CN110247136A - 一种封闭式水下铝燃料电池能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式水下铝燃料电池能源系统，包括：设置在封闭外壳内的铝燃料电池堆系统、消氢组件、固体储氧供氧系统和电控盒组件；所述消氢组件为强制对流、催化燃烧型消氢器。本发明通过设置消氢组件，通过化学催化燃烧方式消耗氢气，将系统内的氢气浓度控制在安全范围内，从而保证系统长时间运行的安全性和可行性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种封闭式水下铝燃料电池能源系统。
背景技术
未来水下能源系统必须满足多种不同功能器设备的推进需求。高能量密度，长时间运行是水下能源系统关键重要指标之一。水下无人船只等航行器对比能量的需求，已远远超出了现代最先进的电池的能力。铝燃料电池是一种以铝合金为负极，碱性或中性水溶液为电解液、空气(氧气)电极为正极的化学电源。具有较高的能量密度可以达到300-600Wh/kg，同时也具有安全、无声、成本低等特点，成为水下混合能源的优先选择之一。
铝燃料电池运行过程，铝板不可避免地发生自腐反应，其特点是连续不断产生少量的氢气，在封闭空间内随着长时间运行，氢气浓度会逐渐累计升高，存在安全隐患，需要严格控制封闭空间内的氢气浓度，使之始终保持在安全浓度范围内，从而达到长时间运行的目的。
铝燃料电池在运行中进行氧化还原反应从而对外输出电能，期间需要氧气不断地参与反应。铝燃料电池因此需要可靠、高密度、方便存储的氧源。一方面，高压氧源由于氧密度低不能满足使用要求，另一方面，液氧虽然具有较高的氧密度，但其控制复杂，且存在日蒸发的问题，不方便存储，因此也不是最佳方案。固体储氧技术具有较高的氧密度，同时方便储存，设计可启停的固体储氧供氧系统，是一种封闭空间内方便使用的氧源方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种封闭式水下铝燃料电池能源系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种封闭式水下铝燃料电池能源系统，包括：
设置在封闭外壳内的铝燃料电池堆系统、消氢组件、固体储氧供氧系统和电控盒组件；
所述消氢组件为强制对流、催化燃烧型消氢器。
按上述方案，所述消氢组件包括消氢催化剂、加热丝、风机、温度传感器和氢气传感器；所述风机根据氢气传感器的氢气检测浓度值自动启停；所述加热丝根据温度传感器的气体温度值自动启停。
按上述方案，所述消氢催化剂和加热丝设置在风机进风口处，所述风机包括用于强制对流的进风口和出风口。
按上述方案，所述铝燃料电池堆系统设有氢气浓度传感器和氧气浓度传感器。
按上述方案，所述固体储氧供氧系统为可启停式固体储氧供氧系统，包括承压外壳、氧罐单元、氧气激发电磁阀、安全泄压阀、供氧开关阀和压力传感器；所述氧气激发电磁阀与氧罐单元内置加热激发器相连，所述氧气激发电磁阀根据监测的封闭外壳压力和氧气浓度及承压外壳的压力，判定是否激发氧罐单元内激发器工作，来控制供氧开关阀进行供氧的自启停。
按上述方案，所述水下铝燃料电池系统包括用于对电解液中沉淀物进行在线过滤及收集的电解液过滤系统，所述电解液过滤系统包括电解液循环泵、散热器、反冲过滤器、过滤袋、压力传感器、电磁阀；所述电解液循环泵安装在铝燃料电池堆电解液出口处，散热器一端与电解液循环泵出口端相连，另一端与反冲过滤器进口相连，反冲过滤器中过滤后的电解液进入电解液箱，而经过反冲洗操作后含较多沉淀物的电解液进入过滤袋，进行过滤收集；所述压力传感器安装于散热器与反冲过滤器之间，电磁阀安装于反冲过滤器与过滤袋之间。
按上述方案，所述铝燃料电池系统设有除湿装置，所述除湿装置与电解液箱连接，将收集的水流入电解液箱。
按上述方案，所述电控盒组件包括电控外壳、蓄电池、电控板、DC/DC转换器、电输出插件。
按上述方案，所述铝燃料电池系统设置有气体压力传感器，包括设置在封闭外壳内的气体压力传感器和设置在储氧装置内的压力传感器。
按上述方案，所述铝燃料电池系统还设置有温度传感器，包括电解液温度传感器、封闭外壳内的气体温度传感器、消氢混合气体入口处的温度传感器。
本发明产生的有益效果是：
1)在密闭舱段内，铝燃料电池运行过程中会发生自腐蚀反应，不断产生氢气，然后与氧气组成混合气体。混合气体在风机作用吸入消氢组件，通过化学催化燃烧方式消耗氢气，将系统内的氢气浓度控制在安全范围内，从而保证系统长时间运行的安全性和可行性。
