一种基于氢气水合物供氢方式的水下燃料电池系统

1.本发明涉及的是一种燃料电池，具体地说是水下燃料电池。


背景技术：

2.无人潜航器(unmaned undersea vehicle，uuv)作为海上力量倍增器，有着广泛而重要的的用途。其技术发展的重点之一是新型水下推进系统。推进系统是无人潜航器的心脏，通常占据潜航器1/2～2/3的体积和重量，需要在狭小空间内自身携带能源并实现不同速制变深恒功率输出，并在水下推进过程中尽可能减小振动噪声。这些特殊要求使得水下推进系统一直是困扰uuv性能大幅提升的重大技术瓶颈。
3.目前大多数商用uuv采用锂电池作为其推进装置。但由于其安全性相对较差，比能量提升空间有限，发展前景不明朗，不是未来uuv理想的动力源选择。而燃料电池因具有存储介质能量密度高，能量转换效率高(60％)，零尾气排放，噪音小等优势，被世界各国公认将取代传统电池成为未来uuv的主要动力源。
4.然而，当前制约燃料电池技术在auv动力系统中应用的关键问题在于燃料电池系统组成部件较多，特别是采用高能氢氧源使系统更为复杂，这意味着更繁杂的维护流程和更多故障的可能性。此外，当前常用的氢气存储与供给技术，例如高压储氢、液化储氢等，普遍存在氢气泄漏和氢脆等问题，直接影响着auv的安全性。因此，开发更加安全高效的储氢技术，对于增强水下燃料电池系统的安全可靠性、降低设备成本、增强续航力，具有重要的意义。
5.水合物法储氢技术是当前新兴的非常有前景的储氢技术之一。所谓气体水合物，又称为笼型水合物，是值水分子与气体小分子通过范德华力形成的一种空间笼型非计量晶体。由于氢气水合物特殊的晶格结构，使其单位体积的储氢量高达0.088kg/l，高于液氢的0.0708kg/l；同时，由于氢气水合物的自保护效应，氢气水合物可在7mpa、微低温(-6℃)的环境中稳定储存。因此，与传统的高压储氢、液化储氢以及新兴的物理吸附储氢和化学吸收储氢技术相比，水合物储氢具有不含杂质、环境友好、储存条件温和以及没有爆炸性、安全可靠性好等优点，尤其适合作为水下燃料电池系统的氢源。目前基于水合物法氢源技术的水下燃料电池系统还未见报道。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供通过水合物法氢源系统与水下燃料电池系统的有机融合，大大简化水下燃料电池系统，提升系统的安全性、可靠性以及经济性的一种基于氢气水合物供氢方式的水下燃料电池系统。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.本发明一种基于氢气水合物供氢方式的水下燃料电池系统，其特征是：包括燃料电池堆、氢气水合物储罐，氢气水合物储罐的下层设置管式换热器，燃料电池堆的高温冷却液出口连接管式换热器进口，氢气水合物储罐的排水口连接排水管道，排水管道连接氢气
水合物储罐的冷却入口，排水管道上安装去离子器、去离子水箱、冷却水泵，管式换热器出口连接排水管道，氢气水合物储罐通过输氢管道连接燃料电池堆的氢气入口。
9.本发明还可以包括：
10.1、还包括氧气罐，氧气罐连接加湿器，加湿器连接氢气水合物储罐的氧气入口。
11.2、氢气水合物储罐的氧气出口通过汽水分离器连接加湿器。
12.3、冷却水泵后方的排水管道连接加湿器。
13.4、氢气水合物储罐里设置第一控制电磁阀，输氢管道上安装第二控制电磁阀，氢气罐与加湿器之间设置第三控制电磁阀，排水管道上设置第四控制电磁阀，燃料电池堆的高温冷却液出口与管式换热器进口之间设置第五控制电磁阀。
14.5、燃料电池堆的氢气出口安装排气阀。
15.本发明的优势在于：本发明提出的基于水合物储氢的水下燃料电池系统采用水合物法储氢，相较于传统水下燃料电池系统采用的高压储氢(储存压力30mpa)、液化储氢(储存温度-253℃)，氢气水合物储存压力仅为7mpa，温度为微低温-6℃。其储存条件温和安全、不含杂质、环境友好。并且该系统通过氢气水合物的分解吸热特性实现了整个系统内的水、热自产自用。无需额外的冷、热、水源以及加湿、散热装置等。在传统的水下燃料电池系统基础上(效率约50％，能量密度约200wh/kg)可将系统的寄生能耗降低11％。使得系统效率提升至69.7％，系统能量密度增加至297wh/kg。在大大简化系统复杂程度，降低水下装置体积空间的同时，保证了燃料电池系统水下的安全高效工作。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
18.结合图1，图1为本发明基于氢气水合物供氢方式的水下燃料电池总系统的结构示意图；其由氢气水合物储罐1、管式换热器2、电磁阀3、去离子器4、去离子水箱5、冷却水泵6、温度传感器7、排气阀8、压力传感器9、氧气瓶10、减压阀11、流量计12、膜加湿器13、汽水分离器14、燃料电池堆15组成。
