CN108539226A - 一种用于水下长时间发电的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下长时间发电的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括双氧水储存单元(1)、甲醇储存单元(2)、制氧反应器(3)、汽液分离器(4)、制热反应器(5)、制氢反应器(6)、气体分离器(7)、发电单元(8)以及电能控制单元(9)；所述电能控制单元(9)与双氧水储存单元(1)、甲醇储存单元(2)、制热反应器(5)、发电单元(8)相连接，用于控制管理发电与用电。本发明所述系统能够安全、高效地利用双氧水和甲醇产生发电效应，具有高效、结构紧凑、可靠性高以及环保等突出优点，在水下发电系统方面具有广泛的应用前景。

Description

一种用于水下长时间发电的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发电领域，尤其涉及一种可用于水下长时间发电的燃料电池系统。
背景技术
随着全球经济的快速增长，人们的生活水平也随之日益改善。同时人们也越来越清醒地认识到能源是人类生存、经济发展以及社会进步的重要物质基础。因此，开发绿色能源，实现可持续发展，改善生存环境已成为关乎人类生存的重要课题。鉴于此，燃料电池作为一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到了国内外的普遍重视。
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池及熔融碳酸盐燃料电池等。
燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。在水下潜艇方面，燃料电池作为潜艇AIP(不依赖空气推荐装置)动力源，第一艘燃料电池AIP潜艇于2002年首次下水。FC-AIP潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。
氢能是一种可再生的绿色能源，氢的燃烧值是所有燃料中最高的，氢能可以和电能进行高效率的可逆转换，氢燃料电池因具有诸多优点而受到重视。目前，主要的制氢方式仍是化学制氢，从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气。
甲醇水蒸汽重整制氢是近年来发展较快的制氢方法，具有操作方便、原料易得、反应条件温和、副产物少等优点。甲醇水蒸汽重整制氢的工艺流程如图2所示。甲醇水蒸汽重整制氢的反应式如下：
CH3OH+H2O＝CO2+3H2 ΔH＝40.5kJ/mol；
申请号为201610950882.7的中国专利公布了一种水下甲醇燃料电池动力系统需要携带高压液氧储罐提供氧气，而液氧的携带虽然比液氢的携带难度要小，但在水下密闭环境中携带液氧仍然存在安全隐患。此外，该系统中制氢反应所需的热量需要通过消耗一部分氢氧燃料电池产生的电能通过电加热方式供热。而使用双氧水作为原料制备氧气，并采用甲醇与氧气的放热反应提供热量能有效的解决以上两个问题。
双氧水又称过氧化氢，发现于1818年的法国。双氧水在催化剂的作用下可以分解产生氧气和水，反应产物没有任何污染。双氧水分解的化学反应式如下：
2H2O2＝2H2O+O2；
甲醇与氧气的放热反应化学式如下：
2CH3OH+3O2＝2CO2+4H2O ΔH＝-1452kJ/mol。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可用于水下长时间发电的燃料电池系统，采用易于携带的液体甲醇和双氧水为原料，其结构紧凑，无机械运动部件，噪声小，能量利用效率高，可靠性较高，反应副产物环保无污染；采用了氢能这种可再生的绿色能源作为动力源，能量利用效率较高。本发明提供的可用于水下长时间发电的燃料电池系统在水下潜器发电领域具有广阔的发展前景。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于水下长时间发电的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括双氧水储存单元1、甲醇储存单元2、制氧反应器3、汽液分离器4、制热反应器5、制氢反应器6、气体分离器7、发电单元8以及电能控制单元9；
所述电能控制单元9与双氧水储存单元1、甲醇储存单元2、制热反应器5、发电单元8相连接，用于控制管理发电与用电；
