具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜
1.本发明涉及数据中心领域，特别涉及一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜。
背景技术：
2.随着5g时代的到来，通讯数据量迅速增长，与此同时服务器的性能、功耗与布置规模也一同伴随增长，边缘数据中心的部署进程也随着5g、物联网等应用场景而快速推进。大量边缘数据中心带来了严重的能耗，同时分散和灵活的部署也为服务器供电带来了一定的难题。特别对于一些科学考察与军事应用场景，边缘计算机柜需要被部署在极端恶劣的场景，户外通常没有稳定持续的大功率电源，与此同时在扬尘环境中服务器的散热系统也面临巨大考验。
3.氢能作为相对成熟的新能源技术，现阶段已有相关研究将氢能与数据中心供电系统结合，然而目前的技术大多包含氢气储存环节，直接储氢存在能量密度低、体积庞大、储存运输危险等问题，这对边缘数据中心的可靠性设计带来了较大的挑战。
4.因此研究适用于复杂户外环境的高可靠服务器机柜级现场制氢燃料电池电源系统是未来数据中心发展的一个重要方向。
技术实现要素：
5.为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜，适用于复杂户外环境。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜，包括：现场制氢燃料电池模块、液冷服务器、冷媒分配模块、pdu及锂电池模块，其中，液冷服务器、锂电池模块、冷媒分配模块及pdu设置在柜体内，所述现场制氢燃料电池模块设置在柜体的外部；
8.所述pdu分别与液冷服务器、现场制氢燃料电池模块及锂电池模块电性连接，所述锂电池模块与现场制氢燃料电池模块连接，构成供电回路；
9.所述现场制氢燃料电池模块与冷媒分配模块连接，所述冷媒分配模块与液冷服务器连接，构成冷却回路。
10.进一步，所述现场制氢燃料电池模块包括燃料箱、重整反应单元、换热单元、燃料电池单元、控制单元及压缩机，所述燃料箱向重整反应单元输入液态醇及空气，所述重整反应单元产生合成气输入换热单元，所述燃料电池单元利用含有氢气的合成气与燃料箱提供的空气反应产生直流电，供液冷机柜使用；
11.所述冷媒分配模块经过压缩机与重整反应单元的冷媒入口连接，所述重整反应单元的冷媒出口经过节流阀与换热单元连接，所述换热单元与冷媒分配模块连接，构成冷却回路；
12.所述控制单元分别与燃料电池单元、锂电池模块及液冷服务器电性连接。
13.进一步，所述重整反应单元包括至少一组反应单元，每组反应单元包括依次叠放的预热板、蒸发板、燃烧板、重整反应板及一氧化碳清除板。
14.进一步，所述蒸发板、燃烧板、重整反应板及一氧化碳清除板上均加工反应腔体，所述反应腔体内放置泡沫金属或加工微通道阵列，其上覆涂反应催化剂，所述预热板上加工换热腔体，所述换热腔体内加工微通道阵列。
15.进一步，所述冷媒分配模块的分配接口对数与液冷服务器的数量相同，且通过n对冷却软管与液冷服务器连接。
16.进一步，所述燃料电池单元采用质子交换膜燃料电池。
17.进一步，还包括燃料电池单元未完全反应的氢气输入换热模块进行冷却后，输入重整反应单元。
18.进一步，在重整反应单元内，包括重整反应线路及燃烧反应线路；
19.所述重整反应线路，具体为：
20.液态醇溶液和空气进入重整反应单元，在蒸发板内液态醇溶液吸热气化并与空气混合形成混和气体，反应初始热量由预热板提供，混合气体随后进入重整反应板，在高温及催化剂作用下混合气体发生自热重整反应转变成含氢气的合成气体，合成气体随后进入一氧化碳清除板，经过催化剂作用，合成气体中的一氧化碳含量降低并排出重整反应单元；
21.所述燃烧反应线路：
