CN102460797A - 用于潜艇的包含燃料电池的发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种潜艇，其包括发电设备，所述发电设备包括燃料电池、含氧气体供应装置、含氢燃料供应装置以及废气排放装置，其特征在于：所述燃料电池(24)是在高温和高压(P)下工作的内重整电池，其工作压强(P)大于或等于所述潜艇(2)的潜水压强(P0)；所述含氧气体供应装置(11)和所述含氢燃料供应装置(15、115)能够使所述含氧气体和所述含氢燃料具有适合于所述工作压强的压强；以及所述废气排放装置(20、220)适于在潜水时把废气排放至所述潜艇的外部。

Description

用于潜艇的包含燃料电池的发电设备
本发明用于潜艇领域，且更特别地用于包括含有燃料电池的类型的发电设备的潜艇的领域。
如今已知不同类型的燃料电池。
针对潜艇艇载的用途，目前设计使用一种基于碳氢化合物的重整来生产氢的艇载系统，该系统与在低温下工作的燃料电池相连。文献GB2250130A公开了一种这样的在低温下工作的电池。
这种发电设备存在许多难点，尤其涉及与安装到潜艇当中有关的约束。因此，电池工作所必需的含氧气体和含氢燃料的存储和供应存在多个难点，比如在实施多个相继的化学反应器时难以掌握其各自的工作参数。
特别地，在电池上游的重整要求使用能够为反应提供必需的能量的特殊催化燃烧器。该燃烧器通过使用氧气来工作。然而，由于潜艇的续航力受其可装载的氧气量的限制，重整燃烧器所使用的氧气因此会导致潜艇的续航力下降。
另外，与在电池内部建立氧化还原反应所需时间对应的设备重启时间较长。
最终，使用这种电池可以达到的理论功率一直减小，并且在任何情况下都不与潜艇推进所需的功率兼容。
本发明的目的在于提出一种以下类型的发电设备，所述发电设备包括燃料电池，所述燃料电池用于装配潜艇并允许应付上述难点，特别地由于仅包括数量减少的构件而允许获得强大的功率，尤其在续航力上具有增强的性能。
为此，本发明的目的在于一种包括发电设备的潜艇，所述发电设备包括燃料电池、含氧气体供应装置、含氢燃料供应装置和废气排放装置。所述潜艇的特征在于：所述燃料电池是在高温高压下工作的内重整电池，所述电池的工作压强大于或等于潜艇的潜水压强；所述含氧气体供应装置和所述含氢燃料供应装置能够使所述含氧气体和所述含氢燃料具有适合于所述工作压强的压强，使得所述含氧气体和所述含氢燃料被直接注入所述电池；所述废气排放装置适于在潜水时把废气排放至所述潜艇的外部。
根据本发明一种特殊的实施方式，所述潜艇包括单独采用或根据所有技术上可能的组合采用的一个或多个以下特征：
-所述废气排放装置包括废气排放管路，所述废气排放管路具有允许将所述工作压强保持在所述潜水压强之上的压强调节阀；
-所述废气排放装置还包括下游燃烧器，所述下游燃烧器的入口一方面连接到所述燃料电池的阴极以及另一方面连接到所述燃料电池的阳极，并且其出口连接到所述压强调节阀；
-所述废气排放装置还包括废气热能回收装置；
-所述废气热能回收装置是二级管路，其包括蒸汽发生器、与交流发电机耦接的汽轮机、蒸汽冷凝器和循环泵，所述蒸汽发生器与所述废气排放管路耦接；
-所述含氧气体供应装置包括适于容纳液相纯氧的氧容器；
-所述含氧气体供应装置包括能产生氧气以供给所述燃料电池的汽化器，和能在适合于所述工作压强的压强下把液氧引入所述汽化器的泵；
-所述含氢燃料供应装置包括碳氢化合物容器和能在所述工作压强下把含氢燃料引入所述燃料电池的泵；
