CN111498802B - 一种自循环氢气发生系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制氢装置、自循环氢气发生系统及其工作方法，该制氢装置包括反应器，反应器设有进水口和排气口，反应器内设有换热器，换热器内设有换热管，换热管的一端与排气口连通，换热管的另一端连接有气体缓存室，换热器的输出水用于输送至进水口为反应器提供反应用水。本发明利用铝水反应现场制氢，其集成度高、体积小、易于维护且成本低廉，适用于野外作业、应急救援和军事行动等领域。

Description

一种自循环氢气发生系统及其工作方法

技术领域

本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种自循环氢气发生系统及其工作方法。

背景技术

氢是元素周期表中的一号元素，也是已知元素中最小最轻的元素，同时氢也是宇宙中最丰富的元素，宇宙物质的构成元素中氢超过了90％。氢气和氧气燃烧生成水，生成物不仅无污染而且反应过程会释放出巨大的能量，这种能量就是氢能。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，世界各国关于氢能技术的研究与应用正如火如荼地进行着。鉴于氢氧燃料电池技术的迅速发展，现已有部分成功商业化，例如，丰田公司的Mirai和本田公司的Clarity等燃料电池汽车。然而这些产品都存在同样一个问题就是利用笨重的高压瓶储氢，然后为燃料电池供氢。这种供氢方式增加了汽车的自重，减少了燃料电池汽车的续航里程，而且普遍存在体积庞大，制造成本高，能量利用率低的缺陷。鉴于铝合金水解制氢技术是利用化学反应产生氢气，而燃料电池是一种良好的将氢能转化为电能的工具。因此，可以利用铝合金水解制氢系统实时制氢、实时为燃料电池供氢，减少用氢过程中高压瓶储氢环节。

燃料电池在常温状态工作时，内部阴极侧H+和通入的O2反应生成水，水以气态或液态通过对流完成从催化层至扩散层，再到阴极流道的交换排出。当外部温度在0℃以下时，若燃料电池启动时化学反应产生的热量不足以支撑水以气态或液态排出，则会结成冰阻碍反应气体的通过、冻结膜电极，导致电化学反应的中止，还有可能对膜电极造成不可逆转的损伤。低温冷启动是影响燃料电池商业化的主要因素之一，启动的反应热量不足是外部低温冻结膜电极的主因。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种制氢装置，利用铝水反应现场制氢，其集成度高、体积小、易于维护且成本低廉，适用于野外作业、应急救援和军事行动等领域。

本发明所采用的技术方案为：一种制氢装置，包括反应器，反应器设有进水口和排气口，其特征在于，所述反应器内设有换热器，所述换热器内设有换热管，所述换热管的一端与所述排气口连通，换热管的另一端连接有气体缓存室，所述换热器的输出水用于输送至进水口为反应器提供反应用水。

作为优选方式，还包括储水箱，所述储水箱与反应器的进水口连通；所述换热器设有出水口和入水口，所述出水口和入水口均与所述储水箱连通；所述反应器内设有与所述进水口连通的喷射管，所述喷射管上设有喷射孔；所述换热管与气体缓存室之间设有防水透气膜，且换热管连接有第一集水室。

作为优选方式，所述换热器内设有S形的冷却水道，所述换热管安装在所述冷却水道内；所述反应器包括主体和与主体相连的盖板，所述盖板上设有插拔式集线插排。

本发明另一目的在于提供一种自循环氢气发生系统，包括氢气燃烧装置和反应器，所述反应器设有进水口和排气口，所述反应器内设有换热器，所述换热器内设有换热管，所述换热管的一端与所述排气口连通，换热管的另一端连接有气体缓存室，所述气体缓存室与所述氢气燃烧装置连通；还包括储水箱，所述储水箱与反应器的进水口连通，所述换热器设有出水口和入水口，所述出水口和入水口分别通过第一驱动泵和第二驱动泵与所述储水箱连通，所述氢气燃烧装置产生的水用于输送至储水箱。

作为优选方式，所述氢气燃烧装置包括燃料电池，所述燃料电池设有停机吹扫装置，所述停机吹扫装置包括第三驱动泵和气水分离器，所述气水分离器的入口端与燃料电池的阴极排空口连通，所述第三驱动泵的入口端与所述气水分离器的气体出口端连通，第三驱动泵的出口端分别与燃料电池的阳极入口和阴极入口连通。

