一种氢储能燃料电池发电装置

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢储能燃料电池发电装置。

背景技术

氢燃料电池是直接将化学能转换为电能，通过将氢气送到燃料电池的阳极板，经过催化剂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板。分离出来的电子经外部电路，到达燃料电池阴极板，在外电路中产生电流。氢燃料电池的氧气可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢气，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。氢燃料电池的能量转化效率高达60～80％，并且燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，因此具有良好的应用前景。

申请号为CN2015202305343的中国专利公开了一种微型氢燃料电池发电装置，涉及一种小型直流电池发电装置，所述制氢系统的制氢剂为发电量固定的标准单元能量体，制氢系统包括各自独立的制氢舱和能量仓，能量体填装在能量仓内；制氢舱氢气导出管气体入口端位置在制氢舱的几何中心，反应液体水位线位置在几何中心以下；管理系统在装置输出端设置USB充电口；外壳的正面上部制有上盖，外壳下部制有散热孔，外壳一侧设有充电键。该装置可以根据充电量确定制氢剂的添加量，充电过程中发电装置可以任意方向便携移动。但是该装置在使用过程中，由于其制氢剂都是以固定的标准单元能量体形成存在，要想添加或减少制氢剂，需要停止设备运行，重新确定制氢剂的添加量，在装置正常进行制氢的过程中，不能调节改变制氢的速度，即不能控制调节发电效率，同时导气管的设计将限制制氢舱内液体的添加量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢储能燃料电池发电装置，旨在解决上述技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种氢储能燃料电池发电装置，包括反应罐、发电室、制氢系统、燃料电池以及电控系统，所述制氢系统设置于反应罐内，所述燃料电池和电控系统设置于发电室内，所述制氢系统与燃料电池相连接以提供氢气，所述燃料电池与电控系统相连接以将释放的电能稳定输出；

所述制氢系统包括制氢管，所述制氢管设置于反应罐内，所述制氢管内部通过主隔板被均匀分隔为若干制氢腔，每个所述制氢腔内部通过副隔板被均匀分为若干放置腔，每个所述放置腔内均填充有制氢剂，所述放置腔的外壁上贯穿设有通孔，所述制氢管顶部密封连接有盖体；

所述反应罐的顶部密封连接有端盖，所述端盖中央设置有旋转连接座，所述旋转连接座内部转动穿设有转杆，所述转杆底部与盖体固定连接，所述反应罐内的底部连接有外套筒，所述外套筒与制氢管同轴设置，所述外套筒内壁与制氢管外壁贴合，所述转杆带动制氢管沿着外套筒内表面滑动旋转，所述外套筒的侧壁上等间隔设置有与制氢腔一一对应的开口。

作为本发明进一步的方案：所述盖体底部与弹簧柱的一端相连接，所述弹簧柱的另一端与压板相连接，所述压板抵靠于主隔板的上端。

作为本发明进一步的方案：所述旋转连接座的上端设置有固定垫板，所述固定垫板与端盖相连接，所述转杆与旋转连接座之间通过轴承保持转动配合。

作为本发明进一步的方案：所述转杆为阶梯状的柱状结构，所述转杆的阶梯结构与旋转连接座内表面的阶梯状结构配合装配，所述转杆与旋转连接座内表面之间设置有至少一层密封垫。

作为本发明进一步的方案：所述制氢系统还包括储氢舱，所述储氢舱设置于反应罐内部，所述储氢舱顶部设置有导气管，所述导气管端部与通气软管的一端相连接，所述通气软管的另一端设置有浮动进气件，所述储氢舱通过供氢管路与燃料电池相连接。

作为本发明进一步的方案：所述浮动进气件包括进气罩壳、浮动基板、浮动块以及配重柱，所述进气罩壳顶部与通气软管相连通，所述进气罩壳外壁上均匀开设有若干进气口，进气罩壳安装于浮动基板上端，所述浮动基板的底部中央与配重柱相连接，所述浮动块绕配重柱的外围均匀设置。