-所述含氢燃料供应装置还包括连接在所述泵和所述燃料电池之间的下游燃烧器，所述下游燃烧器由所述含氧气体供应装置的支路供应助燃剂，所述下游燃烧器构成所述含氢燃料的预热系统；
-至少所述燃料电池被安装在抗压壳内，所述抗压壳的内部压强被维持在所述燃料电池的所述工作压强；
-所述燃料电池的所述工作压强大于或等于10巴，且优选地大于或等于所述潜艇的最大潜水压强。
本发明的目的还在于一种以下类型的用于潜艇的发电设备，其包括燃料电池、含氧气体供应装置、含氢燃料供应装置和废气排放装置。所述设备的特征在于：所述燃料电池是在高温高压下工作的内重整电池，所述电池的工作压强大于或等于所述潜艇的潜水压强；所述含氧气体供应装置和所述含氢燃料供应装置能够使所述含氧气体和所述含氢燃料具有适合于所述工作压强的压强，使得所述含氧气体和所述含氢燃料被直接注入所述电池；所述废气排放装置适于在潜水时把废气排放至所述潜艇的外部。
通过阅读以下仅作为示例给出并参照附图进行的说明将更好地理解本发明及其优点，在附图中：
-图1是根据本发明的潜艇的示意图；
-图2示意性示出在图1的发电设备中实现的内重整电池的一种实施方式；
-图3示出图1的发电设备；
-图4示出图1的发电设备的一种实施变型；以及
-图5示出图1的发电设备的一种实施变型。
图1示意性示出配备能提供电功率的发电设备4的潜艇2。优选地，发电设备4尤其为潜艇2的推进设备6的驱动马达(未示出)供电，并产生足以驱动这些推进设备6的功率。
发电设备4包括电池24，电池24是在高温高压下工作的内重整燃料电池。
该电池的工作温度介于800℃和1000℃之间，且优选地约为950℃。
该燃料电池的工作压强P大于或等于海水施加在潜艇外壳上的潜水压强P0，该潜水压强P0取决于潜艇潜水的深度。潜艇2被设计为能承受小于或等于最大潜水压强P0max的潜水压强P0。燃料电池的工作压强P优选地大于最大潜水压强P0max，且在任何情况下都大于10巴。
在目前设想的由图2示出的实施方式中，电池24包括基本为平面的腔的周期性叠置。
图2示出这种叠置的位于两平面P和P′之间的一个周期。该周期在对称平面A的两侧包括：氧循环腔301、301′，阴极302、302′，电解质膜304、304′，阳极305、305′，重整产物循环腔306、306′，分隔壁307、307′，含氢燃料循环腔308、308′，以及催化中壁309。
电解质膜304和304′分别是把阴极与阳极28分隔开且同时允许离子在阳极与阴极之间进行交换的多孔膜。
催化中壁309由有助于重整的材料制成。该材料例如是镍。
含氢燃料和水蒸气的混合物被直接注入位于两分隔壁307和307′之间的循环腔308和308′内，并沿催化中壁309循环。温度和压强条件使得发生水蒸气重整反应。
作为转化效率较好的重整反应，水蒸气重整(SMR，英语为“SteaMReforming”)是通过碳氢化合物与水进行反应来制造氢的催化吸热反应。例如，如果碳氢化合物是甲烷，则反应如下：
CH4+H2O→CO+3H2
通过对流使该重整反应的产物或重整产物移动并在电池24内循环。其来到重整产物循环腔306和306′内。
因此发生氧化还原反应，该反应在各对阳极/阴极302-305和302′-305′之间产生热量和可用的电流。
电解质膜304和304′的朝向催化中壁309的表面分别具有凸出部310和310′，凸出部310和310′分别与各自相对的分隔壁307和307′接触。这些凸出部形成热桥，这些热桥把氧化还原反应的热量向含氢燃料循环腔308、308′传递，从而使氧化还原反应所产生的热量为维持作为吸热反应的重整反应提供必需的热量。
应注意，重整反应和氧化还原反应在相似的温度下发生。
