具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜
1.本發明涉及數據中心領域，特別涉及一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜。
背景技術：
2.隨著5g時代的到來，通訊數據量迅速增長，與此同時服務器的性能、功耗與布置規模也一同伴隨增長，邊緣數據中心的部署進程也隨著5g、物聯網等應用場景而快速推進。大量邊緣數據中心帶來了嚴重的能耗，同時分散和靈活的部署也為服務器供電帶來了一定的難題。特別對于一些科學考察與軍事應用場景，邊緣計算機柜需要被部署在極端惡劣的場景，戶外通常沒有穩定持續的大功率電源，與此同時在揚塵環境中服務器的散熱系統也面臨巨大考驗。
3.氫能作為相對成熟的新能源技術，現階段已有相關研究將氫能與數據中心供電系統結合，然而目前的技術大多包含氫氣儲存環節，直接儲氫存在能量密度低、體積龐大、儲存運輸危險等問題，這對邊緣數據中心的可靠性設計帶來了較大的挑戰。
4.因此研究適用于復雜戶外環境的高可靠服務器機柜級現場制氫燃料電池電源系統是未來數據中心發展的一個重要方向。
技術實現要素：
5.為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜，適用于復雜戶外環境。
6.本發明的目的通過以下技術方案實現：
7.一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜，包括：現場制氫燃料電池模塊、液冷服務器、冷媒分配模塊、pdu及鋰電池模塊，其中，液冷服務器、鋰電池模塊、冷媒分配模塊及pdu設置在柜體內，所述現場制氫燃料電池模塊設置在柜體的外部；
8.所述pdu分別與液冷服務器、現場制氫燃料電池模塊及鋰電池模塊電性連接，所述鋰電池模塊與現場制氫燃料電池模塊連接，構成供電回路；
9.所述現場制氫燃料電池模塊與冷媒分配模塊連接，所述冷媒分配模塊與液冷服務器連接，構成冷卻回路。
10.進一步，所述現場制氫燃料電池模塊包括燃料箱、重整反應單元、換熱單元、燃料電池單元、控制單元及壓縮機，所述燃料箱向重整反應單元輸入液態醇及空氣，所述重整反應單元產生合成氣輸入換熱單元，所述燃料電池單元利用含有氫氣的合成氣與燃料箱提供的空氣反應產生直流電，供液冷機柜使用；
11.所述冷媒分配模塊經過壓縮機與重整反應單元的冷媒入口連接，所述重整反應單元的冷媒出口經過節流閥與換熱單元連接，所述換熱單元與冷媒分配模塊連接，構成冷卻回路；
12.所述控制單元分別與燃料電池單元、鋰電池模塊及液冷服務器電性連接。
13.進一步，所述重整反應單元包括至少一組反應單元，每組反應單元包括依次疊放的預熱板、蒸發板、燃燒板、重整反應板及一氧化碳清除板。
14.進一步，所述蒸發板、燃燒板、重整反應板及一氧化碳清除板上均加工反應腔體，所述反應腔體內放置泡沫金屬或加工微通道陣列，其上覆涂反應催化劑，所述預熱板上加工換熱腔體，所述換熱腔體內加工微通道陣列。
15.進一步，所述冷媒分配模塊的分配接口對數與液冷服務器的數量相同，且通過n對冷卻軟管與液冷服務器連接。
16.進一步，所述燃料電池單元采用質子交換膜燃料電池。
17.進一步，還包括燃料電池單元未完全反應的氫氣輸入換熱模塊進行冷卻后，輸入重整反應單元。
18.進一步，在重整反應單元內，包括重整反應線路及燃燒反應線路；
19.所述重整反應線路，具體為：
20.液態醇溶液和空氣進入重整反應單元，在蒸發板內液態醇溶液吸熱氣化并與空氣混合形成混和氣體，反應初始熱量由預熱板提供，混合氣體隨后進入重整反應板，在高溫及催化劑作用下混合氣體發生自熱重整反應轉變成含氫氣的合成氣體，合成氣體隨后進入一氧化碳清除板，經過催化劑作用，合成氣體中的一氧化碳含量降低并排出重整反應單元；
21.所述燃燒反應線路：
