CN106059095A - 一种基于海水的能量供应系统及其应用 - Google Patents

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贺凤娟
徐玉杰
郭丛
汪翔
陈海生
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Abstract

一种基于海水的能量供应系统，包括锂电池系统、镁海水电池系统、氢氧燃料电池系统和控制系统，其中，所述镁海水电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；所述氢氧燃料电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；所述锂电池系统电能端口根据负荷需求情况经控制器连接至用电装置或供电装置。以及提供该能量供应系统在海底动力系统中的应用。该能量供应系统将三种电池的优点结合于一体，其中氢氧燃料电池氢气供应单元的氢气部分来自所述镁海水电池系统产生的氢气，电池系统产热可用于潜器生活舱内温度保障或供应生活用热等，实现了能的梯级利用，具有高能量密度、低成本等优势，可应用于各种海底动力系统。

Description

一种基于海水的能量供应系统及其应用
技术领域
本发明涉及一种能量供应系统，进一步涉及一种基于海水的能量供应系统，以及该能量供应系统在船舶、潜水器等海底动力系统中的应用。
背景技术
海洋占据着世界面积的71％，蕴藏着丰富的海底资源，同时也是最有发展潜力的战略空间。随着海洋开发技术的不断发展，水下潜器、无人缆控深潜器、载人潜器等海洋工作潜器将在水下信息搜集、矿物探测及武器运载等领域中发挥着越来越重要的载体作用。能量动力系统作为海洋工作潜器的“心脏”，对续航时间、航行半径、航速、水下作业量等有决定性的影响。其性能是衡量海洋工作潜器优劣的重要指标。
由于潜器使用环境的特殊性，电池成为其在水下的唯一动力来源。目前，在深潜器上应用比较成熟的电池有铅酸电池、镉镍电池、锌银二次电池等传统电池，但由于比能量和能量密度、成本、自放电效应、寿命等因素的限制，严重制约了水下深潜器发展；同时热、生活用水、氧气也是水下潜器等潜器维持生命系统所必需的资源。新一代水下空间站等潜器对电源的比能量的要求是120-150Wh/kg，未来要求更高，同时要求十分安全生命维持系统，而现行技术尚无综合的解决方案。因此寻求一种具有高比能量、高比功率、低成本等优点，同时又可提供热/水等能量的海底能量供应系统，成为海洋能量供应系统需要解决的重要问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于海水的能量供应系统及将该能量供应系统应用于船舶、潜水器等海底动力系统。
根据本发明的一方面，提供一种基于海水的能量供应系统，其中该能量供应系统包括锂电池系统、镁海水电池系统、氢氧燃料电池系统和控制系统，其中，
所述镁海水电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；
所述氢氧燃料电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；
所述锂电池系统电能端口根据负荷需求情况经控制器连接至用电装置或供电装置。
优选的，所述镁海水电池系统包括镁海水电池单元，镁海水电池单元的正极和负极作为镁海水电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
优选的，所述镁海水电池系统还包括燃料及氧化剂供应系统，用于为所述镁海水电池单元提供燃料电池反应所需燃料和氧化剂。
优选的，所述镁海水电池系统还包括产物处理单元，产物处理单元包括气/固/液分离器和第一余热回收装置，其中，
所述气/固/液分离器连接所述镁海水电池单元，对镁海水电池所产生的氢气、固体、液体排放物进行分离，分离得到氢气；
所述第一余热回收装置连接并从气/固/液分离器获得热量，所得热量用于潜器生活舱内温度保障或供应生活用热，或者该热量通过流动的海水循环利用。
优选的，所述氢氧燃料电池系统包括氢氧燃料电池单元，氢氧燃料电池单元的正极和负极作为氢氧燃料电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