因此，内重整电池具有使热流管理最优化的优点。特别地，对在稳定状态的工作而言，不再需要重整反应器的加热附加装置，比如消耗氧的燃烧器。
内重整电池还具有允许取消重整装置和净化装置的优点，在现有技术中这些重整装置和净化装置位于电池的上游和外部。因此，使用内重整电池的设备更为紧凑。
再次参照图1，发电设备4包括壳体8，电池24被安装在壳体8的内部。壳体8抗压强并被保持在与电池24的工作压强P相等的内部压强。该设备允许封锁电池24并提高潜艇艇载发电设备的安全性。
在燃料电池的上游，发电设备4包括：含氧气体供应装置，一般由附图标记11表示；以及含氢燃料供应装置，一般由附图标记15表示。
在壳体8的下游，发电设备4包括燃料电池所产生的废气的排放装置，一般由附图标记20表示。废气排放装置20允许把电池24中发生的化学反应的副产品排放到潜艇2的外部(在潜水时直接排放到海中)。因此，不需要在潜艇内部设置废气存储装置，这与现有技术的设备相反。
为此，燃料电池应具有大于潜艇的潜水压强的工作压强，以便产生压强大于潜艇外部水压的废气，而无需借助例如压缩机来增大这些废气的压强。
图3详细示出根据本发明的发电设备4。
在该图上，通过示出构成电流发电机正极的阴极26以及构成发电机负极的阳极28，示意性示出了被安装在抗压壳体8内的电池24。
在电池24的上游，含氧气体供应装置11包括能容纳液氧的容器12以及把容器12与电池24的阴极26连接的管路13。该管路13具有串联设置的泵14和汽化器32。泵14增大从容器12导入的液氧的压强，以将其引入汽化器32，在汽化器32处的主导压强等于燃料电池24的工作压强P。通过对汽化器32传输数量合适的热量，汽化器32允许对由泵14引入的液氧进行汽化，从而为阴极26提供气态氧。
所使用的液氧是二氧O2，且优选地是纯二氧。
基于液氧容器并通过在提高的压强下把液氧引入汽化器的泵的燃料电池的这种供给具有如下优点：为了把氧的压强提高至在壳体内部的主导压强，其比在普通压强下泵吸气体消耗的能量更少。
在燃料电池24的上游，含氢燃料供应装置17包括含氢燃料的容器16和把容器16与燃料电池24的阳极28连接的管路17。管路17具有泵18，该泵允许增大从容器16导入的含氢燃料的压强，以将其直接引向阳极28处，在阳极28处的主导压强等于燃料电池的工作压强P。
含氢燃料是通用化学式为CnHm或CnHmOp的一种碳氢化合物或多种碳氢化合物的混合物。
在燃料电池24的下游，废气排放装置20包括下游燃烧器36，下游燃烧器36的入口通过第一管路34连接到燃料电池24的阴极26并通过第二管路35连接到燃料电池24的阳极28。下游燃烧器36的出口通过排放管路21连接到排放口，该排放口位于潜艇2的外壳上并向外张开。排放管路21具有压强调节阀22，以能够通过控制废气的流量来将电池24的工作压强保持在潜水压强P0之上。
现在将描述潜艇2的发电设备4的工作。
启动含氧气体供应装置11的泵14，以将一定数量的液氧从容器12引入汽化器32，在汽化器32中这些氧将经历相的变化。随后将气态氧引入阴极26。
同时，启动含氢燃料供应装置的泵18，以将一定数量的含氢燃料从容器16直接引入电池24。
在电池24内部，发生含氢燃料的第一水蒸气重整阶段。通过将工作温度提高到约950℃使其可行。在该第一反应阶段期间，含氢燃料按照以下化学反应来转化：
CmHn+mH2O→mCO+(m+n/2)H2
所获得的富含二氢的混合物按照以下反应化学式经历第二氧化还原阶段：
H2+1/2O2→H2O和CO+1/2O2→C02
在第二氧化还原阶段中所产生的一部分水被用在第一水蒸气重整阶段中。因此，发电设备4能自供水。
