[發明專利]一種用于通信基站的制氫?儲氫燃料電池備用電源系統

在審

• 申請號: 201611225168.8
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106787139A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 盧淼
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: H02J9/06
• 分類號: H02J9/06;H01M8/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 朱琨

技術領域

本發明屬于燃料電池技術及電化學領域，尤其涉及一種用于通信基站的制氫-儲氫燃料電池備用電源系統。

背景技術

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，其主要優點在于清潔和高效，氫氣的燃燒熱值高，燃燒的產物是水，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、運輸及使用。燃料電池電源是廣泛應用于通信領域的應急備用電源，也可作為電網不方便地區的獨立電源。燃料電池將燃料的電化學能轉化為電能，其效率遠遠高于內燃機效率。用氫能作為燃料電池的燃料無疑是最佳選擇。然而氫的存儲與輸送是氫能利用中的重要環節，如何做到安全、高效和無泄漏是必須要考慮的問題。目前，合金儲氫技術可以實現在常溫環境下充放氫氣，儲氫密度極大，接近液態儲氫，并且吸氫壓力也僅為一般氣態儲氫氣瓶所需壓力的五分之一，適合與各種制氫設備連接。然而合金儲氫技術的儲氫密度巨大，由此導致此類儲氫系統在放氫過程中需要大量吸熱，短時間過快放氫會導致儲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設計中，通常以氣態儲氫氣瓶為供氫單元，沒有在不同功率、壓力及儲氫量變化的條件下，有效管理氫氣輸入的流量和廢熱循環效率的設計，導致合金儲氫罐有效的氫氣利用效率無法達到最優，浪費了大量氫氣儲量。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成本高，使用壽命短，不能長時間連續供電，對環境污染嚴重，過冷過熱、過充過放、快充快放都會導致儲量大幅下降，為了讓鉛酸電池長時間連續供電，還需增加數倍儲量的電池系統，占用更大的空間，同時電池系統冷藏處理也耗費大量電能。新興的鋰離子電池雖然避免了鉛酸電池的缺點，但其本身易燃易爆，安全性較差。而另一類穩定的鎳氫電池則價格高昂，過充過放損害較大，不利于長期待機儲能。燃料電池電源系統可以避免電池類備用電源的缺點，其效率高、易維護，在應急和防災方面有很大的優勢，易于智能化管理，對突然停電和突發性災害有很好的預見性；使用壽命可達數千小時，長期待機不損害使用壽命，是通訊基站備用電源系統的最佳選擇。目前雖然已有許多針對燃料電池作為備用電源系統的研究，但尚無專門針對通訊基站情況和需求的使用電解水制氫的一體化設計。

發明內容

針對上述問題，本發明提出一種用于通信基站的制氫-儲氫燃料電池備用電源系統，包括：電解水制氫單元、合金儲氫單元、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膜水電解裝置；合金儲氫單元包括合金儲氫罐、換熱葉片和熱交換腔室；燃料電池單元包括風冷式質子交換膜燃料電池電堆、電磁閥、傳感器、內部控制電路、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、人機交互界面和遠程操控模塊、驅動電路、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、巡檢單元和負載電路；所述電解水制氫單元、合金儲氫單元、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驅動電路與燃料電池單元相連。

所述巡檢單元包括信號整理電路和A/D采樣模塊。

所述人機交互界面包括LCD顯示屏、聲光告警裝置、開關按鈕和通信模塊；LCD顯示屏用于顯示電解水制氫單元、儲氫單元、燃料電池單元、輸出單元和模擬量采集單元相應的數據和狀態，聲光告警裝置用于在系統不安全時發出告警信號，開關按鈕用于打開或關閉系統，通訊模塊用于數據的傳輸。

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；電流傳感器負責采集相關電流數據并傳輸至內部控制電路，電壓傳感器負責采集相關電壓數據并傳輸至內部控制電路。

所述模擬量采集單元包括信號整理電路、微控制器、A/D采樣模塊；所述模擬量采集單元用來采集燃料電池電堆溫度、電壓、電流、電解水系統氫氣純度、壓力、環境溫度、氫氣濃度等數據，并通過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備電解水反應或者高分子電解質膜水電解制備氫氣，所述堿性電解槽制氫設備包括電解槽、氫側系統、氧側系統、補給水系統、純水設備、堿液系統，工作溫度70-80℃，電解液使用KOH溶液；電解后的氫氣經過吸附純化后露點降低至-70℃，微氧含量低于5ppm，通過電化學增壓達到2.5-8MPa后儲存在合金儲氫罐中備用。