22.氢气进入燃烧板，在催化剂作用下氢气燃烧，为蒸发板及重整反应板反应提供热量，之后反应气体排出重整反应单元。
23.进一步，所述冷却回路具体为：
24.压缩机将低压气态冷媒通过冷媒入口压缩入预热板内，在预热板内低压气态冷媒被压缩成为高压液态冷媒并放热，热量加热混合气，随后预热板内高压液态冷媒流出重整反应单元并通过第二冷媒管道流向换热单元，其间流经节流阀压力降低，低压液态冷媒流入换热单元，部分低压液态冷媒在流经换热单元时吸收合成气热量并气化，为合成气降温，并随剩余的液态冷媒流出换热单元，随后剩余的低压液态冷媒经第三冷媒管道流入液冷服务器内部的冷板，在冷板内剩余的低压液态冷媒吸收液冷服务器器件的热量并气化，液态冷媒全部气化为低压气态冷媒，随后低压气态冷媒被吸入压缩机完成一次冷却循环。
25.进一步，所述换热单元为板式换热器。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
27.通过叠片现场制氢技术实现现场生成氢气提供燃料电池发电，避免了传统燃料电池系统使用的氢气储存装置所带来的安全隐患。
28.叠片重整反应器内设置有微通道结构或泡沫金属结构同等体积下增加了反应面积，叠片可根据反应需求扩容或缩减实现了装置的小型化，增强了设备布置的灵活性。
29.采用热泵系统将服务器元器件产生的热量收集，为重整制氢反应提供热量，免除传统液冷方案中的散热器在空气质量恶劣环境下容易积累灰尘堵塞的问题，并降低了环境温度对冷却系统性能的影响，有效解决了极端恶劣环境下高性能边缘计算服务器的散热问题。
30.现场重整制氢技术与服务器机柜结合，实现了新能源与服务器系统的结合，能够有效降低服务器系统对电能的依赖，增强了用于边缘计算等户外场景的服务器机柜的布置
灵活性。
附图说明
31.图1是具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜结构示意图；
32.图2是电源系统原理示意图；
33.图3是现场制氢燃料电池模块结构示意图；
34.图4是重整反应器结构示意图；
35.图5是单个重整反应模块内反应物流动通路示意图；
36.图6是冷却系统原理示意图。
具体实施方式
37.下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
38.图1为一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜，包括：现场制氢燃料电池模块1、柜体2、液冷服务器3、冷媒分配模块4、pdu 5(电源分配单元)及锂电池模块6；其中，液冷服务器3、冷媒分配模块4、pdu 5、锂电池模块6设置在柜体2内，现场制氢燃料电池模块1设置于柜体2的后部。液冷服务器3为冷板式液冷服务器。其中，现场制氢燃料电池模块1、液冷服务器3、冷媒分配模块4构成了冷却系统；现场制氢燃料电池模块1构成了重整反应制氢系统；现场制氢燃料电池模块1、液冷服务器3、pdu 5及锂电池模块6构成了供电系统。
39.如图1和图2所示，pdu 5一侧通过多对电缆503分别与液冷服务器3电性连接，液冷服务器3与pdu 5之间的连接关系为并联，第一供电口501通过第一供电线204与现场制氢燃料电池模块1内部的燃料电池单元14电性连接，第二供电口502通过第二供电线203与锂电池模块6一侧电性连接，锂电池模块6另一侧通过第三供电线1404与现场制氢燃料电池模块1内部的燃料电池单元14电性连接；上述连接构成了系统的供电回路。图2为电源系统原理，燃料电池单元14与锂电池模块6电性连接，同时燃料电池单元14还与pdu 5电性连接，锂电池模块6与pdu 5电性连接，pud 5与液冷服务器3电性连接，控制模块15分别与燃料电池单元14、锂电池模块6、液冷服务器3电性连接；锂电池模块6储存电能用于提供现场制氢燃料电池模块1初始启动所需电能，燃料电池模块14可补充锂电池模块6损失的电能，同时通过pdu 5为液冷服务器3提供电能，控制单元15用于协调各模块间的协同工作。