2)氧气以固态形式存储，保障较高的氧密度同时可延长氧源的存储期。且具有可多次启停特性，提高铝燃料电池系统氧源的安全性。
3)除湿装置主要收集催化燃烧生成的水，将除湿装置收集的水回流到电解液箱可达到补充发电反应消耗的水的目的，从而保证系统高性能和长时间运行的目的。
4)电解液过滤系统可以有效控制生产物浓度，提高电池的输出性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的装置的系统原理示意图；
图2是本发明实施例的装置的系统结构示意图；
图中：1-铝燃料电池堆、2-电解液回液泵、3-散热器、4-过滤压力传感器、5-逆流反冲过滤器、6-反冲开关阀、7-过滤袋、8-电解液温度传感器、9-电解液箱、10-电解液进液泵、11-蓄电池1、12-消氢组件2、13-混合气体温度传感器、14-加热丝、15-消氢催化剂、16-风机、17-固体储氧供养系统、18-固体氧罐、19-压力安全阀、20-氧气压力传感器、21-供氧开关阀、22-氧气激发电磁阀、23-DC/DC转换器、24-除湿装置、25-氢气浓度传感器、26-氧气浓度传感器、27-混合气体压力传感器、28-混合气体温度传感器、29-系统控制器、30-加热激发器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种封闭式水下铝燃料电池能源系统，包括封闭外壳，设置在封闭外壳中的铝燃料电池堆系统、消氢组件、固体储氧供氧系统、除湿装置、蓄电池、系统控制器、DC/DC转换器、各类传感器及开关阀等；所述的铝燃料电池堆系统，包括铝燃料电池堆、电解液过滤系统等，电解液过滤系统用于实现电解液内生成物的过滤及分离；所述的消氢组件根据氢气浓度监测值，实现全自动启停；所述的固体储氧供氧系统可长时间存储，满足连续供氧且能随时停止供氧及再次启动供氧。所述的除湿装置收集混合气体中的水蒸气，并将收集的水引入到电解液箱。在系统控制器全自动的监控下，实现系统长时间连续封闭式安全运行。
为了更进一步的详细说明，提供一种封闭式水下铝燃料电池能源系统实施案例。该系统可长时间连续封闭式安全运行。
一种封闭式水下铝燃料电池能源系统，如图2，包括封闭外壳，设置在封闭外壳中的铝燃料电池堆系统、消氢组件12、固体储氧供氧系统、除湿装置24、蓄电池11、系统控制器29、DC/DC转换器23、各类传感器及开关阀等；所述的铝燃料电池堆系统，包括铝燃料电池堆1、电解液过滤系统、电解液箱9等，电解液过滤系统用于实现电解液内生成物的过滤及分离；所述的消氢组件12，包括消氢催化剂15、加热丝14、风机16和混合气体温度传感器13等，风机16根据氢气浓度检测值，实现全自动启停；所述的固体储氧供氧系统17，包括承压外壳、固体氧罐单元18、氧气激发电磁阀22、压力安全阀19、供氧开关阀21和氧气压力传感器20等，固体储氧供氧系统17可长时间存储，满足连续供氧且能随时停止供氧及再次启动供氧。所述的除湿装置24收集混合气体中的水蒸气，并将收集的水引入到电解液箱9。在系统控制器29的全自动的监控下，实现系统长时间连续封闭式安全运行。
进一步的，所述的消氢组件12包括消氢催化剂15、加热丝14、风机16、混合气体温度传感器13等，所述的加热丝14根据温度传感器13监测的气体温度值自动启停，温度低于设定值时启动加热丝，提高混合气体温度，进而提高消氢催化燃烧反应效率。混合气体温度达到一定值后，可自动停止加热丝工作。所述风机16根据氢气浓度传感器25检测的氢气浓度值自动启停。当氢气浓度达到一定值时，风机启动，消氢组件开始消氢，以降低空间内氢气浓度。当氢气浓度低于一定安全值时，风机停止工作。
进一步的，所述的固体储氧供氧系统17包括承压外壳、固体氧罐单元18、氧气激发电磁阀22、压力安全阀19、供氧开关阀21和供氧开关阀21等，承压外壳内布置若干个氧罐单元，并设计一定的氧气缓存空间，根据监测的封闭外壳内混合气体压力和氧气浓度及承压外壳内的压力，判定是否激发氧罐单元内激发器30工作，来控制供氧是否启动。当系统停机或紧急停机时，供氧开关阀21关闭，并停止下次激发动作，且控制承压外壳内的压力处在安全范围内。从而达到控制本固体供氧的启停及不影响下次供氧的启动之目的。
