CN101740796A - 适用auv的闭式循环燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适用AUV的闭式循环燃料电池系统。包括氢气供应子系统、氧气供应子系统、水热管理子系统、汽水回收子系统和氮气扫气子系统，水热管理子系统的去离子水罐放在AUV重心处，氢气供应子系统的耐高压氢气储气罐设置在去离子水罐的一边，氧气供应子系统的耐高压氧气储气罐和氮气扫气子系统的耐高压氮气储气罐设置在去离子水罐的另一边，水热管理子系统管路中的去离子水输送到氢气供应子系统和氧气供应子系统的加湿器中，给气体加湿，汽水回收子系统的汽水分离器中的液态水汇集到水热管理子系统的水罐中，换热器设置在顶部。本发明结构简单，噪音低，系统内液态水水量变化基本不引起AUV姿态改变。

Description

适用AUV的闭式循环燃料电池系统

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池，具体地说是一种适用AUV的闭式循环燃料电池系统。

背景技术

随着能源问题成为最主要的问题，燃料电池作为一种新能源，被用于很多移动设备中。我国已经成功地将燃料电池装置用于汽车上，而国外已经有很多将燃料电池装置用于AUV的成功案例。

上海神力公司已经研制成功了燃料电池系统。中国专利申请请号为01239079.8的专利文件中公开了燃料电池系统的水热管理子系统。中国专利申请请号为CN 01113249.3的专利文件中公开了燃料电池的气体供气子系统和汽水回收子系统。但这些系统不能适应AUV的工作环境。

由于在AUV这个特殊的工作环境下，燃料电池系统需要满足：在有限的空间内工作；低噪声；航行过程中不引起AUV姿态变化等条件。对于解决航行过程中不引起AUV姿态变化这个问题，由于燃料电池装置内有液态水生成，在AUV航行过程中，液态水水量会发生变化，故引起AUV的姿态改变。对于解决有限工作空间这个问题，国内外有很多技术用来解决这个问题，一般都是将燃料电池系统产生的尾气回收利用，最有效的方法是US 10/300,479的专利文件中公开的技术方案，将循环泵和电磁阀并联，通过调节循环泵的流量或者电磁阀的开关，在确保反应电堆内的气体压力达到设定值的同时，尾气被重新利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，噪音低，系统内液态水水量变化基本不引起AUV姿态改变的适用AUV的闭式循环燃料电池系统。

本发明的目的是这样实现的：

包括氢气供应子系统、氧气供应子系统、水热管理子系统、汽水回收子系统和氮气扫气子系统，水热管理子系统的去离子水罐放在AUV重心处，氢气供应子系统的耐高压氢气储气罐设置在去离子水罐的一边，氧气供应子系统的耐高压氧气储气罐和氮气扫气子系统的耐高压氮气储气罐设置在去离子水罐的另一边，水热管理子系统管路中的去离子水输送到氢气供应子系统和氧气供应子系统的加湿器中，给气体加湿，汽水回收子系统的汽水分离器中的液态水汇集到水热管理子系统的水罐中，换热器设置在顶部。

所述氢气供应子系统由耐高压氢气罐11、氢气侧减压阀12、氢气侧电磁阀13、氢气侧流量调节阀14、第一加湿器17、电池阳极侧1连接组成，为燃料电池供应燃料。

所述氧气供应子系统由耐高压氧气罐31、氧气侧减压阀32、氧气侧电磁阀34、氧气侧流量调节阀35、第二加湿器42、电池阴极侧1连接组成，为燃料电池供应氧气。

所述水热管理子系统由水路背压调节阀69、水泵67、板式换热器64和燃料电池水冷侧1连接组成，海水作为换热器的冷却水，第一加湿器17和第二加湿器42串联在水热管理子系统上。

所述汽水回收子系统由第一汽水分离罐24、第二汽水分离罐38、第八电磁阀23、第九电磁阀37、第十电磁阀82、第十一电磁阀81连接组成，第十电磁阀82、第十一电磁阀81定期将汽水分离罐中的水排放到去离子水罐中。

所述氮气扫气子系统由耐高压氮气罐51、氮气侧减压阀52、连个氮气侧电磁阀56、57、燃料电池1连接组成。

本发明基于上海神力公司研制成功的燃料电池系统，对燃料电池系统的水热管理子系统专利CN 01239079.8，气体供气子系统和汽水回收子系统专利CN01113249.3进行改进。通过管路的重新设计和加湿器、换热器的特殊选材，将本来相互分离开的水热管理子系统与气体子系统(气体供气子系统和汽水回收子系统)连接在一起，简化了管路，更能适应AUV的工作环境。

对于解决低噪声这个问题，本发明采用专利CN 1405912A，用一个传感器、一个开关装置和一个调节装置代替气体循环泵完成氧气和氢气的回收利用；本发明充分利用了AUV在海水里航行这个优势，水热管理子系统中特殊设计的换热器，通过调节海水流量自动冷却换热器。另外，为了让闭式循环燃料电池系统的反应热量得到回收利用并且装置体积更小，本发明在管路的设计上有一些优化改进。