19.供氢/热管理一体化系统中的热管理系统包括氢气水合物储罐1、温度传感器、管式换热器2、电磁阀、去离子器4、去离子水箱5、冷却水泵6。热管理系统以氢气水合物受热分解的产物水作为冷却液，经由去离子器4处理后送入去离子水箱5，后由冷却水泵6送入电堆15带走电堆15废热。出堆的高温冷却水流经温度传感器7-2，获取当前时刻的冷却液出堆温度传送至控制端。通过电磁阀流量调节后的高温冷却液流入储罐1，通过储罐1底部的管式换热器2对氢气水合物加热，使氢气水合物受热分解为氢气与水。放热后的低温冷却液重新回到去离子水箱4，再次通过冷却水泵6送入电堆15进行冷却循环。
20.供氢/热管理一体化系统中的供氢系统包括氢气水合物储罐1、电磁阀、压力传感器9、温度传感器、排气阀8。由氢气水合物储罐1内氢气水合物受热释放的氢气在到达供氢压力后，电磁阀开启，氢气通过供氢管道通入电堆15。未反应的氢气通过排气阀8的定时开启排出电堆15。
21.采用这种设计有几点好处，一是氢气水合物受热分解产水的过程为系统提供了冷源与冷却介质，相较于单独设有冷源与水源的传统的燃料电池系统，可省略大量的能耗与空间，降低系统复杂程度。二是在对氢气水合物的加热中，有效利用电堆废热，免去额外热源带来的能耗与体积。三是有效利用了氢气水合物分解产物水，实现对反应气的加湿，无需额外加湿装置，形成系统内水的自产自用。四是由于高温冷却液通过对氢气水合物的加热实现自身温度大幅度降低，可省略热管理系统中的散热装置，可进一步降低系统的复杂度，减小系统的寄生能耗，加快系统的控制响应。
22.当燃料电堆15处于运行状态时，控制端通过控制氢气水合物储罐1内置的电磁阀3-1开启释放适当的氢气水合物进行分解。此时从电堆15流出的带有电堆废热的高温冷却液流入水合物储罐1底部的管式换热器2，氢气水合物储罐1中的氢气水合物通过管式换热器2进行受热分解，生成产物氢气和水。该过程中，氢气水合物储罐1内的温度t1与压力值ph2通过罐壁面上的压力传感器9与温度传感器7-1反馈到控制端。当罐内氢气压力ph2到达设定的供氢压力时，控制端控制电磁阀3-2开启，氢气通过输氢管道流入电堆15参与反应。由控制端控制排气阀8开启与关闭的频率来定时排出燃料电堆15内堆积的未反应氢气。
23.与此同时，氧气从氧气储罐10中流出，在依次经过减压阀11的减压和电磁阀3-3的流量调节后，流经流量计12从而将此时的氧气流量反馈给控制端，后通过膜加湿器13进行加湿。其中膜加湿器13中的液态水来自供氢/热管理一体化系统回路中的氢气水合物分解所得液态水，该液态水通过冷却水泵6送入膜加湿器对氧气进行加湿，加湿后的氧气进入电堆参15参与反应，从电堆15流出未反应氧气通过汽水分离器14处理后再次流经膜加湿器13，在加湿后重新送入电堆15进行循环利用。
24.同时，氢气水合物储罐1中发生的分解反应生成的大量液态水通过罐底的排水管道经过去离子器4的处理后流入去离子水箱5。该排水管道上的电磁阀3-4用来保持氢气水合物储罐1内一定的液压值。此时，控制冷却水泵6将定量的冷却水从去离子水箱5泵送入电堆15对电堆15进行冷却。从电堆15流出的高温冷却水流经温度传感器7-2，从而获取此时的高温冷却液出堆温度t2反馈给控制端，控制端通过调节电磁阀3-5的开启大小，使得定量高温冷却水流入氢气水合物储罐1。通过罐内管式换热器2放热后的低温冷却水直接进入去离子水箱5，重新参与对电堆15的冷却循环。
25.本发明实施例中，例如水下燃料电池在运行过程中，采用的燃料电池堆由126片单电池组成。额定功率为20kw。电堆开始运行后，氢气从氢气水合物储罐1流出，相对湿度为100％，实时流量为102lpm。氧气实时流量为51lpm。系统稳定运行一段时间后，控制水泵的转速为79.81r/min，将冷却水泵入电堆。同时由温度传感器7获取的冷却液出堆温度t1＝75.1℃。此时电堆实时产热量为17190j/s。在电磁阀3-5的调节下，流量为53.7lpm的高温冷却液流进管式换热器2对氢气水合物进行加热，放热后的低温冷却液温度为69.7℃。同时氢气水合物储罐1内的定量氢气水合物受热分解为氢气和水，达到设定的氢气供气压力pa＝2.8atm后，电磁阀3开启，氢气流入供氢管道，送入电堆15。电堆稳定运行15min后，可测得电堆实时输出功率17.3kw，实时输出电压为88v，实时输出电流为196.6a。
26.经测试本发明提出的以氢气水合物供氢方式的水下燃料电池系统运行效率为69.7％，系统能量密度为297wh/kg。均高于其他类型水下燃料电池系统效率。