基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統及供電方法與流程
2023-05-29 05:22:51
本發明涉及氫能源技術領域，特別涉及一種基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統及供電方法。
背景技術：
近年來新能源汽車受到越來越多的重視，各種類型的新能源汽車陸續上市。目前常見的是採用鋰電池作為電源的新能源汽車，具有清潔無汙染的優點，符合當下的環保要求。但是，採用鋰電池作為電源，存在充電時間長、續航裡程不足等問題，且為其提供電能的充電站等配套設施與現有的加油站及運輸儲存設施不兼容，完全替換需要投入巨大的財力物力，成本高昂。
另一種新能源汽車模式是採用氫氣作為能源提供動力，其氫能轉換模式包括氫內燃機或氫燃料電池兩種。其中，氫燃料電池與鋰電池結合作為新能源汽車動力，可以解決充電時間和續航裡程的問題。現有的技術是採用高壓儲氫罐儲氫，為氫燃料電池提供氫氣。由於鋰電池有因為過熱或短路引起燃燒爆炸的問題，而燃料電池的高壓儲氫罐同樣有可能因為氫氣洩露引起燃燒爆炸，從而使鋰電池與高壓儲氫罐在同一車上的安全隱患大大增加。而安全是新能源汽車能否大規模應用最重要的決定因素之一，因此，上述問題導致現有的氫燃料電池新能源汽車無法進入大規模商業應用。
中國地質大學（武漢）可持續能源實驗室研究團隊，在程寒松教授的帶領下，經長期的研究發現了一類有機液態共軛分子儲氫材料，這類材料具有閃點高，熔點低、在高效催化劑作用下脫氫溫度低、釋放氣體純度高等特點，且可逆性強，循環壽命高，並且不產生一氧化碳等毒害燃料電池催化劑的氣體。作為氫的載體，這類材料在常溫下以液態方式存在，可以像汽油一樣在常溫常壓下儲存和運輸，可利用現有汽油輸送方式和加油站設備。這種有機材料的發現，為解決現有的氫燃料電池新能源汽車的安全問題提供了基礎。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題在於提供一種基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，提高氫燃料電池新能源汽車的安全性，且解決充電時間和續航裡程的問題。
為了實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：
基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，用於新能源汽車的車載動力系統中，包括用於提供氫氣的有機液態氫源裝置、用於將氫能轉換為電能的氫能轉換裝置和用於管理電能的電源管理裝置，以及溫度管理裝置；
所述有機液態氫源裝置包括用於儲存有機液態氫源材料和有機液態儲氫載體的儲存設備，及用於產生氫氣的脫氫裝置；
所述氫能轉換裝置包括用於發電的氫燃料電池，所述氫燃料電池為燃料電池電堆；
所述電源管理裝置包括用於儲存電能的二次電池和用於電能管理的電能管理單元；
所述脫氫裝置設有第一熱交換設備，所述氫燃料電池設有第二熱交換設備，所述二次電池設有第三熱交換設備，所述第一熱交換設備、第二熱交換設備、第三熱交換設備通過管道傳熱設備連接；
還包括預熱裝置，所述預熱裝置設於所述脫氫裝置之前，用於對進入脫氫裝置的有機液態氫源材料進行預加熱；
所述溫度管理裝置用於管理系統溫度以及控制所述第一熱交換設備、第二熱交換設備、第三熱交換設備、管道傳熱設備及預熱裝置的運行。
進一步的，所述氫燃料電池產生的電能輸入所述二次電池儲存，所述二次電池在所述電能管理單元的控制下對外部負載供電。
進一步的，所述電能管理單元連接汽車的行車電腦，並根據所述行車電腦提供的行車及路況數據計算平均行車能耗，調節二次電池與燃料電池電量的合理分配，控制所述氫燃料電池平穩運行。
優選的，所述儲存設備包括用於存放有機液態氫源材料的第一儲存罐/儲存室和用於存放有機液態儲氫載體的第二儲存罐/儲存室，所述第一儲存罐/儲存室的輸出口設置有用於輸送有機液態氫源材料的泵。