本发明正是在这个背景下解决了噪音低、液态水存储等问题，设计了一种结构简单且工作效果良好的适用于AUV的闭式循环燃料电池系统。

本发明根据已有的燃料电池系统，设计了一种更适用于AUV的闭式循环燃料电池系统，此系统结构简单，噪音低，系统内液态水水量变化基本不引起AUV姿态改变。

本发明的整个系统中只有水热管理子系统的水泵是主要的噪声源，水泵是系统中相对消耗能量最多的辅助设备，基本满足系统低噪声的要求。

本发明的水热管理子系统选取大压头的水泵以确保去离子水克服阻力在管路中流动。本发明选用列管式的加湿器，列管内通气体，列管和外壳之间通去离子水给气体加湿，并将加湿器串联在水热管理子系统的管路上，将管路中携带有电堆反应热量的去离子水给加湿器，为气体加湿，而不需要再从去离子水罐中抽取去离子水外部加热后，再给加湿器，电堆的反应热量得到回收利用。

本发明将汽水回收子系统的汽水分离罐放在水热管理系统的去离子水罐的上面，中间有一个电磁阀。每过一段时间，打开电磁阀，让汽水分离罐中的水汇集到去离子水罐中。将水罐放在AUV的重心处，AUV在航行过程中，如果液态水水量变化了，AUV姿态基本不改变。

本发明利用AUV在大海航行的优势，在水热管理子系统中设计了一种结构特殊的换热器，安置在AUV的外耐压壳体和水密耐压壳体之间，将海水作为换热器的冷却水。在长方体形的换热器的长轴方向有很多水平放置的圆柱形的列管，在圆柱形的列管的两个端口都有控制列管开启闭合的阀门。去离子水在列管外侧和长方体壳之间流动，如果两个阀门都开启，根据连通器原理，海水会自动流进圆柱形的列管内，冷却去离子水。根据海水的温度，通过控制打开的圆柱形列管数调节冷却水的流量，来控制换热器的换热程度，进而控制电堆进口和出口的去离子水温度。

本发明的闭式循环燃料电池系统的噪音低，反应热量得到回收利用，AUV航行过程中，液态水水量变化不引起AUV姿态改变。

附图说明

图1是闭式循环燃料电池系统在AUV中的具体实施图；

图2是闭式循环燃料电池系统的外部控制原理图；

图3是系统装置在AUV内的摆放位置；

图4是系统装置在AUV内的放大图；

图5是换热器的主视图；

图6是换热器的左视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的闭式循环燃料电池系统有五个辅助子系统。氢气供应子系统，包括耐高压氢气罐11、氢气侧减压阀12、氢气侧电磁阀13、氢气侧流量调节阀14、加湿器17、电池阳极侧1，为燃料电池供应燃料；氧气供应子系统，包括耐高压氧气罐31、氧气侧减压阀32、氧气侧电磁阀34、氧气侧流量调节阀35、加湿器42、电池阴极侧1，为燃料电池供应氧气；水热管理子系统依次包括氢氧加湿器1742、水路背压调节阀69、水泵67、板式换热器64和燃料电池水冷侧1，海水作为换热器的冷却水，将加湿器串联在水热管理子系统上，电堆反应热量得到回收利用；汽水回收子系统依次包括汽水分离罐23、38和电磁阀08、09、82、81，电磁阀08、09代替了气体背压阀的作用，保证气体压力达到设定值，电磁阀82、81定期将汽水分离罐中的水排放到去离子水罐中；氮气扫气子系统依次包括耐高压氮气罐51、氮气侧减压阀52、氮气侧电磁阀56、57、燃料电池1和系统中别的管路。整个系统中只有水热管理子系统的水泵是主要的噪声源，水泵是系统中相对消耗能量最多的辅助设备。

在AUV下水之前对整个闭式循环燃料电池装置进行扫气，关闭电磁阀14、34，依次打开电磁阀22、39，减压阀52、过滤器54、电磁阀55、56、57，扫气开始，当压力传感器21、40为最高限值时，扫气停止。

发明所采用的对闭式循环燃料电池系统的控制策略是通过闭环控制使氢气/氧气/循环水回路的压力18、43、71维持在设定值，且氢氧压差小于±0.5bar，循环水回路背压小于氢氧回路压力。当氢/氧压差大于±0.5bar时，氢氧回路压力21、40较高的一方联锁用PID控制器的输出控制燃料电池进口的调节阀15、35，直到压力恢复正常范围内时关闭燃料电池进口的调节阀15、35。当循环水的压力71高于氢/氧压力时，将氢氧回路压力21、40较小的一方作为循环水路背压控制的设定值直到压力恢复正常。汽水回收子系统，压力传感器21、40的值大于设定的最大值时，电磁阀24开启；当压力传感器21、40的值小于设定的最小值时，电磁阀37关闭。水热管理子系统，通过调节海水的流量控制进入电堆的去离子水温度61，以保证电堆出口的去离子水温度70为设定值。