40.进一步，控制单元用于协调控制锂电池模块、燃料电池单元及液冷服务器之间的供电关系，燃料电池单元作为主要工作电源，锂电池模块作为备用电源及过渡电源。当备用电源关闭时，主要工作电源已经处于稳定供电状态。
41.控制单元根据各用电设备的用电量，判断启动主工作电源及备用电源的切换时长及供电时间，实现节能。
42.如图3所示，现场制氢燃料电池模块1包括：燃料箱11、重整反应单元12、换热单元13、燃料电池单元14、控制单元15、压缩机16、节流阀17；换热单元13为板式换热器。
43.所述燃料箱11用于储存液态醇溶液并通过内置液体泵与空气泵为重整反应单元12提供液态醇与空气；所述重整反应单元12使用液态醇溶液与空气通过醇类自热重整反应生成含有氢气的合成气，并为燃料电池单元14提供氢气；换热单元13用于冷却重整反应单
元12生成的合成气体使其温度达到燃料电池的反应要求；燃料箱11也通过内置空气泵为燃料电池单元14提供反应所需空气；燃料电池单元14利用氢气氧化反应产生直流电，所述燃料电池单元14采用质子交换膜燃料电池。
44.燃料箱11的液态醇泵送口1101与重整反应单元12的液态醇入口1201连接，第一空气泵送口1102与重整反应空气入口1202连接，第二空气泵送口1103与燃料电池空气入口1403连接；合成气出口1204与换热单元第一入口1301连接，燃烧反应氢气入口1203与换热单元第二出口1304连接，换热单元第一出口1302与燃料电池氢气入口1402连接，换热单元第二入口1303与燃料电池氢气出口1401连接，上述连接构成了系统的重整反应制氢回路。
45.图4是重整反应单元12的结构示意图，包含上端盖1205、带有冷媒入口1217与冷媒出口1207的预热板1206、蒸发板1208、燃烧板1209、重整反应板1210、一氧化碳清除板1211。其中预热板1206用于加热液态醇溶液与空气，蒸发板1208内反应腔用以将液态醇溶液气化并与空气混合，燃烧板1209用以将燃料电池内未完全反应的氢气燃烧，为蒸发板1208及重整反应板1210内的反应提供热量，重整反应板1210用以将醇和空气的混合气反应生成含有氢气的合成气，一氧化碳清除板1211用以将合成气中的一氧化碳含量降低达到燃料电池单元14的反应要求。
46.所述蒸发板1208、燃烧板1209、重整反应板1210、一氧化碳清除板1211上加工反应腔体，反应腔体内放置泡沫金属或加工微通道阵列，其上覆涂反应催化剂，预热板1206上加工换热腔体，换热腔体内加工微通道阵列。
47.预热板1206、蒸发板1208、燃烧板1209、重整反应板1210、一氧化碳清除板1211，依次通过定位螺钉1214串联而成一个反应单元，多组反应单元通过上端盖1205、下端盖1213与多个连接螺钉1215叠合并锁紧构成重整反应模块12；反应单元的数量根据实际使用功率来确定。其中第一个反应单元通过定位螺钉1214与上端盖1205锁紧，若有多于一个的反应单元则通过定位螺钉1214与连接板1212锁紧。
48.如图1、图3和图4所示，冷媒分配模块4一侧通过n(n≥1)对冷却软管403与n台液冷服务器3连接，液冷服务器3之间与冷媒分配模块4的连接关系为并联，冷媒分配模块4上分配单元冷媒出口401通过第一冷媒管道201经压缩机16后与现场制氢燃料电池单元1中重整反应单元12上冷媒入口1217连接，重整反应单元12上冷媒出口1207经节流阀17后通过第二冷媒管道19与换热单元13一侧连接，换热单元13另一侧通过第三冷媒管道202与分配单元冷媒入口402连接，上述连接构成了系统的冷却回路。