優選的，所述脫氫裝置包括用於有機液態氫源材料進行脫氫反應的脫氫反應器以及用於催化脫氫反應的脫氫催化劑。
進一步的，所述有機液態氫源裝置還包括緩衝罐，所述緩衝罐用於儲存所述脫氫裝置產生的氫氣，所述氫燃料電池使用所述緩衝罐中的氫氣發電。
進一步的，所述管道傳熱設備繞設於所述預熱裝置上。
優選的，所述脫氫裝置中進行脫氫反應的反應條件為溫度120～280℃，氣壓0.1～0.4mpa。
進一步的，所述脫氫裝置還設有加熱裝置，用於加熱所述脫氫裝置，所述溫度管理裝置還用於控制所述加熱裝置的工作溫度。
優選的，所述加熱裝置為電加熱設備，使用所述二次電池提供的電能進行加熱。
優選的，所述加熱裝置為氫燃燒設備，使用所述脫氫裝置提供的氫氣燃燒加熱。
進一步的，所述氫燃料電池的工作溫度為20～140攝氏度。
優選的，所述管道傳熱設備中的導熱介質為高溫導熱介質。
優選的，所述管道傳熱設備中的導熱介質為有機液態氫源材料，所述儲存設備中的有機液態氫源材料經所述管道傳熱設備後進入脫氫裝置進行脫氫反應。
本發明還提供了一種使用上述的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統供電的方法，包括如下步驟：通過泵將儲存在儲存設備中的有機液態氫源材料輸入脫氫裝置進行脫氫反應，得到氫氣和有機液態儲氫載體，所述氫氣進入氫燃料電池，所述氫燃料電池通過電源管理單元為二次電池充電，所述電源管理裝置為汽車或其它外部負載供電；所述預熱裝置對進入脫氫裝置的有機液態氫源材料進行預加熱。
本發明還提供了另一種使用上述的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統供電的方法，包括如下步驟：通過泵將儲存在儲存設備中的有機液態氫源材料送入所述管道傳熱設備，吸收熱量後進入脫氫裝置進行脫氫反應，得到氫氣和有機液態儲氫載體，所述氫氣進入氫燃料電池，所述氫燃料電池通過電源管理單元為二次電池充電，所述電源管理裝置為汽車或其它外部負載供電。
進一步的，所述脫氫裝置產生的氫氣先進入緩衝罐儲存，所述氫燃料電池使用緩衝罐中的氫氣發電。
本發明的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，採用儲存在儲存設備中的有機液態儲氫材料作為氫源，使用時在脫氫裝置中經脫氫反應產生氫氣，供氫燃料電池使用。所述有機液態儲氫材料具有閃點高、熔點低，在催化劑作用下能釋放出高純度氫氣，且脫氫溫度低、可逆性強、循環壽命長、不產生有害燃料電池催化劑的氣體等優點。因此，採用該種有機液態儲氫材料作為氫源，對比現有的採用高壓儲氫罐作為氫源的方式，避免了因氫氣洩露引起燃燒爆炸的風險，大大提高了氫源的安全性。氫燃料電池產生的電能為二次電池充電，並由電能管理單元統一管理二次電池的充電和放電，常用的二次電池為鋰電池。採用這種方式，既避免了二次電池因為過熱或短路引起燃燒爆炸的危險，又可以穩定持續的為新能源汽車中的外部負載供電，在提高安全性的同時也解決了充電時間和續航裡程的問題。作為進一步的改進，上述電能管理單元連接汽車的行車電腦。所述行車電腦包括電子控制單元ecu(electroniccontrolunit)和車載導航裝置等，是普遍配置於汽車中的電子控制設備，其不僅能管理車上的電子設備，還能與外部設備通過無線網絡進行通信，獲取實時路況等數據信息。電能管理單元根據所述行車電腦提供的行車及路況數據計算平均行車能耗，調節二次電池與燃料電池電量的合理分配，以達到控制所述氫燃料電池平穩運行、節約能耗、提高氫燃料電池壽命的目的。