作为本发明进一步的方案：所述电控系统包括控制电路板、DC-DC转换器、超级电容以及USB输出端口，所述DC-DC转换器贴装在控制电路板上，所述燃料电池的输出端与DC-DC转换器连接，所述DC-DC转换器的输出端与超级电容相连接，所述超级电容与USB输出端口相连接。

作为本发明进一步的方案：所述燃料电池底部与排气管的一端相连通，所述排气管另一端穿过发电室伸出到外部。

作为本发明进一步的方案：所述反应罐侧壁上设置有观察窗。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用主隔板和副隔板将制氢腔的内部空间进行均匀划分，使得每个放置腔内的制氢剂能够在各自独立的空间内进行制氢反应，同时控制每个放置腔内填充的制氢剂数量保持一致，使得制氢剂在与水相接触时，每个放置腔内均能保持一致的制氢速度，同时利用转杆带动制氢管与外套筒进行转动配合，通过外套筒与每个放置腔的通孔之间实现错位封闭，从而实现对制氢系统制氢速率的调节控制，进而能够控制调节燃料电池的发电效率；

(2)本发明中的浮动基板通过浮动块的浮力作用始终漂浮在液面上，同时配重柱保证浮动基板在液面上的稳定性，配合柔性的通气软管，产生的氢气将顺利从进气口通过通气软管输送到储氢舱，从而不会因为反应罐的倾斜晃动而影响制氢系统的制氢过程，方便发电装置的使用，并且由于浮动进气件始终漂浮在液面上，可以在反应罐任意添加水而不会受到条件限制；

(3)本发明中的压板在弹簧柱的作用力压靠在主隔板顶端时，压板能够同时封闭所有制氢腔以及放置腔，一方面能够对每个放置腔内填充的制氢剂进行压紧压实，另一方面能够防止放置腔内的制氢剂逃窜到其他放置腔，造成制氢剂数量不均而影响每个放置腔制氢速度的一致性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明中制氢管的结构示意图；

图4是本发明中制氢管与外套筒的安装示意图；

图5是本发明中转杆的结构示意图；

图6是本发明中储氢舱的结构示意图；

图7是本发明中浮动进气件的结构示意图。

图中：1、反应罐；101、观察窗；2、发电室；3、燃料电池；4、制氢管；401、主隔板；402、副隔板；403、制氢腔；404、放置腔；405、通孔；5、制氢剂；6、盖体；601、弹簧柱；602、压板；7、端盖；701、旋转连接座；702、固定垫板；703、轴承；704、密封垫；8、转杆；9、外套筒；901、开口；10、储氢舱；1001、导气管；1002、通气软管；11、浮动进气件；1101、进气罩壳；1102、浮动基板；1103、浮动块；1104、配重柱；1105、进气口；12、控制电路板；13、DC-DC转换器；14、超级电容；15、USB输出端口；16、排气管。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2所示，本发明为一种氢储能燃料电池发电装置，包括反应罐1、发电室2、制氢系统、燃料电池3以及电控系统，制氢系统设置于反应罐1内，燃料电池3和电控系统设置于发电室2内，制氢系统与燃料电池3相连接以提供氢气，燃料电池3与电控系统相连接以将释放的电能稳定输出。

如图2-图4所示，制氢系统包括制氢管4，制氢管4设置于反应罐1内，制氢管4内部通过主隔板401被均匀分隔为若干制氢腔403，每个制氢腔403内部通过副隔板402被均匀分为若干放置腔404，每个放置腔404内均填充有制氢剂5，放置腔404的外壁上贯穿设有通孔405，制氢管4顶部密封连接有盖体6。

本实施例中，主隔板401和副隔板402一体成型，且两者高度相同，相邻两个主隔板401之间的制氢腔403体积一致，且每个制氢腔403内的多个放置腔404体积也保持相同，这样使得每个放置腔404内填充的制氢剂5数量能够保持一致，从而保证制氢剂5与水相接触时，每个制氢腔403的每个放置腔404均能保持一致的制氢速度，有利于后续制氢速率调节控制的准确性。

