一种深海氢燃料电池系统

1.本发明属于深海电源技术领域，具体涉及一种深海氢燃料电池系统。


背景技术：

2.电源是深海装备的核心动力，是实现深海科学考察、探测作业、深海资源开发的重要保障，。深海环境下，传统一次电池 (锌-锰电池、锌-银电池等)和二次电池(铅酸电池、锂离子电池等)难以满足深海装备对大功率、长寿命和安全可靠电源的需求。氢燃料电池是一种具有高功率密度、可低温运行、无噪声和无污染的绿色能源装置，可作为深海装备的理想电源。传统氢燃料电池以氢为燃料，其氢源主要依靠携带的高压气态储氢或低温液态储氢设备提供。然而，深海环境不仅对氢的储存、运输和应用带来更高的成本，同时带来更加严峻的安全隐患问题，进而制约了氢燃料电池的深海应用。申请号200810228230.8和201210562567.9的专利均提出将氢氧燃料电池与金属空气或氧气电池组合，并利用电池阳极腐蚀生成的氢气作为氢源。然而，一方面金属空气或氧气电池阳极腐蚀析氢是一种副反应，氢气产率低、不稳定，难以有效利用；另一方面，深海无氧环境下，金属空气或氧气电池难以工作，无法作为燃料电池的稳定氢源。因此，解决深海环境下氢燃料电池的氢源问题，继而发展一种用于深海的氢燃料电池系统具有重要实际应用价值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种深海氢燃料电池系统，其优势在于该系统能够利用天然海水发电并制取氢气，并作为氢燃料电池的在线氢源，进而有效解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供技术方案为一种深海氢燃料电池系统，其特征在于包括：进水泵、水箱、海水发电制氢装置、液面控制器、气液分离器、氢气干燥纯化系统、氢燃料电池系统、dc/dc转换器和排水泵；
5.所述海水发电制氢装置由镁合金阳极、析氢阴极和隔膜组成，并置于水箱底部；氢气由所述海水发电制氢装置的析氢阴极制得，所得氢气经气液分离器后进入氢气干燥纯化系统，经干燥提纯后进入氢燃料电池系统；
6.所述氢燃料电池系统与海水发电制氢装置串联，其输出端与dc/dc转换器输入端连接；所述dc/dc转换器将氢燃料电池系统与海水发电制氢装置产生的不稳定电压实时转换为稳定电压；
7.所述镁合金阳极为商用az31、az61和az91合金中的一种或两种；所述析氢阴极由泡沫镍和直接生长的析氢催化剂组成；所述析氢催化剂为金属硫化物、金属氧化物、金属磷化物中的一种或两种，所述隔膜为聚乙烯或聚丙烯材料中的一种；
8.所述液面控制器置于水箱内，与进水泵连接，通过控制水泵启动和停止来实现储水箱内海水水位自动检测与控制，保证水箱内海水水位始终处于一定范围内。所述气液分离器位于水箱上部，连接水箱与氢气干燥纯化系统。
9.与现有技术相比，本发明一种深海氢燃料电池系统的优势在于：
10.1、本发明从天然海水中获取氢气，并作为氢燃料电池的在线氢源，有效解决了氢的储存、运输、应用和安全问题；
11.2、本发明利用海水制氢同时产生电能，与氢燃料电池系统耦合，有效提升了氢燃料电池系统的能量密度和使用寿命；
附图说明
12.图1为本发明一种深海氢燃料电池系统的结构原理示意图，其中附图标记如下：1-进水泵、 2-水箱、3-液面控制器、4-析氢阴极、5-隔膜、6-镁合金阳极、7-气液分离器、8-氢气干燥纯化系统、9-氢燃料电池系统、10-dc/dc转换器、11-排水泵。
具体实施方式
13.下面根据附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明。需要强调的是，本实施例仅限于解释本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
14.实施例
15.请参照图1，一种深海氢燃料电池系统包括进水泵1、水箱2、液面控制器3、析氢阴极4、隔膜5、镁合金阳极6、气液分离器7、氢气干燥纯化系统8、氢燃料电池系统9、dc/dc转换器10、排水泵11。
16.其中，析氢阴极4、隔膜5和镁合金阳极6组成海水电池，经串联、并联或串并混联构成发电制氢装置，并置于储水箱2底部；析氢阴极4可由泡沫镍和直接生长的金属硫化物、金属氧化物、金属磷化物中的一种或两种构成，隔膜5为聚乙烯或聚丙烯材料中的一种，镁合金阳极6为商用az31、az61和az91合金中的一种或两种。
17.所述氢燃料电池系统9与海水电池串联，其输出端与dc/dc转换器10输入端连接；所述 dc/dc转换器10将氢燃料电池系统9与海水电池产生的不稳定电压实时转换为稳定电压。
18.气液分离器7位于水箱2上部，与氢气干燥纯化系统8相连；所述氢气干燥纯化系统8与氢燃料电池系统9相连。由析氢阴极4制得的氢气经气液分离器7后进入氢气干燥纯化系统8，最后进入氢燃料电池系统9。
19.液面控制器3置于储水箱2内，与进水泵1连接，海水由进水泵1进入水箱2，并由排水泵11 排出；所述排水泵11单位时间内排水量小于进水泵1的进水量，以保证水箱内海水水位高于海水电池阴/阳极高度；海水在水箱2中处于循环状态，所述液面控制器3通过控制水泵1启动和停止来实现水箱2内海水水位的自动检测与控制，保证水箱2内海水水位始终处于一定高度范围。
20.本发明的工作流程：(1)启动进水泵1和，此时海水进入水箱2内，部分海水同时由排水泵 12排出；(2)当水箱内海水水位高于警戒水位时，液面控制器3启动，使进水泵1停止工作；当水箱内海水水位低于警戒水位时，液面控制器3启动，使进水泵1开始工作；(3)当海水电解质水位高于阴阳极时，由析氢阴极4、隔膜5和镁合金阳极6组成的海水电池即可产生电流；(4) 海水电池工作同时，析氢阴极4开始析出氢气，在重力作用下与海水分离，并富集于水箱2上部空腔；(5)随着海水电池持续工作，析氢阴极4持续产生氢气，当氢气压力达到
一定程度，开始进入气液分离器7初步除去小液滴；(6)氢气经气液分离器7进入氢气干燥纯化系统8，最后进入氢燃料电池系统9；(7)氢燃料电池系统9与海水电池串联产生电压，其输出端与dc/dc转换器10输入端连接，输出稳定工作电压。
21.以上所述仅为本发明较佳实施例，仅限于解释本发明，而不用于限定本发明的范围；基于本发明技术方案的任何修改或替换都应包含在本发明保护范围内。