优选的，所述氢氧燃料电池系统还包括氢气供应单元和氧化剂供应单元，用于为所述镁氢氧燃料电池单元提供氢气燃料和氧化剂，所述氢气供应单元的氢气部分来自所述镁海水电池系统产生的氢气。
优选的，所述氢氧燃料电池系统还包括第二余热回收装置，所述第二余热回收装置用于回收所述氢氧燃料电池系统的热量。
优选的，所述热量用于预热氢氧燃料电池燃料及氧化剂，和/或用于提供生活用热。
优选的，氢氧燃料电池系统的产物水用于舱内工作人员的饮用和生活用水，和/或用于加湿燃料电池。
根据本发明的另一方面，提供一种将上述任意一种系统应用于海底动力系统，优选的，所述海底动力系统为船舶或潜水器。
通过上述技术方案，可以看出本发明的有益效果在于：
(1)该能量供应系统将锂电池、镁海水电池、氢氧燃料电池三者结合，提供水下潜器所需的电、热、水和气，满足了新一代水下潜器对电能功率和容量、热能功率和容量、水和气的要求，实现了能的梯级利用，具有较高的能量转化率；
(2)该能量供应系统中锂电池作为镁海水电池和氢氧燃料电池的负荷平衡装置，可确保其在额定工况附近工作，使系统能源效率提高，同时在负荷需求相同的情况下降低了镁海水电池和氢氧燃料电池的容量，减小能量系统体积，有助于降低系统成本；
(3)该系统应用前景广阔，可作为我国船舶、潜器等海底动力系统的最佳候选电源。
附图说明
图1为本发明一实施例基于海水的能量供应系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一实施例基于海水的能量供应系统示意图。.根据本发明的基本构思，提供一种基于海水的能量供应系统，包括锂电池系统、镁海水电池系统、氢氧燃料电池系统和控制系统，其中，
所述镁海水电池系统电能输出端经所述经控制系统接连接用电装置；
所述氢氧燃料电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；
所述锂电池系统电能端口根据负荷需求情况经控制器连接至用电装置或供电装置。
以下将结合附图1，对各组成系统进行详细说明：
参见图1，在本实施例中，对于镁海水电池系统，其包括镁海水电池单元、燃料和氧化剂供应系统、电解液供应系统，以及产物处理系统。
在镁海水电池系统中，所述镁海水电池单元，其正极(阴极)和负极(阳极)作为镁海水电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
对于镁海水电池单元中阳极、阴极以及电解液材料的具体选择，优选的，镁海水电池单元阳极活性物质为镁或镁合金，阴极氧化剂可采用氧气或过氧化氢。优选的，氧气可直接来自海水，以减少制氧能耗。镁海水电池单元电解过程中采用海水作为电解液，过氧化氢以及电解液通过液体泵泵入镁海水电池单元中。
镁海水电池反应过程中，阳极端的镁或镁合金失去电子，生成镁离子，发生氧化反应；阴极端的氧气或者过氧化氢得电子后还原为氧离子，电解液中的阴阳离子产生定向移动从而形成电流，产生电能后输送至控制系统以给用电装置供电。
在镁海水电池系统中，所述燃料及氧化剂供应系统用于为所述镁海水电池单元提供燃料电池反应所需燃料和氧化剂。其中氧气为过氧化氢或者氧气，燃料为镁及其合金。
在镁海水电池系统中，所述产物处理单元包括气/固/液分离器和第一余热回收装置，气/固/液分离器连接所述镁海水电池单元，对镁海水电池所产生的氢气、固体、液体排放物进行分离，分离得到氢气；所述第一余热回收装置连接并从气/固/液分离器获得热量，所得热量用于潜器生活舱内温度保障或热量供应，或者该热量通过流动的海水循环利用。优选的，所述第一预热回收装置为换热器，换热器可以为单个形式存在或者多个组合形式。
参见图1，在本实施例中，所述氢氧燃料电池系统包括氢氧燃料电池单元、氢气供应系统、氧化剂供应系统、第二余热回收装置。
在氢氧燃料电池系统中，氢氧燃料电池单元的正极(阴极)和负极(阳极)作为氢氧燃料电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
对于氢氧燃料电池单元中阳极、阴极以及电解液材料的具体选择，氢氧燃料电池单元阳极活性物质为氢气，优选的，部分氢气来自于镁海水电池阳极析出的氢气，其余则通过氢气储罐或其他制氢方式获取，阴极氧化剂可采用氧气钢瓶供氧气、空气。
为降低成本，优先选择采用空气作为氧化剂。
氢氧燃料电池反应过程中，阳极端燃料氢气失去电子，成为氢离子，进入电解液，阴极端氧化剂氧气或空气同电解液中的氢离子吸收电子，生成水，产生电能后输送至控制系统以给用电装置供电。