22.氫氣進入燃燒板，在催化劑作用下氫氣燃燒，為蒸發板及重整反應板反應提供熱量，之后反應氣體排出重整反應單元。
23.進一步，所述冷卻回路具體為：
24.壓縮機將低壓氣態冷媒通過冷媒入口壓縮入預熱板內，在預熱板內低壓氣態冷媒被壓縮成為高壓液態冷媒并放熱，熱量加熱混合氣，隨后預熱板內高壓液態冷媒流出重整反應單元并通過第二冷媒管道流向換熱單元，其間流經節流閥壓力降低，低壓液態冷媒流入換熱單元，部分低壓液態冷媒在流經換熱單元時吸收合成氣熱量并氣化，為合成氣降溫，并隨剩余的液態冷媒流出換熱單元，隨后剩余的低壓液態冷媒經第三冷媒管道流入液冷服務器內部的冷板，在冷板內剩余的低壓液態冷媒吸收液冷服務器器件的熱量并氣化，液態冷媒全部氣化為低壓氣態冷媒，隨后低壓氣態冷媒被吸入壓縮機完成一次冷卻循環。
25.進一步，所述換熱單元為板式換熱器。
26.與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：
27.通過疊片現場制氫技術實現現場生成氫氣提供燃料電池發電，避免了傳統燃料電池系統使用的氫氣儲存裝置所帶來的安全隱患。
28.疊片重整反應器內設置有微通道結構或泡沫金屬結構同等體積下增加了反應面積，疊片可根據反應需求擴容或縮減實現了裝置的小型化，增強了設備布置的靈活性。
29.采用熱泵系統將服務器元器件產生的熱量收集，為重整制氫反應提供熱量，免除傳統液冷方案中的散熱器在空氣質量惡劣環境下容易積累灰塵堵塞的問題，并降低了環境溫度對冷卻系統性能的影響，有效解決了極端惡劣環境下高性能邊緣計算服務器的散熱問題。
30.現場重整制氫技術與服務器機柜結合，實現了新能源與服務器系統的結合，能夠有效降低服務器系統對電能的依賴，增強了用于邊緣計算等戶外場景的服務器機柜的布置
靈活性。
附圖說明
31.圖1是具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜結構示意圖；
32.圖2是電源系統原理示意圖；
33.圖3是現場制氫燃料電池模塊結構示意圖；
34.圖4是重整反應器結構示意圖；
35.圖5是單個重整反應模塊內反應物流動通路示意圖；
36.圖6是冷卻系統原理示意圖。
具體實施方式
37.下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
38.圖1為一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜，包括：現場制氫燃料電池模塊1、柜體2、液冷服務器3、冷媒分配模塊4、pdu 5(電源分配單元)及鋰電池模塊6；其中，液冷服務器3、冷媒分配模塊4、pdu 5、鋰電池模塊6設置在柜體2內，現場制氫燃料電池模塊1設置于柜體2的后部。液冷服務器3為冷板式液冷服務器。其中，現場制氫燃料電池模塊1、液冷服務器3、冷媒分配模塊4構成了冷卻系統；現場制氫燃料電池模塊1構成了重整反應制氫系統；現場制氫燃料電池模塊1、液冷服務器3、pdu 5及鋰電池模塊6構成了供電系統。
39.如圖1和圖2所示，pdu 5一側通過多對電纜503分別與液冷服務器3電性連接，液冷服務器3與pdu 5之間的連接關系為并聯，第一供電口501通過第一供電線204與現場制氫燃料電池模塊1內部的燃料電池單元14電性連接，第二供電口502通過第二供電線203與鋰電池模塊6一側電性連接，鋰電池模塊6另一側通過第三供電線1404與現場制氫燃料電池模塊1內部的燃料電池單元14電性連接；上述連接構成了系統的供電回路。圖2為電源系統原理，燃料電池單元14與鋰電池模塊6電性連接，同時燃料電池單元14還與pdu 5電性連接，鋰電池模塊6與pdu 5電性連接，pud 5與液冷服務器3電性連接，控制模塊15分別與燃料電池單元14、鋰電池模塊6、液冷服務器3電性連接；鋰電池模塊6儲存電能用于提供現場制氫燃料電池模塊1初始啟動所需電能，燃料電池模塊14可補充鋰電池模塊6損失的電能，同時通過pdu 5為液冷服務器3提供電能，控制單元15用于協調各模塊間的協同工作。