从电池24排出的废气被引入下游燃烧器36。燃烧完的废气是在燃料电池的工作压强P下从燃烧器36提取的，并在潜水时经由压强调节阀22被排放至潜艇2外的海水中。
在刚才描述的设备中，汽化器32和下游燃烧器36被安装在抗压壳体8当中。
在实施变型中，下游燃烧器36被安装在壳体8的外部和/或汽化器32被安设在壳体8的外部。
为了开始应在电池24内发生的化学反应，发电设备应借助含氢燃料预热系统来启动。一旦电池被启动，燃料预热就不再有用。在刚才介绍的设备中，预热系统位于发电设备4的外部。该系统或者位于码头，或者装载在潜艇2上。
在图4所示的实施变型中，预热系统被集成在发电设备中，从而使得发电系统在启动时能够自主工作。
根据该变型，发电设备104的含氢燃料供应装置115包括上游燃烧器50作为预热系统。上游燃烧器50被放置得与含氢燃料供应管路17的在泵18和阳极28之间的管道117平行。第一阀52和第二阀54允许将上游燃烧器50与管道117连接或分隔开。当第一阀52和第二阀54打开时，由泵18引入一部分含氢燃料流在上游燃烧器50内循环。
上游燃烧器50由与含氧气体供应管路13的支路连接的管道56供应助燃剂。上游燃烧器50被安设在汽化器32的下游。管道56包括第三阀58，第三阀58允许在打开时为上游燃烧器50供应呈气态的含氧气体。
上游燃烧器50仅在发电设备104启动时使用，以实现对应该在燃料电池24处发生的化学反应中使用的装置的预热。一旦开始化学反应，阀52、54和58均关闭，以将上游燃烧器50与供应管路13和17分隔开。从而直接从含氢燃料容器16经由泵18和管道117向着阳极28进行含氢燃料供应。
对于该发电设备的变型，还可以设想出不同的替代方案。特别地，上游燃烧器50可被安装在壳体8的外部。
图5示出图1的发电设备的一种变型。在独立于前述的该变型中，燃料电池及其供应装置与上述实施方式之一相同，但发电设备204的废气排放装置220还包括热能回收装置。事实上，为了提高发电设备的效率，回收废气(这些废气在离开电池24和下游燃烧器时的温度接近950℃)的部分热能是有好处的。
热能回收装置由二级管路60构成。二级管路60包括蒸汽发生器62、汽轮机64、蒸汽冷凝器66以及在二级管路60内循环的液体的循环泵68。
如上述实施方式中一样，气体排放管路21包括压强调节阀22，压强调节阀22允许将上游压强保持得大于潜艇外部的主导压强。
蒸汽发生器62与废气排放管路21连接，作为初级管路的废气排放管路21为二级管路60的液体蒸发提供所需的热量。
如上述实施方式中一样，气体排放管路21包括压强调节阀22，压强调节阀22允许将上游压强保持得大于潜艇外部的主导压强。
汽轮机64与产生附加电功率的交流发电机70耦接。
由二级管路60提供的附加电功率可相当于发电设备204所产生的总电功率的约15％，因此发电设备204具有可以高达65％左右的提高的整体效率。
蒸汽发生器62的使用允许通过回收其部分热能来保持废气的压强势能。因此保留了把废气直接排放到海中的可能性。
根据本发明的发电设备提供大电功率。采用合适的尺寸，可以使这样的发电设备兼容作为潜艇推进设备的供电电源的用途。
使用在高温下工作的燃料电池允许直接在电池内部实现重整反应。此外，该电池远不及低温电池对污染物敏感，从而可以使用大量碳氢燃料来提供氢。使用在高压下工作的燃料电池允许把废气直接排放到海水中。

Claims (12)