作为优选方式，所述气水分离器包括壳体，所述壳体内设有气水分离管，所述气水分离管的入口与气水分离器的入口端连通，气水分离管的气体出口与所述气水分离器的气体出口端连通，气水分离管的液体出口连接有第二集水室；所述壳体与气水分离管之间设有冷却气道，所述冷却气道的一端与外界空气连通，另一端与燃料电池的阴极入口连通。

作为优选方式，所述第一驱动泵设有驱动泵入口一、驱动泵入口二、驱动泵入口三和驱动泵出口一，所述驱动泵入口一与外部水源连通，所述驱动泵入口二与换热器的出水口连通，所述驱动泵入口三与第二集水室连通，所述驱动泵出口一与储水箱连通；所述换热管与气体缓存室之间设有防水透气膜，且换热管连接有第一集水室；所述气水分离管为螺旋管，冷却气道呈S形，且第二集水室与第一集水室连通。

作为优选方式，所述换热管与所述排气口之间设有第一控制阀，所述第一控制阀设有阀门入口一、阀门出口一和阀门出口二，所述阀门入口一与所述排气口连通，所述阀门出口一与所述换热管连通，所述阀门出口二与气水分离器的入口端和燃料电池的阳极入口连通；所述燃料电池连接有储电装置，所述储电装置包括蓄电池，所述蓄电池与燃料电池之间设有正负极对调电路。

作为优选方式，还包括控制单元、第一压力传感器、第二压力传感器、液位计和第二控制阀，所述控制单元分别与第一压力传感器、第二压力传感器、液位计和第二控制阀连接，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别用于检测反应器和气体缓存室的内部压力，所述液位计用于检测储水箱的液位高度，所述第二控制阀用于控制燃料电池的阳极入口的氢气进入。

本发明另一目的在于提供一种自循环氢气发生系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测燃料电池的电堆温度是否低于正常工作温度，如果是，则采用低温模式启动自循环氢气发生系统；如果否，则采用正常模式启动自循环氢气发生系统；

检测燃料电池的电堆温度是否低于正常工作温度，如果是，则采用低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢；如果否，则采用正常模式启动并为燃料电池供氢；

正常模式启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱内的水输送至反应器中与铝原料反应生成高温高湿氢气，通过排气口将高温高湿氢气输送至换热管中降温除湿后获得低温干燥氢气并储存在气体缓存室，然后将气体缓存室的低温干燥氢气输送至燃料电池中启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器的作用后输送至第二集水室，第二集水室的水通过储水箱循环回收后进入反应器中参与制氢反应；

低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱内的水输送至反应器中与铝原料反应生成高温高湿氢气，打开第一控制阀使阀门入口一与阀门出口二连通，通过排气口将高温高湿氢气输送至气水分离器；高温高湿氢气在气水分离管中与冷却气道中的冷空气进行热交换，气水分离器输出的热氢气在第三驱动泵的抽吸下从燃料电池的阳极入口输入，冷却气道输出的热空气从燃料电池的阴极入口输入，为燃料电池阳极和阴极同时加热，提高燃料电池的电堆温度；通过正负极对调电路使蓄电池对燃料电池的两端加载反向直流电，反向直流电的电流密度小于燃料电池额定电流密度，氢气与空气发生反应放热，燃料电池的电堆温度迅速升温，达到燃料电池正常启动的运行温度即可启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器的作用后输送至第二集水室，第二集水室的水通过储水箱循环回收后进入反应器中参与制氢反应。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种制氢装置，所述反应器内设有换热器，所述换热器内设有换热管，所述换热管的一端与所述排气口连通，换热管的另一端连接有气体缓存室，所述换热器的输出水用于输送至进水口为反应器提供反应用水，由于制氢反应为放热反应，换热器设置在反应器内，换热器可以直接吸收反应器内的热量，使换热器输出热水并为反应器提供反应用水，有利于制氢反应的进行，减少加热反应用水的能源消耗。本发明利用铝水反应现场制氢，其集成度高、体积小、易于维护且成本低廉，适用于野外作业、应急救援和军事行动等领域。

2、本发明提供了一种自循环氢气发生系统及其工作方法，氢气由反应器生成，经燃料电池发电后生成的产物水可以经循环回收后再次参与制氢反应，从而减少了制氢技术的原料水需求量，缩小了自循环氢气发生系统的体积和重量，极大的提高了自循环氢气发生系统的便携性与实用性。