双氧水储存单元1的双氧水输入制氧反应器3中，反应产物通过汽液分离器4分离，分离水输入制氢反应器7，分离氧分别输入制热反应器5和发电单元8；
甲醇储存单元2中的甲醇液体分别输入制热反应器5和制氢反应器6；在制热反应器5中，甲醇与氧气发生放热反应，产生的热量传导至制氢反应器6，为制氢反应提供热量；在制氢反应器6中，在催化剂和输入热量的作用下与水进行重整制氢的化学反应，生成氢气和二氧化碳，通过气体分离器7分离出的氢气进入发电单元8；
在发电单元8中，氧气和氢气反应发电。
进一步地，汽液分离器4分离的分离氧用于水下生存空间供氧；汽液分离器4分离的分离水和发电单元8产生的水用于水下生存空间供水。
优选地，所述气体分离器7采用膜分离技术分离二氧化碳和氢气。
优选地，所述发电单元8采用质子交换膜型的氢氧燃料电池发电。
优选地，双氧水储存单元1和甲醇储存单元2中所携带的过氧化氢和甲醇质量之比为3～5。
优选地，双氧水储存单元1包括双氧水储罐和开关阀。
优选地，所述甲醇储存单元2包括甲醇储罐和开关阀。
本发明的燃料电池系统工作原理如下：
双氧水从双氧水储存单元1进入制氧反应器3中发生化学反应产生水和氧气，通过汽液分离器4分离出水和氧气，分离出的一部分水进入制氢反应器6，分离出的氧气分成两路，一部分氧气进入制热反应器5，另一部分氧气进入发电单元8；而甲醇液体从甲醇储存单元2流出后分两路，一部分甲醇进入制热反应器5后与氧气发生放热反应，产生的热量传导至制氢反应器6，为制氢反应提供热量，另一部分甲醇进入制氢反应器6中，在催化剂和输入热量的作用下与水进行重整制氢的化学反应，生成氢气和二氧化碳，通过气体分离器7分离出的氢气进入发电单元8；进入发电单元8的氧气和氢气在反应池中通过氢氧离子交换膜产生正电荷和负电荷以达到发电的目的。
一种可靠性好、效率较高的用于水下长时间发电的燃料电池系统，它利用甲醇和过氧化氢为原料，通过甲醇重整制氢和过氧化氢制氧获得氢气和氧气，达到以化学燃料电池产生发电效应的目的，且通过甲醇与氧气的放热反应提供甲醇重整制氢所需的热量；本发明所述系统能够安全、高效地利用双氧水和甲醇产生发电效应，具有高效、结构紧凑、可靠性高以及环保等突出优点，在水下发电系统方面具有广泛的应用前景。
本发明的可用于水下长时间发电的燃料电池系统，其优点在于：采用氢氧燃料电池作为动力源，可以形成一种高效发电的能量利用方式，具有效率高的显著优点；采用液体甲醇和双氧水为原料，易于携带且安全性好；采甲醇水蒸汽重整制氢反应、甲醇与氧气制热反应和双氧水分解反应的反应副产物是环境友好型的；该发电系统无机械运动部件，振动小，可靠性高，运行周期更长。本发明在水下潜器发电系统方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1可用于水下无人潜艇长时间发电的燃料电池系统的结构示意图；
图2是实施例2可用于水下载人潜艇长时间发电的燃料电池系统的结构示意图；
附图标记说明：
1、双氧水储存单元；2、甲醇储存单元；3、制氧反应器；4、汽液分离器；5、制热反应器；6、制氢反应器；7、气体分离器；8、发电单元；9、电能控制单元。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明高效利用氢氧燃料电池系统的动力源，通过甲醇水蒸汽重整反应和双氧水分解反应制取氢气和氧气，并采用甲醇和氧气的制热反应为制氢反应提供所需的热量，可以用于水下长时间发电的潜器设备。与传统的柴油发电机或是斯特林发动机相比，它没有机械运动不见，振动小，隐蔽性更好；与传统的储氢和储氧方式相比，通过化学反应制取氢气和氧气可以提高系统的可靠性和安全性，易于实现在水下潜艇发电系统中的实际应用。
实施例1
如图1所示，本实施例1的可用于水下长时间发电的燃料电池系统，包括双氧水储存单元1、甲醇储存单元2、制氧反应器3、汽液分离器4、制热反应器5、制氢反应器6、气体分离器7、发电单元8以及电能控制单元9；所述双氧水储存单元1包括双氧水储罐和开关阀；所述甲醇储存单元2包括甲醇储罐和开关阀；所述电能控制单元9与甲醇储存单元2、双氧水储存单元1、制热反应器5、发电单元8相连接，起到控制管理发电与用电的作用；
本实施例1的可用于水下无人潜艇长时间发电的燃料电池系统通过双氧水分解反应和甲醇水蒸汽重整反应制取氧气和氢气，通过甲醇和氧气制热反应为甲醇重整制氢提供热量；