如图5所示，反应罐1的顶部密封连接有端盖7，端盖7中央设置有旋转连接座701，旋转连接座701内部转动穿设有转杆8，转杆8底部与盖体6固定连接，反应罐1内的底部连接有外套筒9，外套筒9与制氢管4同轴设置，外套筒9内壁与制氢管4外壁贴合，转杆8带动制氢管4沿着外套筒9内表面滑动旋转，外套筒9的侧壁上等间隔设置有与制氢腔403一一对应的开口901。

通过以上技术方案，利用主隔板401和副隔板402将制氢腔403的内部空间进行均匀划分，使得每个放置腔404内的制氢剂5能够在各自独立的空间内进行制氢反应，同时控制每个放置腔404内填充的制氢剂5数量保持一致，使得制氢剂5在与水相接触时，每个放置腔404内均能保持一致的制氢速度。本实施例中，制氢腔403的数量为三个，每个制氢腔403内放置腔404的数量为三个，控制转杆8带动制氢管4沿外套筒9内表面滑动旋转：当旋转至外套筒9表面的开口901与三个制氢腔403分别一一对应时，此时每个制氢腔403内的三个放置腔404均通过通孔405与外界连通，即此时有九个制氢剂5与水接触进行制氢反应；当制氢管4旋转至外套筒9表面的开口901只与制氢腔403内的两个放置腔404相连通时，另一个放置腔404将会被开口901之间的外套筒9所遮蔽封盖，即此时有六个制氢剂5与水接触进行制氢反应；同理，控制转杆8带动制氢管4转动一定角度，可以转动调节至只有三个制氢剂5与水接触进行制氢反应。因此，利用转杆8带动制氢管4与外套筒9进行转动配合，通过外套筒9与每个放置腔404的通孔405之间实现错位封闭，从而实现对制氢系统制氢速率的调节控制。

如图4所示，盖体6底部与弹簧柱601的一端相连接，弹簧柱601的另一端与压板602相连接，压板602抵靠于主隔板401的上端。

本实施例中，压板602的形状与制氢管4横截面的形状相同，由于主隔板401和副隔板402的高度一致，当压板602在弹簧柱601的作用力压靠在主隔板401顶端时，压板602能够同时封闭所有制氢腔403以及放置腔404，一方面能够对每个放置腔404内填充的制氢剂5进行压紧压实，另一方面能够防止放置腔404内的制氢剂5逃窜到其他放置腔404，造成制氢剂5数量不均而影响每个放置腔404制氢速度的一致性。

如图5所示，旋转连接座701的上端设置有固定垫板702，固定垫板702与端盖7相连接，转杆8与旋转连接座701之间通过轴承703保持转动配合。

其中，固定垫板702的作用是在于保证旋转连接座701的装配稳定性，使得旋转连接座701在转杆8转动控制的过程中能够保持固定。

进一步地，转杆8为阶梯状的柱状结构，转杆8的阶梯结构与旋转连接座701内表面的阶梯状结构配合装配，转杆8与旋转连接座701内表面之间设置有至少一层密封垫704。

其中，转杆8与旋转连接座701之间阶梯式的装配配合有利于保证结构装配稳定性，转杆8与旋转连接座701之间可以设置多层密封垫704，以提高密封性能，防止氢气泄露。

如图2和图6所示，制氢系统还包括储氢舱10，储氢舱10设置于反应罐1内部，储氢舱10顶部设置有导气管1001，导气管1001端部与通气软管1002的一端相连接，通气软管1002的另一端设置有浮动进气件11，储氢舱10通过供氢管路与燃料电池3相连接。

其中，本实施例中的储氢舱10采用防水材料制成，制氢剂5与水反应产生的氢气依次经过浮动进气件11、通气软管1002以及导气管1001后进入到储氢舱10的舱室内进行存储，再通过供氢管路向燃料电池3提供氢气，其中供氢管路贯穿反应罐1进入到发电室2内，供氢管路与反应罐1之间的连接处采用密封处理。