附图说明

图1是本发明提供的一种自循环氢气发生系统在正常模式启动自循环氢气发生系统的状态图；

图2是本发明提供的一种自循环氢气发生系统在低温模式辅助燃料电池启动的状态图；

图中：1-反应器；2-进水口；3-排气口；4-换热器；5-换热管；6-气体缓存室；7-储水箱；8-出水口；9-入水口；10-喷射管；11-防水透气膜；12-第一集水室；13-冷却水道；18-第一驱动泵；19-第二驱动泵；20-第三驱动泵；21-气水分离器；22-第二集水室；23-第一控制阀；24-蓄电池；25-正负极对调电路；26-控制单元；27-第一压力传感器；28-第二压力传感器；29-液位计；30-第二控制阀；31-第三控制阀；32-第四控制阀；33-第五控制阀；34-第六控制阀；35-第七控制阀；36-第八控制阀；37-第九控制阀；38-第十控制阀；39-第十一控制阀；40-第十二控制阀；41-第十三控制阀；42-冷却气道；43-气水分离管；44-第一导流管；45-第二导流管；46-第一液位开关；47-第二液位开关。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种制氢装置，其利用铝水反应现场制氢。该制氢装置包括反应器1，反应器1设有进水口2和排气口3，水源通过进水口2进入反应器1内发生反应产生氢气，排气口3设置在反应器1顶部，反应器1产生的氢气通过排气口3排出。

所述反应器1内设有换热器4，所述换热器4内设有换热管5，所述换热管5的一端与所述排气口3连通，换热管5的另一端连接有气体缓存室6，气体缓存室6可以设置在反应器1外部或者内部，其设置在反应器1内部时，气体缓存室6的外壁设置隔热涂层，用于阻隔气体缓存室6与反应器1之间的热交换。

所述换热器4的输出水用于输送至进水口2为反应器1提供反应用水，由于制氢反应为放热反应，换热器4设置在反应器1内，换热器4可以直接吸收反应器1内的热量，使换热器4输出热水并为反应器1提供反应用水，有利于制氢反应的进行，减少加热反应用水的能源消耗。

在本实施方式中，所述制氢装置还包括储水箱7，所述储水箱7与反应器1的进水口2连通；所述换热器4设有出水口8，所述出水口8通过第一驱动泵18与所述储水箱7连通，具体地，所述第一驱动泵18为水气两用泵。换热器4输出的热水暂存在储水箱7中，然后通过反应器1的进水口2输送至反应器1中。所述第一驱动泵18设有驱动泵入口一、驱动泵入口二、驱动泵入口三、驱动泵入口五和驱动泵出口一，所述驱动泵入口一与外部水源连通，用于向储水箱7提供水源，外部水源具有水源管，水源管上具有过滤网和第十二控制阀40；所述驱动泵入口二与换热器4的出水口8连通，用于将换热器4输出的热水输送至储水箱7中。驱动泵入口五与反应器1的排气口3连通，且驱动泵入口五与排气口3之间连接第十一控制阀39。储水箱7顶部设有排空口，排空口连接有第八控制阀36，用于实现储水箱7的排空处理。

具体地，所述换热器4设有入水口9，所述入水口9通过第二驱动泵19与所述储水箱7连通，具体地，所述第二驱动泵19为水泵。所述第二驱动泵19设有驱动泵入口四、驱动泵出口二和驱动泵出口三，所述驱动泵入口四与储水箱7的出口端连接，且驱动泵入口四与储水箱7的出口端之间连接第十三控制阀41，所述驱动泵出口二与换热器4的入水口9连接，所述驱动泵出口三与反应器1的进水口2连接，且驱动泵出口三与反应器1的进水口2之间连接第九控制阀37。

排空时启动第一驱动泵18，打开第十一控制阀39和第十二控制阀40，水管道、反应器1和换热器4内的空气在第一驱动泵18的抽吸作用下进入储水箱7内，打开第八控制阀36进入排空程序，同时驱动泵入口一输入的外部水源进入储水箱7内，随着储水箱7内水位上升至预定上限水位(即水加满)，储水箱7内的空气在水的压力下经第八控制阀36排空。关闭第八控制阀36和第十二控制阀40，打开第十三控制阀41，储水箱7内的水经入水口9进入换热器4，储水箱7内水位下降至预定下限水位，打开第十二控制阀40继续向储水箱7内输入水，直至再次达到预定上限水位，关停第一驱动泵18并关闭第十二控制阀40，完成该制氢装置的排空与加水。

在本实施方式中，所述反应器1内设有与所述进水口2连通的喷射管10，所述喷射管10上设有若干喷射孔。从进水口2输送过来的反应用水经喷射管10上的喷射孔均匀地喷洒在铝原料上，与反应器1内的铝原料发生反应生成氢气。水与铝原料发生的反应为放热反应，生成的热氢气中含有水蒸气。