进一步的，发电运行过程中，反冲开关阀6处于常闭状态，电解液中生成的沉淀物被过滤阻隔在逆流反冲过滤器5内，并不断积累，过滤后的电解液回到电解液箱9。通过过滤压力传感器4监测，压力积累到一定程度，自动打开反冲开关阀6，并进行逆流反冲洗，生成的沉淀物流入到过滤袋7，过滤袋可以进行再次过滤并收集沉淀物，完成反冲后立刻关闭反冲开关阀。逆流反冲过滤器则恢复到良好的过滤状态，进入下一个过滤循环周期。该方法可显著降低电解液里沉淀物的积累，从而提高铝燃料电池的电输出性能。
进一步的，所述的除湿装置24收集弥散在舱内混合气体中的水蒸气，该水蒸气主要来源是消氢过程中生成水所产生的。除湿装置收集的水流入电解液箱，来补充发电反应所消耗的水，一方面可以缓解电解液逐渐变稠的时间，铝燃料电池输出性能有所提高，另一方面可减缓电解液里水的消耗速率，提高电池运行时间。
进一步的，所述的传感器包括氢气浓度传感器25、氧气浓度传感器26、混合气体压力传感器27、混合气体温度传感器28、过滤压力传感器4、电解液温度传感器8和氧气压力传感器20等，该类传感器实时监测系统运行状态，上传数据，为系统控制逻辑提高判定依据。
进一步的，所述的DC/DC转换器23自动将输入的电性能转换为满足输出要求的电性能。
进一步的，在系统控制器29的监控下，通过内在监测值及控制逻辑，实现系统全自动长时间连续封闭式安全运行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，包括：
设置在封闭外壳内的铝燃料电池堆系统、消氢组件、固体储氧供氧系统和电控盒组件；
所述铝燃料电池堆系统和固体储氧供氧系统
所述消氢组件为强制对流、催化燃烧型消氢器。
2.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述消氢组件包括消氢催化剂、加热丝、风机、温度传感器和氢气传感器；所述风机根据氢气传感器的氢气检测浓度值自动启停；所述加热丝根据温度传感器的气体温度值自动启停。
3.根据权利要求2所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述消氢催化剂和加热丝设置在风机进风口处，所述风机包括用于强制对流的进风口和出风口。
4.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述铝燃料电池堆系统设有氢气浓度传感器和氧气浓度传感器。
5.根据权利要求4所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述固体储氧供氧系统为可启停式固体储氧供氧系统，包括承压外壳、氧罐单元、氧气激发电磁阀、安全泄压阀、供氧开关阀和压力传感器；所述氧气激发电磁阀与氧罐单元内置加热激发器相连，所述氧气激发电磁阀根据监测的封闭外壳压力和氧气浓度及承压外壳的压力，判定是否激发氧罐单元内激发器工作，来控制供氧开关阀进行供氧的自启停。
6.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述水下铝燃料电池系统包括用于对电解液中沉淀物进行在线过滤及收集的电解液过滤系统，所述电解液过滤系统包括电解液循环泵、反冲过滤器、过滤袋、压力传感器、电磁阀,电解液循环泵安装在铝燃料电池堆电解液出口处，散热器一端与循环泵出口端相连，另一端与反冲过滤器进口相连，反冲过滤器中过滤后的电解液进入电解液箱，经过反冲洗操作后的电解液进入过滤袋，进行过滤收集；所述压力传感器安装于散热器与反冲过滤器之间，电磁阀安装于反冲过滤器与过滤袋之间。
7.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述铝燃料电池系统设有除湿装置，所述除湿装置与电解液箱连接，将收集的水流入电解液箱。
8.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述电控盒组件包括电控外壳、蓄电池、电控板、DC/DC转换器、电输出插件。
9.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述铝燃料电池系统设置有气体压力传感器，包括设置在封闭外壳内的气体压力传感器和设置在储氧装置内的压力传感器。
10.根据权利要求1所述的封闭式水下铝燃料电池能源系统，其特征在于，所述铝燃料电池系统还设置有温度传感器，包括电解液温度传感器、封闭外壳内的气体温度传感器、消氢混合气体入口处的温度传感器。
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