如图7所示，浮动进气件11包括进气罩壳1101、浮动基板1102、浮动块1103以及配重柱1104，进气罩壳1101顶部与通气软管1002相连通，进气罩壳1101外壁上均匀开设有若干进气口1105，进气罩壳1101安装于浮动基板1102上端，浮动基板1102的底部中央与配重柱1104相连接，浮动块1103绕配重柱1104的外围均匀设置。

其中，本实施例中的通气软管1002以及浮动进气件11有两组，分别设置于制氢管4的两侧。在制氢过程中，反应罐1通过底部的注水口(图中未画出)充入水，水透过通孔405进入到放置腔404内与制氢剂5反应产生氢气，此过程中，当反应罐1发生倾斜晃动时，浮动基板1102通过浮动块1103的浮力作用将始终漂浮在液面上，同时配重柱1104保证了浮动基板1102在液面上的稳定性，配合柔性的通气软管1002，产生的氢气将顺利从进气口1105通过通气软管1002输送到储氢舱10，从而不会因为反应罐1的倾斜晃动而影响制氢系统的制氢过程。

如图2所示，电控系统包括控制电路板12、DC-DC转换器13、超级电容14以及USB输出端口15，DC-DC转换器13贴装在控制电路板12上，燃料电池3的输出端与DC-DC转换器13连接，DC-DC转换器13的输出端与超级电容14相连接，超级电容14与USB输出端口15相连接。

需要注意的是，燃料电池3所产生的电能为直流电，其输出电压不仅受内阻影响而且随着负载的变化而改变。因此，为保证供电性能的稳定，在燃料电池3输出端，需要配置DC-DC转换器13，主要保证负载连续变化时，将输出电压稳定在合适的范围，输出的电能传输到超级电容14内进行存储，然后通过USB输出端口15进行输出使用。

本实施例中的电控系统还包括控制单元，用来接收各采集端口(图中未画出)采集的数据，如温度采集端、湿度采集端、电压电流信号采集端等等，并对采集数据进行分析，根据分析的结果来控制对应的执行机构完成相应的动作，保证燃料电池3正常工作。上述控制单元的逻辑控制过程在燃料电池系统中已广泛应用，为现有技术已知，在此不作过多赘述。

如图2所示，燃料电池3底部与排气管16的一端相连通，排气管16另一端穿过发电室2伸出到外部。燃料电池3利用氢气释放电能过程中的副产物为水，排气管16能够将少量的水排出到发电室2的外部。

如图1所示，反应罐1侧壁上设置有观察窗101。使用者可以透过观察窗101了解制氢管4的制氢情况，并且可以通过观察窗101来观察转杆8带动制氢管4相对于外套筒9的滑动旋转动作，以此来更好地对制氢速度进行控制调节。

本发明的工作原理：使用时，在制氢管4内部的每个放置腔404内填充等量的制氢剂5，盖上盖体6，利用弹簧柱601的作用力将压板602压靠在主隔板401顶端，对每个放置腔404内填充的制氢剂5进行压紧压实，并防止放置腔404内的制氢剂5逃窜到其他放置腔404，将转杆8与盖体6固定连接，再从反应罐1底部的注水口充入水，控制转杆8带动制氢管4沿外套筒9内表面滑动旋转，反应罐1内的水透过通孔405与放置腔404内的制氢剂5接触以进行制氢过程，通过外套筒9与每个放置腔404的通孔405之间实现错位封闭，实现对制氢系统制氢速率的调节控制，产生的氢气将从进气口1105通过通气软管1002输送到储氢腔，当反应罐1发生倾斜晃动时，浮动基板1102通过浮动块1103的浮力作用将始终漂浮在液面上，同时配重柱1104保证浮动基板1102在液面上的稳定性，配合柔性的通气软管1002，使得在倾斜晃动时仍能保证氢气的顺利输送，氢气通过供氢管路输送至燃料电池3，燃料电池3内发生电化学反应释放电能，并通过DC-DC转换器13将输出电压达到稳定状态，输出的电能传输到超级电容14内进行存储，然后通过USB输出端口15进行输出使用。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。