在本实施方式中，所述换热管5与气体缓存室6之间设有防水透气膜11，且换热管5的底部连接有第一集水室12。防水透气膜11只允许气体通过，水分无法通过。排气口3输出的气体中含有水蒸汽，气体在换热管5发生换热冷却，水蒸汽冷却后形成液态水储存在第一集水室12，冷却的氢气穿过防水透气膜11后储存在气体缓存室6。

在本实施方式中，所述换热器4内设有S形的冷却水道13，所述换热管5为螺旋形，换热管5安装在所述冷却水道13内，其能够大大增加气体的冷却时间，将水蒸气冷却为液态水并储存在第一集水室12。优选地，换热管5的气体流动方向与冷却水道13的液体流动方向相反。

在本实施方式中，所述反应器1包括主体和与主体相连的盖板，主体与盖板可拆卸连接，如通过螺栓或者锁扣连接，主体与盖板之间具有密封橡胶圈，所述盖板上设有插拔式集线插排。当需要更换反应用铝原料时，拔出插拔式集线插排，卸下盖板，清理出主体内的反应后产物(成份为氧化铝及催化剂)，重新装料，再盖上盖板，插上插拔式集线插排即可。插拔式集线插排上设置有快速气液管接头，快速气液管接头包括进水接头和出气接头。

实施例2

如图1和图2所示，本实施例提供了一种自循环氢气发生系统，包括氢气燃烧装置和反应器1，所述反应器1设有进水口2和排气口3，所述反应器1内设有换热器4，所述换热器4内设有换热管5，所述换热管5的一端与所述排气口3连通，换热管5的另一端连接有气体缓存室6，所述气体缓存室6与所述氢气燃烧装置连通，气体缓存室6的氢气供氢气燃烧装置使用；还包括储水箱7，所述储水箱7与反应器1的进水口2连通，所述换热器4设有出水口8和入水口9，所述出水口8和入水口9分别通过第一驱动泵18和第二驱动泵19与所述储水箱7连通，所述氢气燃烧装置产生的水用于输送至储水箱7，实现水循环利用。具体地，所述第一驱动泵18为水气两用泵，所述第二驱动泵19为水泵。

在本实施方式中，所述自循环氢气发生系统的反应器1内设有与所述进水口2连通的喷射管10，所述喷射管10上设有喷射孔。所述换热器4内设有S形的冷却水道13，所述换热管5为螺旋形，换热管5安装在所述冷却水道13内，且换热管5的气体流动方向与冷却水道13的液体流动方向相反。所述反应器1包括主体和与主体相连的盖板，所述盖板上设有插拔式集线插排。

在本实施方式中，所述氢气燃烧装置包括燃料电池，所述燃料电池设有停机吹扫装置，所述停机吹扫装置包括第三驱动泵20和气水分离器21，所述气水分离器21的入口端与燃料电池的阴极排空口连通，所述第三驱动泵20的入口端与所述气水分离器21的气体出口端连通，第三驱动泵20的出口端分别与燃料电池的阳极入口和阴极入口连通。具体地，所述第三驱动泵20为气泵。气水分离器21的入口端与燃料电池的阴极排空口之间连接第三控制阀31，用于控制阴极排空口的气液输出。

燃料电池的阳极入口连接有第二控制阀30，用于控制氢气的输入。燃料电池的阴极入口连接有第四控制阀32，用于控制空气的输入。第三驱动泵20的出口端连接有第五控制阀33，第五控制阀33为二位四通电磁阀，二位四通电磁阀的输入端与第三驱动泵20的出口端连接，二位四通电磁阀的一个输出端为排空口，另外两个输出端分别与第四控制阀32和第二控制阀30连接。

在本实施方式中，所述气水分离器21包括壳体，所述壳体内设有气水分离管43，气水分离管43内部具有防水透气膜，用于实现气水分离。所述气水分离管43的入口与气水分离器21的入口端连通，气水分离管43的气体出口与所述气水分离器21的气体出口端连通，气水分离管43的液体出口连接有第二集水室22；所述壳体与气水分离管43之间设有冷却气道42，所述冷却气道42的一端与外界空气连通，另一端与燃料电池的阴极入口连通。所述气水分离管43为螺旋管，冷却气道42呈S形，气水分离管43安装在所述冷却气道42。通过气水分离管43对外界的冷空气加热并输送至燃料电池的阴极入口，能够给燃料电池的电堆升温。