本發明的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，其氫燃料電池為工作溫度在20～140攝氏度範圍的燃料電池電堆，可以將其作為熱源提供熱量加熱有機液態氫源材料，從而提高整個系統的熱能利用效率。同時，二次電池在工作時也會發熱，產生多餘熱量，因此也可以作為熱源。具體的，在所述脫氫裝置上設有第一熱交換設備，在所述氫燃料電池、二次電池上分別設有第二、第三熱交換設備，所述第一、第二、第三熱交換設備通過管道傳熱設備連接。在上述的管道傳熱設備中，設有高溫導熱介質，可以將氫燃料電池、二次電池產生的剩餘熱量傳遞到脫氫裝置上，同時也冷卻了氫燃料電池和二次電池，提高了系統的熱效率。脫氫反應器中進行脫氫反應的反應條件為溫度120～280℃，氣壓0.1～0.4mpa，由於燃料電池的剩餘熱量經管道傳熱設備傳導後不足以提供脫氫裝置需要的反應溫度，本系統還設置了預熱裝置，以使有機液態氫源材料在進入脫氫反應器前，由預熱裝置進行預加熱，從而提高進入脫氫反應器的液態氫源材料的溫度，減少在脫氫反應器中的加熱時間，提高了脫氫效率。優選的，所述管道傳熱設備繞設於所述預熱裝置上，利用系統的剩餘熱量進行預熱。
作為進一步的優選方案，管道傳熱設備中的導熱介質也可以是有機液態氫源材料。採用有機液態氫源材料時，可將管道傳熱設備分別與有機液態氫源材料的儲存設備和脫氫裝置相連接，使有機液態氫源材料經所述管道傳熱設備吸收熱量後進入脫氫裝置進行脫氫反應，從而進一步提高系統的熱能利用效率，且簡化了系統結構，節約了空間。
為了避免熱交換設備提供的熱量不能滿足脫氫裝置中的反應條件，脫氫裝置上還設置了加熱裝置。加熱裝置可以是由二次電池供電的電加熱裝置，也可以是由緩衝罐提供氫氣的氫燃燒設備，結構緊湊，節約空間。
本發明的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，採用兩個儲存罐分別存放儲存氫氣的有機液態氫源材料和脫氫後的有機液態儲氫載體。作為氫的載體，這類材料在使用過程中始終以液態方式存在，可以像石油一樣在常溫常壓下儲存和運輸，完全可利用現有汽油輸送方式和加油站構架，大大節省了投資成本。脫氫裝置採用脫氫反應器，在脫氫催化劑的催化下可高效的產生氫氣供燃料電池發電。優選的，脫氫裝置產生的氫氣先進入緩衝罐存儲，燃料電池使用緩衝罐中的氫氣發電，可以提高供氫的穩定性和發電效率。
本發明所提供的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，是一種清潔環保、使用方便的電源系統，用於新能源汽車，不僅解決了充電時間和續航裡程的問題，更重要的是避免了現有的高壓儲氫罐與鋰電池在同一車上的安全隱患，大大提高了系統的安全性，使採用該電源系統的新能源汽車能夠進行大規模商業應用，帶來巨大的社會效益和經濟效益。同時，本發明的電源系統也可以用於汽車，輪船，飛行器等行動裝置或固定設備作為動力能源，具有廣泛的用途。
使用本發明的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統供電的方法，具有清潔高效、安全性好、熱能利用率高且供電穩定的優點，能廣泛應用於新能源汽車或其他交通工具或固定設備，經濟效益好，有很好的商業應用前景。
附圖說明
圖1為本發明的基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統的一個優選實施例的結構示意圖；
附圖標記說明：1-儲存罐一，2-泵，3-預熱裝置，4-脫氫反應器，5-緩衝罐，6-氫燃料電池，7-第一熱交換設備，8-溫度管理裝置，9-鋰電池，10-第二熱交換設備，11-第三熱交換設備，12-電源管理裝置，13-儲存罐二，14-管道傳熱設備。
具體實施方式
為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
本發明提供了一種基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，用於新能源汽車的車載動力系統中，包括：
基於液態氫源和燃料電池的智能電源系統，用於新能源汽車的車載動力系統中，包括用於提供氫氣的有機液態氫源裝置、用於將氫能轉換為電能的氫能轉換裝置和用於管理電能的電源管理裝置，以及溫度管理裝置；