技术特征：
1.一种深海氢燃料电池系统，其特征在于包括：进水泵、水箱、海水发电制氢装置、液面控制器、气液分离器、氢气干燥纯化系统、氢燃料电池系统、dc/dc转换器和排水泵；氢气由所述海水发电制氢装置的析氢阴极制得，所得氢气经气液分离器后进入氢气干燥纯化系统，经干燥提纯后进入氢燃料电池系统；所述氢燃料电池系统与海水发电制氢装置串联，其输出端与dc/dc转换器输入端连接；所述dc/dc转换器将氢燃料电池系统与海水发电制氢装置产生的不稳定电压实时转换为稳定电压；所述海水发电制氢装置以天然海水为流动电解质，海水在水箱中处于循环状态，通过进水泵进入水箱，并由水箱底部的排水泵排出；所述液面控制器置于水箱内，与进水泵连接，通过控制水泵启动和停止来实现储水箱内海水水位自动检测与控制；所述气液分离器位于水箱上部，连接水箱与氢气干燥纯化系统。2.根据权利要求1所述的一种深海氢燃料电池系统，其特征在于：所述海水发电制氢装置由镁合金阳极、析氢阴极和隔膜组成，置于水箱底部。3.根据权利要求2所述的一种深海氢燃料电池系统，其特征在于：所述镁合金阳极为商用az31、az61和az91合金中的一种或两种；所述析氢阴极由泡沫镍和直接生长的析氢催化剂组成；所述析氢催化剂为金属硫化物、金属氧化物、金属磷化物中的一种或两种；所述隔膜为聚乙烯或聚丙烯材料中的一种。

技术总结
本发明涉及的是一种深海氢燃料电池系统，具体包括：水泵1、水箱2、液面控制器3、析氢阴极4、隔膜5、镁合金阳极6、气液分离器7、氢气干燥纯化系统8、氢燃料电池系统9、DC/DC转换器10、排水泵11。所述氢燃料电池系统9与析氢阴极4、隔膜5和镁合金阳极6组成的海水电池串联，其输出端与DC/DC转换器10输入端连接；所述DC/DC转换器10将氢燃料电池系统9与海水电池产生的不稳定电压实时转换为稳定电压输出。本发明优势在于可在深海中获取氢气并作为氢燃料电池的在线氢源，海水制氢同时产生电能，与氢燃料电池系统耦合，有效提升了氢燃料电池系统的能量密度和使用寿命，可作为深海装备的理想电源。可作为深海装备的理想电源。


技术研发人员：姜鲁华 刘光波 吕洪浩 崔学晶 卢华森
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/4/8