃料提供給燃料電池單元發(fā)電為通訊基站供電；同時(shí)利用燃料電池廢熱與合金放氫吸熱耦合，綜合利用能源。
步驟三：模擬量采集單元將采集到的電堆溫度、電壓、電流、電解水系統(tǒng)氫氣純度、壓力等數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232通訊模塊傳輸至控制單元的PLC模塊，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，控制單元控制系統(tǒng)各個(gè)模塊，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析。
本發(fā)明的有益效果在于：
(1)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)電解水制氫系統(tǒng)與儲(chǔ)氫燃電系統(tǒng)一體化，避免了氫氣在運(yùn)輸和更換儲(chǔ)存中存在的困難和風(fēng)險(xiǎn)。與甲烷制氫類燃料電池電源系統(tǒng)相比，運(yùn)輸和補(bǔ)充純水都更加安全、清潔、廉價(jià)。
(2)本發(fā)明充分利用了合金儲(chǔ)氫吸熱產(chǎn)生的制冷效果與燃料電池電堆的廢熱耦合，提高了能源利用效率；
(3)這種制儲(chǔ)燃一體化備用電源系統(tǒng)可滿足掉電時(shí)通訊基站電力供應(yīng)需求，能夠長(zhǎng)期待機(jī)或頻繁啟動(dòng)，高效環(huán)保，符合通訊基站需要的備用電源模式。
附圖說(shuō)明
附圖1是通信基站用制氫-儲(chǔ)氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
附圖1為通信基站用制氫-儲(chǔ)氫燃料電池備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，包括電解水制氫單元、合金儲(chǔ)氫單元、燃料電池單元、控制單元和輸出單元。其中，所述電解水制氫單元包括中高壓電解水裝置、水箱、吸附純化器、氫氣純度檢測(cè)器；所述合金儲(chǔ)氫單元包括合金儲(chǔ)氫罐、換熱葉片和熱交換腔室；所述燃料電池單元包括燃料電池電堆、電堆溫度傳感器、流量控制器、散熱風(fēng)扇、減壓閥、安全電磁閥，排氫電磁閥、壓力傳感器、環(huán)境溫度傳感器、氫氣濃度傳感器、內(nèi)部控制電路、充電控制器、鋰離子電池和DC/DC逆變器；所述控制單元包括PLC模塊、模擬量采集單元、人機(jī)交互界面、遠(yuǎn)程操控模塊、驅(qū)動(dòng)電路、微控制器、D/A輸出模塊、PWM輸出模塊和RS232通訊模塊；所述輸出單元包括AC/DC逆變器、巡檢單元和負(fù)載電路。
所述合金儲(chǔ)氫單元出氣口通過(guò)管路與所述燃料電池單元的輸入端相連，所述燃料電池單元的輸出端與所述輸出單元的輸入端連接，所述輸出單元的輸出端與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與電解水制氫單元的輸入端相連，電解水制氫單元的輸出端與合金儲(chǔ)氫單元的輸入端相連。
進(jìn)一步的，在所述合金儲(chǔ)氫單元中，在合金儲(chǔ)氫罐外側(cè)與換熱腔室內(nèi)部設(shè)置換熱葉片，合金儲(chǔ)氫罐通過(guò)換熱腔室與壓力控制器相連。在所述電解水制氫單元中，所述中高壓電解水裝置與水箱相連，所述中高壓電解水裝置通過(guò)吸附純化器與氫氣純度檢測(cè)器相連。在所述燃料電池單元中，所述流量控制器的輸出端與所述燃料電池電堆的氫氣入口相連，同時(shí)所述安全電磁閥與所述流量控制器相連。所述燃料電池電堆的氫氣出口通過(guò)管道經(jīng)所述壓力傳感器與所述排氫電磁閥的輸入端相連，所述排氫電磁閥的輸出端通往室外，所述燃料電池電堆的輸出端與所述散熱風(fēng)扇的輸入端相連，所述燃料電池電堆的輸出端與所述DC/DC逆變器的輸入端相連，所述DC/DC逆變器的輸出端通過(guò)所述RS232通訊模塊與所述控制單元連接。所述DC/DC逆變器與所述燃料電池電堆的輸出端相連。在所述的控制單元中，所述PLC模塊的輸入端通過(guò)所述RS232通訊模塊分別與所述巡檢單元、人機(jī)交互界面、遠(yuǎn)程操控模塊和模擬量采集單元相連，所述PWM輸出模塊與所述散熱風(fēng)扇相連，所述D/A輸出模塊與所述合金儲(chǔ)氫單元的減壓閥和燃料電池單元的流量控制器相連，所述控制單元的輸出端經(jīng)所述驅(qū)動(dòng)電路與所述輸出單元的巡檢電路、燃料電池單元的安全電磁閥、排氫電磁閥等相連。在所述的輸出單元中，所述AC/DC逆變器的輸入端與所述DC/DC逆變器相連，所述巡檢單元與所述負(fù)載電路及市電電路相連，所述巡檢單元通過(guò)所述RS232通訊模塊與所述控制單元相連。