在氢氧燃料电池系统中，所述氢气供应单元和氧化剂供应单元，用于为所述镁氢氧燃料电池单元提供氢气燃料和氧化剂，所述氢气供应单元的氢气部分来自所述镁海水电池系统产生的氢气。
在氢氧燃料电池系统中，所述第二余热回收装置包括换热器，用于回收所述氢氧燃料电池系统的热量。换热器可以为单个形式存在或者多个组合形式。优选的，所述热量用于预热氢氧燃料电池燃料及氧化剂，和/或用于提供生活用热。
优选的，氢氧燃料电池系统的产物水用于舱内工作人员的饮用和生活用水，和/或用于加湿燃料电池。
参见图1，在本实施例中，锂电池作为镁海水电池和氢氧燃料电池的负荷平衡装置，确保其在额定工况附近工作，使系统能源效率提高，即当镁海水电池与氢氧燃料电池额定供电量高于用电需求时，锂电池为蓄能装置，镁海水电池与氢氧燃料电池经多余电量经控制器输出至锂电池，直至充满，反之，锂电池为释能装置，与镁海水电池及氢氧燃料电池一起供电至用电装置。
根据本发明的同一构思，还提供一种将以上所述能量供应系统应用于海底动力系统。
优选的，所述海底动力系统为船舶或潜水器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于海水的能量供应系统，其特征在于，包括锂电池系统、镁海水电池系统、氢氧燃料电池系统和控制系统，其中，
所述镁海水电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；
所述氢氧燃料电池系统电能输出端经所述控制系统连接用电装置；
所述锂电池系统电能端口根据负荷需求情况经控制器连接至用电装置或供电装置。
2.根据权利要求1所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述镁海水电池系统包括镁海水电池单元，镁海水电池单元的正极和负极作为镁海水电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
3.根据权利要求1所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述镁海水电池系统还包括燃料及氧化剂供应系统，用于为所述镁海水电池单元提供燃料电池反应所需燃料和氧化剂。
4.根据权利要求2所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述镁海水电池系统还包括产物处理单元，产物处理单元包括气/固/液分离器和第一余热回收装置，其中，
所述气/固/液分离器连接所述镁海水电池单元，对镁海水电池所产生的氢气、固体、液体排放物进行分离，分离得到氢气；
所述第一余热回收装置连接并从气/固/液分离器获得热量，所得热量用于潜器生活舱内温度保障或供应生活用热，或者该热量通过流动的海水循环利用。
5.根据权利要求1所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述氢氧燃料电池系统包括氢氧燃料电池单元，氢氧燃料电池单元的正极和负极作为氢氧燃料电池系统电能输出端经控制系统连接用电装置。
6.根据权利要求5所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述氢氧燃料电池系统还包括氢气供应单元和氧化剂供应单元，用于为所述镁氢氧燃料电池单元提供氢气燃料和氧化剂，所述氢气供应单元的氢气部分来自所述镁海水电池系统产生的氢气。
7.根据权利要求5所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述氢氧燃料电池系统还包括第二余热回收装置，所述第二余热回收装置用于回收所述氢氧燃料电池系统的热量。
8.根据权利要求7所述的基于海水的能量供应系统，其特征在于，所述热量用于预热氢氧燃料电池燃料及氧化剂，和/或用于提供生活用热。
9.根据权利要求1所述的一种基于海水的能量供应系统，其特征在于，氢氧燃料电池系统的产物水用于舱内工作人员的饮用和生活用水，和/或用于加湿燃料电池。
10.将权利要求1-9任意一项所述能量供应系统应用于海底动力系统，优选的，所述海底动力系统为船舶或潜水器。
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