所述有機液態氫源裝置包括用於儲存有機液態氫源材料和有機液態儲氫載體的儲存設備，及用於產生氫氣的脫氫裝置；
所述氫能轉換裝置包括用於發電的氫燃料電池，所述氫燃料電池為燃料電池電堆；
所述電源管理裝置包括用於儲存電能的二次電池和用於電能管理的電能管理單元；
所述脫氫裝置設有第一熱交換設備，所述氫燃料電池設有第二熱交換設備，所述二次電池設有第三熱交換設備，所述第一熱交換設備、第二熱交換設備、第三熱交換設備通過管道傳熱設備連接；
還包括預熱裝置，所述預熱裝置設於所述脫氫裝置之前，用於對進入脫氫裝置的有機液態氫源材料進行預加熱，所述溫度管理裝置還用於控制所述預熱裝置的工作溫度；
所述溫度管理裝置用於管理系統溫度以及控制所述第一熱交換設備、第二熱交換設備、第三熱交換設備、管道傳熱設備及預熱裝置的運行。
其中，本發明的電源系統中使用的有機液態儲氫載體是一種可在常溫常壓下呈現液態的儲氫體系，包括至少兩種不同的有機儲氫組分，儲氫組分為雜環不飽或不飽和芳香烴和化合物，且至少一種有機儲氫組分為熔點低於80℃的低熔點化合物。上述有機液態儲氫載體在加氫催化劑的作用下進行加氫化學反應生成有機液態氫源材料，有機液態氫源材料在脫氫催化劑的作用下進行脫氫化學反應還原為有機液態儲氫載體，具有閃點高、熔點低，在高效催化劑作用下能釋放出高純度氫氣，且脫氫溫度低、循環壽命長、可逆性強、不產生毒害燃料電池催化劑的氣體等優點。
用於儲存有機液態氫源材料和有機液態儲氫載體的儲存設備，可以是儲存罐或者其它形式，體積可以是微型或著車載或著大型儲存罐體。儲存設備可以採用分別儲存有機液態氫源材料和有機液態儲氫載體的儲存罐，每個儲存罐分別設置有有輸入口和輸出口。儲存設備也可以是設置有分別存放有機液態氫源材料和有機液態儲氫載體的空間：第一存放室和第二存放室，第一和第二存放室各設置有輸入口和輸出口。第一儲存罐或存放室的輸出口設置有泵，通過泵的運轉，有機液態氫源材料被輸入脫氫反應器。
脫氫裝置中的脫氫反應器可以採用塔式、列管式、板式或其他形式，內部填充有脫氫催化劑。脫氫過程是在120～250℃，0.1～0.4mpa大氣壓下、在脫氫催化劑的作用下進行，有機液態氫源材料在反應器中被催化分解為氫氣和有機液態儲氫載體，反應產物直接在反應器內分離，氫氣進入氫燃料電池發電，有機液態儲氫載體回流第二存罐或存放室。或者反應產物先被輸入氣液分離裝置裡進行分離，氫氣進入氫燃料電池發電，有機液態儲氫載體回流第二存罐或存放室。
作為進一步的優選方案，上述過程中產生的氫氣先被輸送到緩衝罐，之後氫氣從緩衝罐被輸送至燃料電池，從而保證了氫氣的穩定供應。
本發明的電源系統中，氫燃料電池為工作溫度在20～140攝氏度範圍的燃料電池電堆，可以將其作為熱源提供熱量加熱有機液態氫源材料；同時，鋰電池在工作時也會發熱，產生多餘熱量，因此也可以作為熱源，從而提高整個系統的熱能利用效率。
具體的，在脫氫裝置上設有第一熱交換設備，在氫燃料電池、二次電池上分別設有第二、第三熱交換設備，第一、第二、第三熱交換設備通過管道傳熱設備連接，在管道傳熱設備內設有高溫導熱介質。系統工作時，通過管道傳熱設備內的導熱介質吸收中溫燃料電池電堆或高溫燃料電池電堆以及鋰電池的熱量，既冷卻了燃料電池和鋰電池，又可以經熱交換設備對反應器進行加熱，從而大大提高了系統的熱能利用效率。由於燃料電池的剩餘熱量經管道傳熱設備傳導後不足以提供脫氫裝置需要的反應溫度，本系統還設置了預熱裝置，以使有機液態氫源材料在進入脫氫反應器前，由預熱裝置進行預加熱，從而提高進入脫氫反應器的液態氫源材料的溫度，減少在脫氫反應器中的加熱時間，提高了脫氫效率。
或者，作為進一步的優選方案，上述管道傳熱設備的兩端分別連接有機液態氫源材料儲存設備的輸出口和脫氫反應器的輸入口，管道傳熱設備內的導熱介質為有機液態氫源材料。此時，有機液態氫源材料經管道傳熱設備先進入第三熱交換設備、第二熱交換設備後再進入第一熱交換設備，將二次電池和氫燃料電池產生的熱量傳導給脫氫反應器後，再進入反應器進行脫氫反應，從而進一步提高系統的熱效率，同時也簡化了系統結構。上述過程中，反應器加熱，氫燃料電池和鋰電池的冷卻均通過溫度管理裝置控制。