49.本实施例中，燃料箱11将液态醇溶液经液态醇泵送口1101、液态醇入口1201泵入重整反应单元12内，同时将空气经第一空气泵送口1102、重整反应空气入口1202泵入重整反应单元12内。
50.图5是单个重整反应单元内反应物流动通路，在重整反应单元12内有两条反应物线路，为重整反应线路和燃烧反应线路，液态醇溶液和空气进入重整反应单元12，经重整反应线路在蒸发板1208内液态醇溶液吸热气化并与空气混合形成混和气体，反应初始热量由预热板1206提供，混合气体随后进入重整反应板1210，在高温及催化剂作用下混合气体发生自热重整反应转变成含氢气的合成气体，合成气体随后进入一氧化碳清除板1211，经过催化剂作用，合成气体中的一氧化碳含量降低并排出复合重整反应单元12。
51.合成气体经合成气出口1204、换热单元第一入口1301进入换热单元13，在换热单
元13内合成气热量被冷媒带走，合成气体温度降低，并通过换热模块第一出口1302、燃料电池氢气入口1402进入燃料电池单元14。
52.同时，燃料箱11将空气经通过第二空气泵送口1103、燃料电池空气入口1403泵入燃料电池单元14，氢气在燃料电池单元14内发生氧化反应，燃料电池单元14产生电能提供服务器机柜使用，部分未完全反应的氢气经燃料电池氢气出口1401、换热单元第二入口1303进入换热单元13进行冷却。随后冷却氢气经换热单元第二出口1304、燃烧反应氢气入口1203进入重整反应单元12。
53.在重整反应单元12内氢气经燃烧反应线路进入燃烧板1209，在催化剂作用下氢气燃烧，为蒸发板1208、重整反应板1210内反应提供热量，随后，反应气体排出重整反应单元12。
54.与此同时，冷却系统与重整反应制氢系统协同运行。图6展示了液冷机柜冷却系统原理。如图1，图4，图6所示，压缩机16将低压气态冷媒通过冷媒入口1217压缩入重整反应单元12中的预热板1206内，在预热板1206内低压气态冷媒被压缩成为高压液态冷媒并放热，热量加热混合气，随后预热板1206内高压液态冷媒通过冷媒出口1207流出重整反应单元12并通过第二冷媒管道19流向换热单元13，其间流经节流阀17压力降低，低压液态冷媒流入换热单元13，部分低压液态冷媒在流经换热单元13时吸收合成气热量并气化，为合成气降温，并随剩余的液态冷媒流出换热单元13，随后剩余的低压液态冷媒经第三冷媒管道202流入液冷服务器3内部的冷板，在冷板内剩余的低压液态冷媒吸收液冷服务器3器件的热量并气化，液态冷媒全部气化为低压气态冷媒，随后低压气态冷媒被吸入压缩机16完成一次冷却循环。
55.本发明通过现场制氢技术避免了传统燃料电池系统中氢储装置带来的安全隐患，降低服务器系统对电能的依赖，并通过热泵系统实现服务器液冷，充分利用服务器产生的废热，增强了用于边缘计算等场景的服务器机柜的布置灵活性。
56.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜，其特征在于，包括：现场制氢燃料电池模块、液冷服务器、冷媒分配模块、pdu及锂电池模块，其中，液冷服务器、锂电池模块、冷媒分配模块及pdu设置在柜体内，所述现场制氢燃料电池模块设置在柜体的外部；所述pdu分别与液冷服务器、现场制氢燃料电池模块及锂电池模块电性连接，所述锂电池模块与现场制氢燃料电池模块连接，构成供电回路；所述现场制氢燃料电池模块与冷媒分配模块连接，所述冷媒分配模块与液冷服务器连接，构成冷却回路。2.根据权利要求1所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述现场制氢燃料电池模块包括燃料箱、重整反应单元、换热单元、燃料电池单元、控制单元及压缩机，所述燃料箱向重整反应单元输入液态醇及空气，所述重整反应单元产生合成气输入换热单元，所述燃料电池单元利用含有氢气的合成气与燃料箱提供的空气反应产生直流电，供液冷机柜使用；所述冷媒分配模块经过压缩机与重整反应单元的冷媒入口连接，所述重整反应单元的冷媒出口经过节流阀与换热单元连接，所述换热单元与冷媒分配模块连接，构成冷却回路；所述控制单元分别与燃料电池单元、锂电池模块及液冷服务器电性连接。