在本实施方式中，所述第一驱动泵18设有驱动泵入口一、驱动泵入口二、驱动泵入口三和驱动泵出口一，所述驱动泵入口一与外部水源连通，用于向储水箱7提供水源，外部水源具有水源管，水源管上具有过滤网和第十二控制阀40；所述驱动泵入口二与换热器4的出水口8连通，用于将换热器4输出的热水输送至储水箱7中。所述驱动泵入口三与第二集水室22连通，所述驱动泵出口一与储水箱7连通。驱动泵入口三与第二集水室22之间连接第六控制阀34，在燃料电池内部发生反应生成水后，水通过气水分离器21的分离作用后从液体出口端排出，由第一驱动泵18输送至储水箱7中，实现水的循环利用。其中，驱动泵入口三与第六控制阀34之间设置第七控制阀35，第七控制阀35为单向阀，防止水倒流入燃料电池。

在本实施方式中，所述第二驱动泵19设有驱动泵入口四、驱动泵出口二和驱动泵出口三，所述驱动泵入口四与储水箱7的出口端连接，所述驱动泵出口二与换热器4的入水口9连接，所述驱动泵出口三与反应器1的进水口2连接。其中，驱动泵出口三与反应器1的进水口2连通的管道上设置第九控制阀37，用于控制反应器1单位时间内输入水量，从而控制反应器1单位时间内的制氢量。

在本实施方式中，所述换热管5与气体缓存室6之间设有防水透气膜11，且换热管5设有第一集水室12，换热管5与第一集水室12之间通过第一导流管44连接；气水分离管43与第二集水室22之间通过第二导流管45连接，所述第二集水室22与所述第一集水室12连通，第二集水室22与第一集水室12之间连接第十控制阀38。由于换热管5的气压大于气水分离管43的气压(气水分离管43气压接近真空)，第一集水室12的水在气压作用下进入第二集水室22，再通过第一驱动泵18的作用统一汇入储水箱7中实现循环水的循环利用。

在本实施方式中，所述第一集水室12和所述第二集水室22分别设置第一液位开关46和第二液位开关47，所述第一液位开关46和第二液位开关47分别依据液位高度控制第十控制阀38和第六控制阀34的开闭，从而控制第一集水室12和所述第二集水室22的存水与放水。

燃料电池工作时，燃料电池阴极排空口排出的空气和水经气水分离器21将空气和水分离，分离后的水汇集在第二集水室22。固定周期打开第六控制阀34，每个周期1秒到60秒，周期内排空时长0.5秒到3秒。第二集水室22的水在第一驱动泵18的抽吸作用下汇入循环水循环利用，分离后的空气由第三驱动泵20抽吸至第五控制阀33的排空口排空。固定周期打开第十控制阀38，由于换热管5的气压大于气水分离管43的气压(气水分离管43气压接近真空)，第一集水室12的水在气压作用下进入第二集水室22，再通过第一驱动泵18的作用统一汇入储水箱7中实现循环水的循环利用。

燃料电池停机时需进行吹扫排出燃料电池内部流道和电极内的水，关闭第二控制阀30和第四控制阀32停止向燃料电池的阳极入口和阴极入口输入氢气和空气，从燃料电池的阴极排空口排出的阴极尾气经气水分离器21分离出水并在第三驱动泵20的作用下重新输入燃料电池的阴极入口循环吹扫。利用阴极尾气多次循环吹扫，可将燃料电池电堆内残留的水排出，保证停堆后低温条件下电堆内部不会由于残留有水而结冰导致电堆的损伤，有利于燃料电池冷启动；同时阴极尾气中的氧气与阳极残留的氢气在多次循环吹扫的过程中逐渐反应掉，避免燃料电池富氧导致高开路电压而造成的腐蚀。

在本实施方式中，所述换热管5与所述排气口3之间设有第一控制阀23，所述第一控制阀23设有阀门入口一、阀门出口一和阀门出口二，所述阀门入口一与所述排气口3连通，所述阀门出口一与所述换热管5连通，所述阀门出口二气水分离器21的入口端和燃料电池的阳极入口连通。第一控制阀23用于控制氢气的输出，氢气可以通过换热器4的冷却后储存在气体缓冲区中，然后通过第二控制阀30进入燃料电池的阳极入口，实现氢气的输入。氢气也可以通过气水分离器21与冷空气进行热交换并分离出水后，由第三驱动泵20抽吸进入燃料电池的阳极入口，实现氢气的输入，该方式利用铝水反应产生的高温氢气对冷空气进行加热，热氢气和加热后的空气分别输入燃料电池阳极和阴极并对燃料电池阳极和阴极同时加热，可实现对电堆的迅速加热。