40.進一步，控制單元用于協調控制鋰電池模塊、燃料電池單元及液冷服務器之間的供電關系，燃料電池單元作為主要工作電源，鋰電池模塊作為備用電源及過渡電源。當備用電源關閉時，主要工作電源已經處于穩定供電狀態。
41.控制單元根據各用電設備的用電量，判斷啟動主工作電源及備用電源的切換時長及供電時間，實現節能。
42.如圖3所示，現場制氫燃料電池模塊1包括：燃料箱11、重整反應單元12、換熱單元13、燃料電池單元14、控制單元15、壓縮機16、節流閥17；換熱單元13為板式換熱器。
43.所述燃料箱11用于儲存液態醇溶液并通過內置液體泵與空氣泵為重整反應單元12提供液態醇與空氣；所述重整反應單元12使用液態醇溶液與空氣通過醇類自熱重整反應生成含有氫氣的合成氣，并為燃料電池單元14提供氫氣；換熱單元13用于冷卻重整反應單
元12生成的合成氣體使其溫度達到燃料電池的反應要求；燃料箱11也通過內置空氣泵為燃料電池單元14提供反應所需空氣；燃料電池單元14利用氫氣氧化反應產生直流電，所述燃料電池單元14采用質子交換膜燃料電池。
44.燃料箱11的液態醇泵送口1101與重整反應單元12的液態醇入口1201連接，第一空氣泵送口1102與重整反應空氣入口1202連接，第二空氣泵送口1103與燃料電池空氣入口1403連接；合成氣出口1204與換熱單元第一入口1301連接，燃燒反應氫氣入口1203與換熱單元第二出口1304連接，換熱單元第一出口1302與燃料電池氫氣入口1402連接，換熱單元第二入口1303與燃料電池氫氣出口1401連接，上述連接構成了系統的重整反應制氫回路。
45.圖4是重整反應單元12的結構示意圖，包含上端蓋1205、帶有冷媒入口1217與冷媒出口1207的預熱板1206、蒸發板1208、燃燒板1209、重整反應板1210、一氧化碳清除板1211。其中預熱板1206用于加熱液態醇溶液與空氣，蒸發板1208內反應腔用以將液態醇溶液氣化并與空氣混合，燃燒板1209用以將燃料電池內未完全反應的氫氣燃燒，為蒸發板1208及重整反應板1210內的反應提供熱量，重整反應板1210用以將醇和空氣的混合氣反應生成含有氫氣的合成氣，一氧化碳清除板1211用以將合成氣中的一氧化碳含量降低達到燃料電池單元14的反應要求。
46.所述蒸發板1208、燃燒板1209、重整反應板1210、一氧化碳清除板1211上加工反應腔體，反應腔體內放置泡沫金屬或加工微通道陣列，其上覆涂反應催化劑，預熱板1206上加工換熱腔體，換熱腔體內加工微通道陣列。
47.預熱板1206、蒸發板1208、燃燒板1209、重整反應板1210、一氧化碳清除板1211，依次通過定位螺釘1214串聯而成一個反應單元，多組反應單元通過上端蓋1205、下端蓋1213與多個連接螺釘1215疊合并鎖緊構成重整反應模塊12；反應單元的數量根據實際使用功率來確定。其中第一個反應單元通過定位螺釘1214與上端蓋1205鎖緊，若有多于一個的反應單元則通過定位螺釘1214與連接板1212鎖緊。
48.如圖1、圖3和圖4所示，冷媒分配模塊4一側通過n(n≥1)對冷卻軟管403與n臺液冷服務器3連接，液冷服務器3之間與冷媒分配模塊4的連接關系為并聯，冷媒分配模塊4上分配單元冷媒出口401通過第一冷媒管道201經壓縮機16后與現場制氫燃料電池單元1中重整反應單元12上冷媒入口1217連接，重整反應單元12上冷媒出口1207經節流閥17后通過第二冷媒管道19與換熱單元13一側連接，換熱單元13另一側通過第三冷媒管道202與分配單元冷媒入口402連接，上述連接構成了系統的冷卻回路。