該燃料電池備用電源系統(tǒng)的工作原理如下所述：
在市電穩(wěn)定的狀態(tài)下通過(guò)市電驅(qū)動(dòng)中高壓電解水系統(tǒng)自動(dòng)電解水制成氫氣，在常溫下將制成的氫氣通過(guò)吸附純化后直接儲(chǔ)存在合金儲(chǔ)氫罐中，當(dāng)市電掉電時(shí)，將制成的氫氣作為燃料提供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，自動(dòng)啟動(dòng)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電為基站供電，同時(shí)利用燃料電池廢熱與合金放氫吸熱耦合，達(dá)到能源的綜合利用。
具體的，在電解水制氫的過(guò)程中，電解水制氫單元使用中高壓電解水裝置，利用堿性電解槽電解水反應(yīng)制備氫氣，或者采用高分子電解質(zhì)膜(SPE)水電解制氫，其中，堿性電解槽制氫設(shè)備的工作溫度為70-80℃，電解液使用KOH溶液，電解后的氫氣經(jīng)過(guò)吸附純化器吸附純化后使得氫氣露點(diǎn)降低至-70℃，微氧含量低于5ppm，經(jīng)過(guò)電化學(xué)增壓到2.5-8MPa后儲(chǔ)存在合金儲(chǔ)氫罐中備用。儲(chǔ)氫合金使用AB或者AB2系合金粉末，顆粒直徑為0.1-0.5mm，罐體采用316L不銹鋼或者16MnR低碳鋼制造，換熱葉片使用鋁或鋁合金翅片，熱交換腔使用PVC材料，放出的氫氣通過(guò)壓力控制器減壓至1.6atm后送入燃料電池單元，放氫吸熱產(chǎn)生的冷氣輸入燃料電池系統(tǒng)為電堆控溫。燃料電池單元使用風(fēng)冷式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，通過(guò)氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)產(chǎn)生直流電能和熱量，直流電能輸送給DC/DC逆變器，熱能通過(guò)散熱風(fēng)扇和風(fēng)道輸送給熱交換腔，通過(guò)換熱葉片給合金儲(chǔ)氫罐加溫；該電源系統(tǒng)的充電控制器與市電連接，在有電情況下給鋰離子電池充電，防止電池的過(guò)充過(guò)放，當(dāng)市電掉電時(shí)，鋰離子電池向燃料電池電堆、內(nèi)部控制電路、電磁閥和控制單元供電，提供在燃料電池電堆啟動(dòng)及功率達(dá)到需求前的電能；DC/DC單元將直流電調(diào)壓后連接至輸出單元；燃料電池單元的內(nèi)部控制電路與燃料電池電堆中每片電池的正負(fù)極相連，采集所有單片電池的電壓數(shù)據(jù)并通過(guò)RS232通訊模塊傳輸至控制單元；在輸出單元中，將電能經(jīng)過(guò)DC/AC逆變器供給負(fù)載，同時(shí)為控制單元供電；巡檢單元負(fù)責(zé)定時(shí)檢測(cè)負(fù)電路載功率及市電電路的電壓電流數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232模塊傳輸給控制單元，提供負(fù)載工作情況、市電掉電時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)及市電恢復(fù)后系統(tǒng)停機(jī)的信號(hào)數(shù)據(jù)?？刂茊卧哪M量采集單元與各個(gè)傳感器相連，采集電堆溫度、電壓、電流、電解水系統(tǒng)氫氣純度、壓力等數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232通訊模塊傳輸至控制單元PLC模塊；人機(jī)交互界面通過(guò)RS232通訊模塊與PLC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和故障報(bào)警，通過(guò)GPRS與上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，通過(guò)USB模塊讀取系統(tǒng)的相關(guān)配置參數(shù)；控制單元通過(guò)PWM輸出模塊、I/0控制模塊和D/A輸出模塊控制系統(tǒng)各個(gè)單元，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析。
此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。