在本实施方式中，所述燃料电池连接有储电装置，所述储电装置包括蓄电池24，所述蓄电池24与燃料电池之间设有正负极对调电路25。所述正负极对调电路25当所述蓄电池24正负极分别与燃料电池阴极、阳极连接时，所述燃料电池工作时可为所述蓄电池24充电，当所述蓄电池24正负极分别与燃料电池阳极、阴极连接时，可为燃料电池两端加载反向直流电。

所述自循环氢气发生系统具有冷启动辅助模式功能，通过第一控制阀23控制冷启动辅助，能够在燃料电池冷启动时快速对电堆加热，迅速达到燃料电池能正常启动的运行温度，辅助燃料电池成功启动。当燃料电池冷启动时，启动第二驱动泵19开启循环水(水循环既可因水的流动防止结冰又可由铝水反应放热对循环水加热)同时打开第十三控制阀41和第九控制阀37，通过第二驱动泵19加压的反应用水经第九控制阀37从进水口2进入反应器1内，与反应器1内的铝原料发生反应生成氢气，水与铝原料发生的反应为放热反应，生成含有水蒸气的高温氢气。第一控制阀23控制阀门入口一与阀门出口二连通使排气口3与气水分离器21之间形成通路，反应器1内生成的高温氢气通过排气口3经第三控制阀31进入气水分离器21内，高温氢气分离出水并与冷空气进行热交换，在第三驱动泵20的抽吸下经第五控制阀33和第二控制阀30输入燃料电池阳极区，同时，加热后的空气输入燃料电池阴极区，对燃料电池阳极和阴极同时进行加热，快速提升电堆内部温度。

燃料电池冷启动时，所述蓄电池24正负极分别与燃料电池阳极、阴极连接，即为燃料电池两端加载反向直流电，加速燃料电池电堆升温，快速达到燃料电池能正常启动的运行温度，从而使燃料电池成功启动。优选的，所述燃料电池两端加载反向直流电的电流密度不超过燃料电池额定电流密度。

在本实施方式中，还包括控制单元26、第一压力传感器27、第二压力传感器28和液位计29，所述控制单元26分别与第一压力传感器27、第二压力传感器28和液位计29连接，所述第一压力传感器27和第二压力传感器28分别用于检测反应器1和气体缓存室6的内部压力，所述液位计29用于检测储水箱7的液位高度。其中，第一控制阀23、第二控制阀30、第三控制阀31、第四控制阀32、第五控制阀33、第六控制阀34、第七控制阀35、第八控制阀36、第九控制阀37、第十控制阀38、第十一控制阀39、第十二控制阀40和第十三控制阀41均为电磁阀，控制单元26分别与第一控制阀23、第二控制阀30、第三控制阀31、第四控制阀32、第五控制阀33、第六控制阀34、第七控制阀35、第八控制阀36、第九控制阀37、第十控制阀38、第十一控制阀39、第十二控制阀40和第十三控制阀41电连接，控制单元26控制各个电磁阀的开关。具体的，控制单元26为单片机、DSP或PLC中的一种或几种结合。

控制单元26与燃料电池的电池管理系统(BMS)连接，实时获取燃料电池运行数据(输出功率、单电池电压、压力、温度等)，根据燃料电池的输出功率，控制单元26控制第二控制阀30的开合度，从而控制燃料电池单位时间内接收到的氢气量。根据第二压力传感器28检测气体缓存室6气压，动态调节第九控制阀37开合度，保证自循环氢气发生系统供氢的稳定性。

控制单元26与燃料电池的BMS输出端连接，燃料电池的BMS输入端与燃料电池电堆内置的温度传感器连接，燃料电池的BMS采集温度传感器测得的电堆温度并传送至控制单元26。当燃料电池启动时如电堆内温度低于特定温度，自动启动燃料电池冷启动辅助模式对电堆加热。当电堆内温度达到燃料电池能正常启动的运行温度时，控制正负极对调电路25使蓄电池24正负极分别与燃料电池阴极和阳极连接，同时，第一控制阀23控制阀门入口一与阀门出口一连通使排气口3与换热管5之间形成通路，自循环氢气发生系统转入正常工作模式为燃料电池供应冷却的氢气，燃料电池进入正常运行状态，成功启动。在运行状态下氢氧反应产生的热量继续为电堆加热，直至达到最佳性能。