49.本實施例中，燃料箱11將液態醇溶液經液態醇泵送口1101、液態醇入口1201泵入重整反應單元12內，同時將空氣經第一空氣泵送口1102、重整反應空氣入口1202泵入重整反應單元12內。
50.圖5是單個重整反應單元內反應物流動通路，在重整反應單元12內有兩條反應物線路，為重整反應線路和燃燒反應線路，液態醇溶液和空氣進入重整反應單元12，經重整反應線路在蒸發板1208內液態醇溶液吸熱氣化并與空氣混合形成混和氣體，反應初始熱量由預熱板1206提供，混合氣體隨后進入重整反應板1210，在高溫及催化劑作用下混合氣體發生自熱重整反應轉變成含氫氣的合成氣體，合成氣體隨后進入一氧化碳清除板1211，經過催化劑作用，合成氣體中的一氧化碳含量降低并排出復合重整反應單元12。
51.合成氣體經合成氣出口1204、換熱單元第一入口1301進入換熱單元13，在換熱單
元13內合成氣熱量被冷媒帶走，合成氣體溫度降低，并通過換熱模塊第一出口1302、燃料電池氫氣入口1402進入燃料電池單元14。
52.同時，燃料箱11將空氣經通過第二空氣泵送口1103、燃料電池空氣入口1403泵入燃料電池單元14，氫氣在燃料電池單元14內發生氧化反應，燃料電池單元14產生電能提供服務器機柜使用，部分未完全反應的氫氣經燃料電池氫氣出口1401、換熱單元第二入口1303進入換熱單元13進行冷卻。隨后冷卻氫氣經換熱單元第二出口1304、燃燒反應氫氣入口1203進入重整反應單元12。
53.在重整反應單元12內氫氣經燃燒反應線路進入燃燒板1209，在催化劑作用下氫氣燃燒，為蒸發板1208、重整反應板1210內反應提供熱量，隨后，反應氣體排出重整反應單元12。
54.與此同時，冷卻系統與重整反應制氫系統協同運行。圖6展示了液冷機柜冷卻系統原理。如圖1，圖4，圖6所示，壓縮機16將低壓氣態冷媒通過冷媒入口1217壓縮入重整反應單元12中的預熱板1206內，在預熱板1206內低壓氣態冷媒被壓縮成為高壓液態冷媒并放熱，熱量加熱混合氣，隨后預熱板1206內高壓液態冷媒通過冷媒出口1207流出重整反應單元12并通過第二冷媒管道19流向換熱單元13，其間流經節流閥17壓力降低，低壓液態冷媒流入換熱單元13，部分低壓液態冷媒在流經換熱單元13時吸收合成氣熱量并氣化，為合成氣降溫，并隨剩余的液態冷媒流出換熱單元13，隨后剩余的低壓液態冷媒經第三冷媒管道202流入液冷服務器3內部的冷板，在冷板內剩余的低壓液態冷媒吸收液冷服務器3器件的熱量并氣化，液態冷媒全部氣化為低壓氣態冷媒，隨后低壓氣態冷媒被吸入壓縮機16完成一次冷卻循環。
55.本發明通過現場制氫技術避免了傳統燃料電池系統中氫儲裝置帶來的安全隱患，降低服務器系統對電能的依賴，并通過熱泵系統實現服務器液冷，充分利用服務器產生的廢熱，增強了用于邊緣計算等場景的服務器機柜的布置靈活性。
56.上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，包括：現場制氫燃料電池模塊、液冷服務器、冷媒分配模塊、pdu及鋰電池模塊，其中，液冷服務器、鋰電池模塊、冷媒分配模塊及pdu設置在柜體內，所述現場制氫燃料電池模塊設置在柜體的外部；所述pdu分別與液冷服務器、現場制氫燃料電池模塊及鋰電池模塊電性連接，所述鋰電池模塊與現場制氫燃料電池模塊連接，構成供電回路；所述現場制氫燃料電池模塊與冷媒分配模塊連接，所述冷媒分配模塊與液冷服務器連接，構成冷卻回路。2.根據權利要求1所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述現場制氫燃料電池模塊包括燃料箱、重整反應單元、換熱單元、燃料電池單元、控制單元及壓縮機，所述燃料箱向重整反應單元輸入液態醇及空氣，所述重整反應單元產生合成氣輸入換熱單元，所述燃料電池單元利用含有氫氣的合成氣與燃料箱提供的空氣反應產生直流電，供液冷機柜使用；所述冷媒分配模塊經過壓縮機與重整反應單元的冷媒入口連接，所述重整反應單元的冷媒出口經過節流閥與換熱單元連接，所述換熱單元與冷媒分配模塊連接，構成冷卻回路；所述控制單元分別與燃料電池單元、鋰電池模塊及液冷服務器電性連接。