[实用新型]便携式燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及便携式燃料电池系统。特别涉及燃料电池的供氢系统。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种在常温(0～80℃)下就能直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50～80％)、无污染地转化为电能的发电装置，可以被看作是一种没有燃烧过程的原动机。FC的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料的反应就像氢的氧化过程，阴极催化氧化剂的反应就像氧的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。

燃料电池种类繁多，包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池(SOFC)等等，在这些燃料电池中，最有发展潜力的类型是质子交换膜燃料电池，它拥有许多特点：如可代替充电电池，是汽车和家庭应用的理想能源；能在较低的温度下工作，可在严寒条件下迅速启动；电力密度较高，因此体积相对较小；工作效率很高，并能快速地根据用电的需求而改变其输出。本发明就是针对质子交换膜燃料电池而创造的一种便携式燃料电池系统。

给质子交换膜燃料电池供氢的氢源往往是甲醇、高压气态氢、低温液态氢等，使用这些传统氢源时常出现流程复杂，产氢速度不可控，使用和携带不方便等问题。其中，使用甲醇供氢的方法又被称作直接甲醇燃料电池。这种直接甲醇燃料电池不再从甲醇中提取氢作为燃料，而是直接用液态甲醇作燃料，虽然作为可移动电子设备的电源有很大发展潜力，但也存在电池功率低，只能用于耗电少且平稳的设备中等缺点。

发明内容：

本发明为了解决燃料电池中使用这些传统氢源时出现流程复杂，产氢速度不可控，使用和携带不方便等问题，以硼氢化钠水解反应产生的氢气为氢源，供给离子交换膜燃料电池电堆作为燃料，由离子交换膜燃料电池电堆发电产生电能。

硼氢化钠的水解反应如下：

NaBH₄+2H₂O→4H₂+NaBO₂

硼氢化钠是由天然矿物硼砂为原料制成的高含氢化学氢化物，溶于水形成液态储氢材料，没有自燃、爆炸的危险。硼氢化钠在空气中较稳定，通过催化水解反应能在常温及低温下迅速放出全部氢气，启动时间短。最低放氢温度可达-40℃。由于硼氢化合物水解反应是放热反应，随着反应的进行，将自动加热燃料，从而提高放氢速度。但产氢温度却不会高于水的沸点(100℃)，非常适合于在恶劣环境中作为燃料电池的氢源。所释放的氢气不含一氧化碳等杂质，只含有少量水分，是一种不需额外加湿的纯净氢气，可直接供给离子交换膜燃料电池电堆作为燃料。使用后的燃料可通过再生进行循环利用，不会对环境造成伤害。

与传统化学氢化物的改质相比(甲烷，甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产氢速度可调，产氢温度范围广，并可在低温状态下产氢。可采用装卸燃料盒的方法，大大延长燃料电池的工作时间。在野外，可以使用海水、河水、溪水、雪水等水源作为硼氢化钠水解产氢的原料，在极端情况下甚至可以使用尿液作为水源。所以硼氢化钠是一种特别适合于野外，在极度恶劣的环境下也能为燃料电池供氢的理想储氢介质。

本发明可实现按需供电模式，供氢系统与燃料电池可分离，尽可能小型化。

本发明涉及的燃料电池系统可适用于小型电站、便携式移动电源、户外休闲、野外作业、机器人、电动自行车、电动轮椅车以及应急电源等。

本发明涉及的燃料电池系统包括以下几个部分：硼氢化钠氢发生系统、直流稳压器、直流交流逆变器、离子交换膜燃料电池电堆、风机以及开关、管道和阀门。由硼氢化钠氢发生系统产生氢气供给离子交换膜燃料电池电堆的阳极、由风机将空气中的氧供给离子交换膜燃料电池电堆的阴极，所需的电力来源于燃料电池电堆。因为电堆的阴极在停机状态总是与空气接触的，一旦氢气进入电堆的阳极，电堆电压就会升高从而达到启动风机所需的额定电压而驱动风机。风机启动后，提供更多的空气进入电堆阴极使得电堆电压进一步升高，从而使燃料电池达到额定电压，完成燃料电池系统的冷启动。

1.硼氢化钠氢发生系统

硼氢化钠氢发生系统由燃料罐、氢发生反应器、过滤器组成。