本发明提供了一种自循环氢气发生系统，氢气由反应器1生成，经燃料电池发电后生成的产物水可以经循环回收后再次参与制氢反应，从而减少了制氢技术的原料水需求量，缩小了自循环氢气发生系统的体积和重量，极大的提高了自循环氢气发生系统的便携性与实用性。

本实施例还提供了一种自循环氢气发生系统的工作方法，包括以下步骤：

对储水箱7、反应器1、换热管5和气体缓存室6进行排空，并对储水箱7进行加水，液位计29实时监测储水箱7的液位高度；

反应器1内预置有预先处理的含铝和催化剂的反应用铝原料，储水箱7预先加水，由第一驱动泵18将外部水源输送至储水箱7，第十二控制阀40控制水的输入/停止。启动第一驱动泵18时，打开第十一控制阀39，水管道、反应器1和换热管5内的空气在第一驱动泵18的抽吸作用下进入储水箱7内，打开第八控制阀36进入排空程序，同时外部水源输入的水同样进入储水箱7内，随着储水箱7内水位上升至预定上限水位(即水加满)，储水箱7内的空气在水的压力下经第八控制阀36排空。关闭第八控制阀36和第十二控制阀40，打开第十三控制阀41，储水箱7内的水进入换热器4，储水箱7内水位下降至预定下限水位，打开第十二控制阀40继续向储水箱7内输入水，直至再次达到预定上限水位，关停第一驱动泵18并关闭第十二控制阀40，完成自循环氢气发生系统排空与加水。

检测燃料电池的电堆温度是否低于正常工作温度，如果是，则采用低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢；如果否，则采用正常模式启动并为燃料电池供氢；

正常模式启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱7内的水输送至反应器1中与铝原料反应生成高温高湿氢气，通过排气口3将高温高湿氢气输送至换热管5中降温除湿后获得低温干燥氢气并储存在气体缓存室6，然后将气体缓存室6的低温干燥氢气输送至燃料电池中启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器21的作用后输送至第二集水室22，第二集水室22的水通过储水箱7循环回收后进入反应器1中参与制氢反应；

低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱7内的水输送至反应器1中与铝原料反应生成高温高湿氢气，打开第一控制阀23使阀门入口一与阀门出口二连通，通过排气口3将高温高湿氢气输送至气水分离器21；高温高湿氢气在气水分离管43中与冷却气道42中的冷空气进行热交换，气水分离器21输出的热氢气在第三驱动泵20的抽吸下从燃料电池的阳极入口输入；冷却气道42输出的热空气从燃料电池的阴极入口输入，为燃料电池阳极和阴极同时加热，提高燃料电池的电堆温度；通过正负极对调电路25使蓄电池24对燃料电池的两端加载反向直流电，反向直流电的电流密度小于燃料电池额定电流密度，氢气与空气发生反应放热，燃料电池的电堆温度迅速升温，达到燃料电池正常启动的运行温度即可启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器21的作用后输送至第二集水室22，第二集水室22的水通过储水箱7循环回收后进入反应器1中参与制氢反应。

本发明利用制氢反应产生的高温氢气为燃料电池阴极进气(空气)加热，热氢气和加热后的空气对燃料电池阳极和阴极同时加热，快速提高燃料电池内部温度，同时对燃料电池的两端加载反向直流电，加速燃料电池冷启动过程，有效解决了燃料电池低温环境下无法启动的难题。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (6)

1.一种自循环氢气发生系统，其特征在于，包括氢气燃烧装置和反应器（1），所述反应器（1）设有进水口（2）和排气口（3），所述反应器（1）内设有换热器（4），所述换热器（4）内设有换热管（5），所述换热管（5）的一端与所述排气口（3）连通，换热管（5）的另一端连接有气体缓存室（6），所述气体缓存室（6）与所述氢气燃烧装置连通；还包括储水箱（7），所述储水箱（7）与反应器（1）的进水口（2）连通，所述换热器（4）设有出水口（8）和入水口（9），所述出水口（8）和入水口（9）分别通过第一驱动泵（18）和第二驱动泵（19）与所述储水箱（7）连通，所述氢气燃烧装置产生的水用于输送至储水箱（7）；

所述氢气燃烧装置包括燃料电池，所述燃料电池设有停机吹扫装置，所述停机吹扫装置包括第三驱动泵（20）和气水分离器（21），所述气水分离器（21）的入口端与燃料电池的阴极排空口连通，所述第三驱动泵（20）的入口端与所述气水分离器（21）的气体出口端连通，第三驱动泵（20）的出口端分别与燃料电池的阳极入口和阴极入口连通；