3.根據權利要求2所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述重整反應單元包括至少一組反應單元，每組反應單元包括依次疊放的預熱板、蒸發板、燃燒板、重整反應板及一氧化碳清除板。4.根據權利要求3所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述蒸發板、燃燒板、重整反應板及一氧化碳清除板上均加工反應腔體，所述反應腔體內放置泡沫金屬或加工微通道陣列，其上覆涂反應催化劑，所述預熱板上加工換熱腔體，所述換熱腔體內加工微通道陣列。5.根據權利要求1-4任一項所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述冷媒分配模塊的分配接口對數與液冷服務器的數量相同，且通過n對冷卻軟管與液冷服務器連接。6.根據權利要求2所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述燃料電池單元采用質子交換膜燃料電池。7.根據權利要求2所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，還包括燃料電池單元未完全反應的氫氣輸入換熱模塊進行冷卻后，輸入重整反應單元。8.根據權利要求3所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，在重整反應單元內，包括重整反應線路及燃燒反應線路；所述重整反應線路，具體為：液態醇溶液和空氣進入重整反應單元，在蒸發板內液態醇溶液吸熱氣化并與空氣混合形成混和氣體，反應初始熱量由預熱板提供，混合氣體隨后進入重整反應板，在高溫及催化劑作用下混合氣體發生自熱重整反應轉變成含氫氣的合成氣體，合成氣體隨后進入一氧化碳清除板，經過催化劑作用，合成氣體中的一氧化碳含量降低并排出重整反應單元；所述燃燒反應線路：氫氣進入燃燒板，在催化劑作用下氫氣燃燒，為蒸發板及重整反應板反應提供熱量，之后反應氣體排出重整反應單元。9.根據權利要求8所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述冷卻回路具體為：壓縮機將低壓氣態冷媒通過冷媒入口壓縮入預熱板內，在預熱板內低壓氣態冷媒被壓
縮成為高壓液態冷媒并放熱，熱量加熱混合氣，隨后預熱板內高壓液態冷媒流出重整反應單元并通過第二冷媒管道流向換熱單元，其間流經節流閥壓力降低，低壓液態冷媒流入換熱單元，部分低壓液態冷媒在流經換熱單元時吸收合成氣熱量并氣化，為合成氣降溫，并隨剩余的液態冷媒流出換熱單元，隨后剩余的低壓液態冷媒經第三冷媒管道流入液冷服務器內部的冷板，在冷板內剩余的低壓液態冷媒吸收液冷服務器器件的熱量并氣化，液態冷媒全部氣化為低壓氣態冷媒，隨后低壓氣態冷媒被吸入壓縮機完成一次冷卻循環。10.根據權利要求3所述的邊緣計算液冷機柜，其特征在于，所述換熱單元為板式換熱器。
技術總結
本發明公開了一種具有現場制氫燃料電池電源系統的邊緣計算液冷機柜，包括：現場制氫燃料電池模塊、液冷服務器、冷媒分配模塊、PDU及鋰電池模塊，其中，液冷服務器、鋰電池模塊、冷媒分配模塊及PDU設置在柜體內，所述現場制氫燃料電池模塊設置在柜體的外部；本發明通過現場制氫技術避免了傳統燃料電池系統中氫儲裝置帶來的安全隱患，降低服務器系統對電能的依賴，并通過熱泵系統實現服務器液冷，充分利用服務器產生的廢熱，增強了用于邊緣計算等場景的服務器機柜的布置靈活性。景的服務器機柜的布置靈活性。景的服務器機柜的布置靈活性。