该可用于水下长时间发电的燃料电池系统在工作时，双氧水从双氧水储存单元1)(含过氧化氢2045kg)进入制氧反应器3中发生化学反应产生水和氧气，通过汽液分离器4分离出水和氧气，分离出的一部分水进入制氢反应器6，分离出的氧气分成两路，一部分氧气进入制热反应器5，另一部分氧气进入发电单元8；而甲醇液体从甲醇储存单元2(含甲醇640kg)流出后分两路，一部分甲醇进入制热反应器5后与氧气发生放热反应，产生的热量传导至制氢反应器6，为制氢反应提供热量，另一部分甲醇进入制氢反应器6中，在催化剂和输入热量的作用下与水进行重整制氢的化学反应，生成氢气和二氧化碳，通过气体分离器7分离出的氢气进入发电单元8；进入发电单元8的氧气和氢气在反应池中通过氢氧离子交换膜产生正电荷和负电荷以达到发电的目的。
所述气体分离器7采用膜分离技术分离二氧化碳和氢气。
所述发电单元8采用质子交换膜型的氢氧燃料电池发电。
实施例2：
如图2所示，本实施例2的可用于水下载人潜艇长时间发电的燃料电池系统，双氧水储存单元1、甲醇储存单元2、制氧反应器3、汽液分离器4、制热反应器5、制氢反应器6、气体分离器7、发电单元8以及电能控制单元9；所述双氧水储存单元1包括双氧水储罐和开关阀；所述甲醇储存单元2包括甲醇储罐和开关阀；所述电能控制单元9与甲醇储存单元2、双氧水储存单元1、制热反应器5、发电单元8相连接，起到控制管理发电与用电的作用；
如图2所示，本实施例2的可用于水下载人潜艇长时间发电的燃料电池系统，其工作原理。液体双氧水从过双氧水储存单元1(含过氧化氢2500kg)进入制氧反应器3发生分解反应，生成的水和氧气通过气液分离器4分离，一部分水进入制氢反应器6，一部分氧气进入制热反应器5，一部分氧气进入发电单元8，剩下的水和氧气为载人潜艇供水和氧气；液体甲醇从甲醇储存单元2(含甲醇640kg)流出后，一部分进入制热反应器5与氧气发生放热反应，热量传导致制氢反应器6，剩余部分甲醇进入制氢反应器6与水在催化剂和输入热量的作用下反应产生二氧化碳和氢气，经气体分离器7分离出的氢气进入发电单元8；进入发电单元8的氧气和氢气在反应池中通过氢氧离子交换膜产生正电荷和负电荷以达到发电的目的，且产生的水也可以用为载人潜艇供水。
所述气体分离器7采用膜分离技术分离二氧化碳和氢气。
所述发电单元8采用质子交换膜型的氢氧燃料电池发电。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括双氧水储存单元(1)、甲醇储存单元(2)、制氧反应器(3)、汽液分离器(4)、制热反应器(5)、制氢反应器(6)、气体分离器(7)、发电单元(8)以及电能控制单元(9)；
所述电能控制单元(9)与双氧水储存单元(1)、甲醇储存单元(2)、制热反应器(5)、发电单元(8)相连接，用于控制管理发电与用电；
双氧水储存单元(1)的双氧水输入制氧反应器(3)中，反应产物通过汽液分离器(4)分离，分离水输入制氢反应器(7)，分离氧分别输入制热反应器(5)和发电单元(8)；
甲醇储存单元(2)中的甲醇液体分别输入制热反应器(5)和制氢反应器(6)；在制热反应器(5)中，甲醇与氧气发生放热反应，产生的热量传导至制氢反应器(6)，为制氢反应提供热量；在制氢反应器(6)中，在催化剂和输入热量的作用下与水进行重整制氢的化学反应，生成氢气和二氧化碳，通过气体分离器(7)分离出的氢气进入发电单元(8)；
在发电单元(8)中，氧气和氢气反应发电。
2.按权利要求1所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，汽液分离器(4)分离的分离氧用于水下生存空间供氧；汽液分离器(4)分离的分离水和发电单元(8)产生的水用于水下生存空间供水。
3.按权利要求1或2所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，所述气体分离器(7)采用膜分离技术分离二氧化碳和氢气。
4.按权利要求1或2所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，所述发电单元(8)采用质子交换膜型的氢氧燃料电池发电。
5.按权利要求1或2所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，双氧水储存单元(1)和甲醇储存单元(2)中所携带的过氧化氢和甲醇质量之比为3～5。
6.按权利要求1或2所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，双氧水储存单元(1)包括双氧水储罐和开关阀。
7.按权利要求1或2所述的用于水下长时间发电的燃料电池系统，其特征在于，所述甲醇储存单元(2)包括甲醇储罐和开关阀。
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