1.一种潜艇，其包括发电设备(4、104、204)，所述发电设备(4、104、204)包括燃料电池、含氧气体供应装置、含氢燃料供应装置以及废气排放装置，其特征在于，所述燃料电池(24)是在高温高压下工作的内重整电池，所述电池的工作压强(P)大于或等于所述潜艇(2)的潜水压强(P0)，
所述含氧气体供应装置(11)和所述含氢燃料供应装置(15、115)能够使所述含氧气体和所述含氢燃料具有适合于所述工作压强的压强，使得所述含氧气体和所述含氢燃料被直接注入所述电池，
以及，所述废气排放装置(20、220)能够在潜水时把废气排放至所述潜艇的外部。
2.根据权利要求1所述的潜艇，其特征在于，所述废气排放装置(20、220)包括废气排放管路(21)，所述废气排放管路(21)具有允许将所述工作压强(P)维持在所述潜水压强(P0)之上的压强调节阀(22)。
3.根据权利要求2所述的潜艇，其特征在于，所述废气排放装置(20、220)还包括下游燃烧器(36)，所述下游燃烧器(36)的入口一方面连接到所述燃料电池(24)的阴极(26)以及另一方面连接到所述燃料电池(24)的阳极(28)，并且其出口连接到所述压强调节阀(22)。
4.根据权利要求2或3所述的潜艇，其特征在于，所述废气排放装置(220)还包括废气热能回收装置。
5.根据权利要求4所述的潜艇，其特征在于，所述废气热能回收装置是二级管路(60)，所述二级管路(60)包括蒸汽发生器(62)、与交流发电机(70)连接的汽轮机(64)、蒸汽冷凝器(66)和循环泵(68)，所述蒸汽发生器与所述废气排放管路(21)耦接。
6.根据上述权利要求之一所述的潜艇，其特征在于，所述含氧气体供应装置(11)包括能够容纳液相纯氧的氧容器(12)。
7.根据权利要求6所述的潜艇，其特征在于，所述含氧气体供应装置(11)包括：能够产生氧气以供给所述燃料电池(24)的汽化器(32)，以及能够在适合于所述工作压强(P)的压强下把所述液氧引入所述汽化器的泵(14)。
8.根据上述权利要求之一所述的潜艇，其特征在于，所述含氢燃料供应装置(15、115)包括：碳氢化合物容器(16)，以及能够在所述工作压强(P)下把所述含氢燃料引入所述燃料电池(24)的泵(18)。
9.根据权利要求8所述的潜艇，其特征在于，所述含氢燃料供应装置(115)还包括连接在所述泵(18)和所述燃料电池(24)之间的上游燃烧器(50)，所述上游燃烧器(50)由所述含氧气体供应装置(11)的支路供应助燃剂，所述上游燃烧器(50)构成所述含氢燃料的预热系统。
10.根据上述权利要求之一所述的潜艇，其特征在于，至少所述燃料电池(24)被安装在抗压壳(8)内，所述抗压壳(8)的内部压强被维持在所述燃料电池的所述工作压强(P)。
11.根据上述权利要求之一所述的潜艇，其特征在于，所述燃料电池(24)的所述工作压强(P)大于或等于10巴，且优选地大于或等于所述潜艇(2)的最大潜水压强(P0max)。
12.一种用于潜艇的发电设备，包括燃料电池(24)、含氧气体供应装置(11)、含氢燃料供应装置(15、115)和废气排放装置(20、220)，其特征在于，所述燃料电池(24)是在高温高压下工作的内重整电池，所述电池的工作压强(P)大于或等于所述潜艇(2)的潜水压强(P0)，
所述含氧气体供应装置(11)和所述含氢燃料供应装置(15、115)能够使所述含氧气体和所述含氢燃料具有适合于所述工作压强的压强，使得所述含氧气体和所述含氢燃料被直接注入所述电池，
以及，所述废气排放装置(20、220)适于：在所述潜艇潜水时把废气排放至所述潜艇的外部，而不使所述燃料电池中的压强降低。
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