所述第一驱动泵（18）为水气两用泵，所述第二驱动泵（19）为水泵。

2.根据权利要求1所述的自循环氢气发生系统，其特征在于，所述气水分离器（21）包括壳体，所述壳体内设有气水分离管（43），所述气水分离管（43）的入口与气水分离器（21）的入口端连通，气水分离管（43）的气体出口与所述气水分离器（21）的气体出口端连通，气水分离管（43）的液体出口连接有第二集水室（22）；所述壳体与气水分离管（43）之间设有冷却气道（42），所述冷却气道（42）的一端与外界空气连通，另一端与燃料电池的阴极入口连通。

3.根据权利要求2所述的自循环氢气发生系统，其特征在于，所述第一驱动泵（18）设有驱动泵入口一、驱动泵入口二、驱动泵入口三和驱动泵出口一，所述驱动泵入口一与外部水源连通，所述驱动泵入口二与换热器（4）的出水口（8）连通，所述驱动泵入口三与第二集水室（22）连通，所述驱动泵出口一与储水箱（7）连通；所述换热管（5）与气体缓存室（6）之间设有防水透气膜（11），且换热管（5）连接有第一集水室（12）；所述气水分离管（43）为螺旋管，冷却气道（42）呈S形，且第二集水室（22）与第一集水室（12）连通。

4.根据权利要求3所述的自循环氢气发生系统，其特征在于，所述换热管（5）与所述排气口（3）之间设有第一控制阀（23），所述第一控制阀（23）设有阀门入口一、阀门出口一和阀门出口二，所述阀门入口一与所述排气口（3）连通，所述阀门出口一与所述换热管（5）连通，所述阀门出口二与气水分离器（21）的入口端和燃料电池的阳极入口连通；所述燃料电池连接有储电装置，所述储电装置包括蓄电池（24），所述蓄电池（24）与燃料电池之间设有正负极对调电路（25）。

5.根据权利要求4所述的自循环氢气发生系统，其特征在于，还包括控制单元（26）、第一压力传感器（27）、第二压力传感器（28）、液位计（29）和第二控制阀（30），所述控制单元（26）分别与第一压力传感器（27）、第二压力传感器（28）、液位计（29）和第二控制阀（30）连接，所述第一压力传感器（27）和第二压力传感器（28）分别用于检测反应器（1）和气体缓存室（6）的内部压力，所述液位计（29）用于检测储水箱（7）的液位高度，所述第二控制阀（30）用于控制燃料电池的阳极入口的氢气进入。

6.一种如权利要求5所述的自循环氢气发生系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测燃料电池的电堆温度是否低于正常工作温度，如果是，则采用低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢；如果否，则采用正常模式启动并为燃料电池供氢；

正常模式启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱（7）内的水输送至反应器（1）中与铝原料反应生成高温高湿氢气，通过排气口（3）将高温高湿氢气输送至换热管（5）中降温除湿后获得低温干燥氢气并储存在气体缓存室（6），然后将气体缓存室（6）的低温干燥氢气输送至燃料电池中启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器（21）的作用后输送至第二集水室（22），第二集水室（22）的水通过储水箱（7）循环回收后进入反应器（1）中参与制氢反应；

低温模式辅助燃料电池启动并为燃料电池供氢包括：

将储水箱（7）内的水输送至反应器（1）中与铝原料反应生成高温高湿氢气，打开第一控制阀（23）使阀门入口一与阀门出口二连通，通过排气口（3）将高温高湿氢气输送至气水分离器（21）；高温高湿氢气在气水分离管（43）中与冷却气道（42）中的冷空气进行热交换，气水分离器（21）输出的热氢气在第三驱动泵（20）的抽吸下从燃料电池的阳极入口输入，冷却气道（42）输出的热空气从燃料电池的阴极入口输入，为燃料电池阳极和阴极同时加热，提高燃料电池的电堆温度；通过正负极对调电路（25）使蓄电池（24）对燃料电池的两端加载反向直流电，反向直流电的电流密度小于燃料电池额定电流密度，氢气与空气发生反应放热，燃料电池的电堆温度迅速升温，达到燃料电池正常启动的运行温度即可启动燃料电池；燃料电池产生的水通过气水分离器（21）的作用后输送至第二集水室（22），第二集水室（22）的水通过储水箱（7）循环回收后进入反应器（1）中参与制氢反应。