[发明专利]一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统

说明书

一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统，包括水箱、第一水泵、第二水泵、第一反应罐、第二反应罐、汽水分离器、氢气过滤器、燃料电池电堆和控制器，第一反应罐和第二反应罐内各自设置有氢化镁粉末和温度传感器。本发明的一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统可以精确的控制每个反应罐里面的反应温度和压力，以达到MgH2和水蒸气反应的最佳温度和压力，根据第一反应罐中压力传感器和温度传感器测量的压力值和温度值共同决定是否要开启第二反应罐，从而在大功率输出时，防止大量的制氢反应产生的热量瞬间使液态水汽化，反应失去控制，压力快速上升，导致系统发生爆炸。

技术领域

本发明涉及物理领域，尤其涉及燃料电池，具体而言是一种基于多个氢化镁制氢装置的燃料电池发电系统。

背景技术

氢气可以通过质子膜燃料电池直接转化为电能，能量转化效率高，反应的产物为水，无污染，运行噪音小，安全可靠，特别适合制作成为轻量化、便于移动携带的清洁能源产品。目前常用的氢气高压存储法在实际应用中，因为充氢不方便，安全性等因素限制了其在小型燃料电池系统中的应用。发展安全、高效的现场即时制氢技术，为各种民用、军用便携式电源提供携带方便、安全的氢源是氢能应用的关键环节之一。氢化镁作为一种储氢材料，其脱氢反应有两种：分解反应和水解反应。分解反应可以达到其本身所具有的7.6wt%的储氢量，但是分解反应是吸热反应，需要不断的从外界输入能量。而当氢化镁水解时，所产生的氢气可以占到固态燃料本身重量的15.4wt%。因此氢化镁的储氢密度相对比较高，是非常理想的供氢材料。

氢化镁水解反应的化学方程式：MgH₂+2H₂O→Mg(OH)₂+2H₂。

该反应产生的热量是268kJ/mol。在制氢过程中，随着氢气的产生，大量的热量会被释放出来。在燃料电池发电系统中，制氢装置需要根据功率的需求产生相应的氢气流量。在功率输出较高时，大量的氢气产出伴随着大量的热快速释放出来，反应罐内部的温度就会迅速上升。如果没有配备完善的冷却系统，反应罐内部温度可能达到600℃以上，局部温度甚至可能达到800-1000℃以上，给里面的过滤材料和反应罐本身所使用材料的选择增加了很多压力。如果材料出现热疲劳或是损坏现象，轻则会影响氢气的品质，导致系统失败；重则导致燃料泄露，发生燃料爆炸。

CN106629594A专利提及，只要达到400℃，就会导致MgH₂分解。虽然氢气释放了，但是这样就降低了一定MgH₂燃料情况下所能得到的氢气的总体含量，导致整体系统所能得到的能量降低，使整体系统的效率降低。根据US7951349B2专利推荐，MgH₂在300℃以上的温度可以有效快速地和水蒸气反应，释放出氢气。因此，在一个充满MgH₂的制氢反应罐中，要释放出最大量的氢气，内部最佳的工作温度需控制在300-400℃范围内。

当系统输出的功率发生变化时，所要求产生的氢气就会随时发生变化，产生的热量就会差别很大，而且每个反应罐热量的损失也各不相同。当液态的水被泵入到反应罐内部，系统内部产生的热量把液态水汽化变成水蒸气，可以加速MgH₂的放氢反应，但是同时吸收了部分制氢反应产生的热量。产生的氢气从反应罐内流出时，其温度和反应罐内部一样，带走了一部分水蒸气，也带走了一些热量。即使在反应罐的外壁设置保温材料，也会有一定的热量散发到外面环境中，而且热量的散发和外表面面积成正比关系。就是说当反应罐里面产生的热量一定的情况下，表面积越大，所散发的热量越多。在不同的环境温度下，散发的热量还不一样。在系统运行时，所有这些条件变化和设置给MgH₂制氢反应罐内的温度控制带来了很高的难度。

如果温度控制不好，就可能有液态水在反应罐里面累积，当系统大功率输出的时候，大量的制氢反应产生的热量，会瞬间使液态水汽化，导致反应失去控制，压力快速上升，严重的会使系统发生爆炸。因此要使系统稳定，高效安全输出，反应罐内部温度要保持在300-400℃之间。复杂的散热系统可以控制温度，但是增加了系统的重量，不适合在便携式系统中使用。