優選的，管道傳熱設備還可以繞設於上述預熱裝置上，利用系統的剩餘熱量進行預熱。
為了避免熱交換設備提供的熱量不足以滿足脫氫裝置中脫氫反應的反應條件，在脫氫反應器外部還設置有加熱裝置，該加熱裝置可以為電加熱裝置、氫燃燒加熱器、微波加熱裝置或其他加熱裝置。其中，電加熱裝置可以使用二次電池作為電源，氫加熱器是使用反應器製取的部分氫氣進行燃燒後產生的熱量來進行加熱的設備。上述加熱裝置結合預熱裝置及第一熱交換裝置，將脫氫反應器外部的溫度保持在120～290℃，使得有機液態氫源材料能在脫氫反應器內部120～250℃溫度下進行脫氫反應。
本發明的電源系統中，氫燃料電池發出的電給二次電池充電，二次電池再對外部負載供電。優選的，二次電池為鋰電池，在電能管理單元的統一管理下充電和放電。採用這種方式，既避免了鋰電池因為過熱或短路引起燃燒爆炸的危險，又可以穩定持續的為新能源汽車中的外部負載供電。
進一步的改進是電能管理單元連接汽車的行車電腦，以獲取汽車行駛數據和實時路況等數據信息。電能管理單元根據所述行車電腦提供的行車及路況數據計算平均行車能耗，並根據計算得到的平均行車能耗及前方路況信息控制氫燃料電池平穩運行，併合理分配鋰電池的電量，在提供足夠電能的同時達到節約能耗並提高氫燃料電池壽命的目的。
具體的，在一個簡單的實施例中，可包括如下步驟：
1）電能管理單元連接行車電腦，得到計劃行駛距離，根據當前及計劃行駛距離內行車電腦提供的路況信息（如道路擁堵情況等）得到平均行駛速度；
2）電能管理單元根據上述信息進行計算，預估下一段時間內汽車的平均行車能耗；
3）根據上述計算結果，控制氫燃料電池的運行功率，使得燃料電池在運行期間內，其運行功率變化最小（穩定的運行功率可以同時提高燃料電池和鋰電池的壽命和能量轉換效率）；
4）電能管理單元根據實際路況信息調整上述計算數據，控制氫燃料電池的運行及鋰電池的電量分配。
下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。
如圖1所示，儲存設備為儲存罐，有機液態氫源材料存放在儲存罐一1內，儲存罐一1設置有有輸入口和輸出口，在儲存罐一1的輸出口設置有泵2。鋰電池9上設有第三熱交換設備11，氫燃料電池6上設有第二熱交換設備10，脫氫反應器4上設有第一熱交換設備7，上述泵2、第三熱交換設備11、第二熱交換設備10、第一熱交換設備7、脫氫反應器4依次通過管道傳熱設備14連接；或者，也可以是管道傳熱設備14依次繞設於第三熱交換設備11、第二熱交換設備10、第一熱交換設備7及預熱裝置3上。通過泵2的運轉，有機液態氫源材料經管道傳熱設備14依次進入第三熱交換設備11、第二熱交換設備10及第一熱交換設備7後進入脫氫反應器4；或者經繞設於第三熱交換設備11、第二熱交換設備10、第一熱交換設備7及預熱裝置3上的管道傳熱設備14進入脫氫反應器4。脫氫反應器4為塔式反應器，內部填充有脫氫催化劑。有機液態氫源材料在脫氫反應器4中被分解為氫氣和有機液態儲氫載體，有機液態儲氫載體被輸送回儲存罐二13。氫氣被輸送到緩衝罐5，然後從緩衝罐輸送至氫燃料電池6。溫度管理裝置12通過熱電偶及泵的流速控制第一、第二、第三熱交換設備及預熱裝置的溫度。燃料電池6通過電源管理裝置8為鋰電池9充電，電源管理裝置8為汽車電機或其他負載供電。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例和附圖並不是用來限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，自當可作各種變化或潤飾，但同樣在本發明的保護範圍之內。因此本發明的保護範圍應當以本申請的權利要求保護範圍所界定的為準。