结合图2，水面计算机200给出控制信号，通过声学传感器202将信号传给AUV，AUV控制单元203根据速度信号和检测到的海水温度信号解算得到燃料电池系统的进气压力信号和换热器海水流量信号，燃料电池控制单元根据进气压力信号和海水流量信号控制燃料电池系统206，而蓄电池单元包括蓄电池208、超级电容204和DC/DC转换器205配合燃料电池系统一起给推进器和舵209供电。

水面计算机200给出控制信号要求AUV启动，闭式循环燃料电池系统也启动，水热管理机构依次打开水泵66、水路背压阀69和氢氧加湿器17、42。同时，氢气供气机构和氧气供气机构依次打开减压阀12、32、电磁阀14、34。汽水回收机构打开汽水分离罐23、38。汽水分离罐和去离子水罐之间的电磁阀，每隔一段时间之后开启，将汽水分离罐中的水流入去离子水罐中。

当水面计算机200给出控制信号要求AUV改变速度，气体调节阀15、35和水路背压阀69根据协调AUV功率匹配的控制策略和燃料电池系统内部的控制策略作出相应的动作。

当水面计算机200给出控制信号要求AUV停车，或者闭式循环燃料电池遇到紧急报警要求停车，水泵66、氢气电磁阀14和氧气电磁阀55立刻同时关闭。

结合图3，系统装置305放在AUV的中间位置，控制单元304和蓄电池单元303配合闭式循环燃料电池系统一起工作。控制单元包括AUV控制单元和燃料电池控制单元，水面计算机负责给出速度指令，AUV控制单元负责速度到气体压力和冷却水流量的解算，工业以太网与燃料电池控制单元连接，燃料电池控制单元负责为电磁阀、调节阀、水泵、循环泵等提供工作信息，采集工作信息，并且通过PID控制气体压力、水路压力和水路进堆温度。换热器301安置在水密耐压壳体306和AUV外耐压壳体307之间，用壳体之间的海水作为换热器的冷却水，打开换热器两端的阀门310、309后，海水经由管路308流入，换热后，经由管路302流出。

结合图4，为了平衡AUV重量，去离子水罐405放在AUV重心处，耐高压氢气储气罐411在装置的左边，耐高压氧气储气罐412和耐高压氮气储气罐413在装置的右边。水热管理子系统管路中的去离子水输送到气体供应子系统的加湿器406、407中，给气体加湿。汽水回收子系统的汽水分离器中的液态水汇集到水热管理子系统的水罐中。换热器401安置在装置的顶部。

结合图5和图6，在长方体型的换热器的长轴方向有很多水平放置的圆柱形的列管，在圆柱形的列管的两个端口都有控制开启闭合的阀门501。去离子水在列管外侧和长方体壳之间流动，如果两个端口阀门都开启，海水就进入列管，冷却去离子水。根据海水温度，通过控制打开的圆柱形列管数，来控制换热器的换热程度，进而控制进入电堆的去离子水温度。

Claims (6)

1.一种适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：包括氢气供应子系统、氧气供应子系统、水热管理子系统、汽水回收子系统和氮气扫气子系统，水热管理子系统的去离子水罐放在AUV重心处，氢气供应子系统的耐高压氢气储气罐设置在去离子水罐的一边，氧气供应子系统的耐高压氧气储气罐和氮气扫气子系统的耐高压氮气储气罐设置在去离子水罐的另一边，水热管理子系统管路中的去离子水输送到氢气供应子系统和氧气供应子系统的加湿器中，给气体加湿，汽水回收子系统的汽水分离器中的液态水汇集到水热管理子系统的水罐中，换热器设置在顶部。

2.根据权利要求1所述的适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：所述氢气供应子系统由耐高压氢气罐[11]、氢气侧减压阀[12]、氢气侧电磁阀[13]、氢气侧流量调节阀[14]、第一加湿器[17]、电池阳极侧[1]连接组成，为燃料电池供应燃料。

3.根据权利要求2所述的适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：所述氧气供应子系统由耐高压氧气罐[31]、氧气侧减压阀[32]、氧气侧电磁阀[34]、氧气侧流量调节阀[35]、第二加湿器[42]、电池阴极侧[1]连接组成，为燃料电池供应氧气。

4.根据权利要求3所述的适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：所述水热管理子系统由水路背压调节阀[69]、水泵[67]、板式换热器[64]和燃料电池水冷侧[1]连接组成，海水作为换热器的冷却水，第一加湿器[17]和第二加湿器[42]串联在水热管理子系统上。

5.根据权利要求4所述的适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：所述汽水回收子系统由第一汽水分离罐[24]、第二汽水分离罐[38]、第八电磁阀[23]、第九电磁阀[37]、第十电磁阀[82]、第十一电磁阀[81]连接组成，第十电磁阀[82]、第十一电磁阀[81]定期将汽水分离罐中的水排放到去离子水罐中。

6.根据权利要求5所述的适用AUV的闭式循环燃料电池系统，其特征是：所述氮气扫气子系统由耐高压氮气罐[51]、氮气侧减压阀[52]、连个氮气侧电磁阀[56、57]、燃料电池[1]连接组成。

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