3.根据权利要求2所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述重整反应单元包括至少一组反应单元，每组反应单元包括依次叠放的预热板、蒸发板、燃烧板、重整反应板及一氧化碳清除板。4.根据权利要求3所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述蒸发板、燃烧板、重整反应板及一氧化碳清除板上均加工反应腔体，所述反应腔体内放置泡沫金属或加工微通道阵列，其上覆涂反应催化剂，所述预热板上加工换热腔体，所述换热腔体内加工微通道阵列。5.根据权利要求1-4任一项所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述冷媒分配模块的分配接口对数与液冷服务器的数量相同，且通过n对冷却软管与液冷服务器连接。6.根据权利要求2所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述燃料电池单元采用质子交换膜燃料电池。7.根据权利要求2所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，还包括燃料电池单元未完全反应的氢气输入换热模块进行冷却后，输入重整反应单元。8.根据权利要求3所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，在重整反应单元内，包括重整反应线路及燃烧反应线路；所述重整反应线路，具体为：液态醇溶液和空气进入重整反应单元，在蒸发板内液态醇溶液吸热气化并与空气混合形成混和气体，反应初始热量由预热板提供，混合气体随后进入重整反应板，在高温及催化剂作用下混合气体发生自热重整反应转变成含氢气的合成气体，合成气体随后进入一氧化碳清除板，经过催化剂作用，合成气体中的一氧化碳含量降低并排出重整反应单元；所述燃烧反应线路：氢气进入燃烧板，在催化剂作用下氢气燃烧，为蒸发板及重整反应板反应提供热量，之后反应气体排出重整反应单元。9.根据权利要求8所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述冷却回路具体为：压缩机将低压气态冷媒通过冷媒入口压缩入预热板内，在预热板内低压气态冷媒被压
缩成为高压液态冷媒并放热，热量加热混合气，随后预热板内高压液态冷媒流出重整反应单元并通过第二冷媒管道流向换热单元，其间流经节流阀压力降低，低压液态冷媒流入换热单元，部分低压液态冷媒在流经换热单元时吸收合成气热量并气化，为合成气降温，并随剩余的液态冷媒流出换热单元，随后剩余的低压液态冷媒经第三冷媒管道流入液冷服务器内部的冷板，在冷板内剩余的低压液态冷媒吸收液冷服务器器件的热量并气化，液态冷媒全部气化为低压气态冷媒，随后低压气态冷媒被吸入压缩机完成一次冷却循环。10.根据权利要求3所述的边缘计算液冷机柜，其特征在于，所述换热单元为板式换热器。
技术总结
本发明公开了一种具有现场制氢燃料电池电源系统的边缘计算液冷机柜，包括：现场制氢燃料电池模块、液冷服务器、冷媒分配模块、PDU及锂电池模块，其中，液冷服务器、锂电池模块、冷媒分配模块及PDU设置在柜体内，所述现场制氢燃料电池模块设置在柜体的外部；本发明通过现场制氢技术避免了传统燃料电池系统中氢储装置带来的安全隐患，降低服务器系统对电能的依赖，并通过热泵系统实现服务器液冷，充分利用服务器产生的废热，增强了用于边缘计算等场景的服务器机柜的布置灵活性。景的服务器机柜的布置灵活性。景的服务器机柜的布置灵活性。
