CN110350220A - 一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统 - Google Patents

一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，包括：供氧子系统和循环回路；循环回路包括第一回收管路和第二回收管路，第一回收管路和第二回收管路并联后形成回收管路；循环回路和电堆形成回路，供氧子系统与回收管路连通；当燃料电池供氧系统处于工作状态时，第一回收管路或第二回收管路处于工作状态。本发明实现氧气的回收利用，提高燃料电池的氧气利用率，同时可以防止氧气泄露造成密闭空间内氧浓度过高。且第一回收管路和第二回收管路在工作状态下只择其一工作即可，而另一个可作为备份，提高了燃料电池的供氧选择性，可靠性强。

Description

一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤指一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料和氧化剂的反应化学能直接转化为电能的高效发电装置。其输入一般为以氢气为主的燃料和以氧气为主的氧化剂，输出电能、废热以及水，因此是一种绿色环保的发电装置。
常规的氢空燃料电池采用氢气和空气作为工质，其中空气在阴极经过电化学反应后，剩余以氮气为主的气体，因此不必回收循环使用。对于水下动力系统的燃料电池系统来说，通常以纯氧作为氧化剂，在完成电化学反应后，必须进行回收以充分利用，同时可以防止氧气泄露，造成密闭空间内氧浓度过高。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，通过对电堆内未反应的氧气回收利用，提高燃料电池的氧气利用率，同时可以防止氧气泄露造成密闭空间内氧浓度过高。通过第一回收管路或第二回收管路对未反应的氧气进行回收，且第一回收管路和第二回收管路在工作状态下只择其一工作即可，而另一个可作为备份，提高了燃料电池的供氧选择性，可靠性强，保证了水下动力系统的续航能力，避免中途熄火等不良现象，提高了水下动力系统的工作性能。
本发明提供的技术方案如下：
一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，包括：
供氧子系统和循环回路；
所述循环回路包括第一回收管路和第二回收管路，所述第一回收管路和所述第二回收管路并联后形成回收管路；
所述循环回路和所述电堆形成回路，所述供氧子系统与所述回收管路连通；
当燃料电池供氧系统处于工作状态时，所述第一回收管路或所述第二回收管路处于工作状态。
本技术方案中，通过对电堆内未反应的氧气回收利用，提高燃料电池的氧气利用率，同时可以防止氧气泄露造成密闭空间内氧浓度过高。通过第一回收管路和第二回收管路对未反应的氧气进行回收，且第一回收管路和第二回收管路在工作状态下只择其一工作即可，而另一个可作为备份，提高了燃料电池的供氧选择性，可靠性强，保证了水下动力系统的续航能力，避免中途熄火等不良现象，提高了水下动力系统的工作性能。
进一步优选地，所述供氧子系统沿氧气流通方向依次设有液氧储罐、低温截止阀、加热器、常温截止阀、调压阀、溢流阀、第一单向阀、过滤器；所述过滤器与所述循环回路连通；所述供氧子系统沿氧气流通方向于所述过滤器的前方还设有第一压力传感器、第一温度传感器。
本技术方案中，通过各种阀门以及加热器、过滤器，保证了供给电堆的氧气的温度要求、湿度要求、流量要求、压力要求，还保证了管路的安全性，提高系统的运行性能和效率；通过压力传感器和温度传感器保证了氧气的压力、流量和温度需要的把控，提高系统的运行性能和效率。
进一步优选地，所述第一回收管路沿氧气回流方向依次设有第一电磁阀、引射器、第二单向阀；所述供氧子系统与所述引射器连通；所述第二回收管路沿氧气流通方向依次设有第二电磁阀、氧循环泵和第三单向阀。
本技术方案中，引射器无运动部件，可靠性高，以液氧储罐中的汽化氧气作为动力源，不需要消耗电能，但引射器的引射特性限定了其应用区间，不能覆盖燃料电池的所有负载区域，因此采用与氧循环泵联合使用。在实际应用中，当燃料电池发电量较小时可利用引射器或氧循环泵实现氧气的回收循环使用；当燃料电池发电量较大时通过氧循环泵实现氧气的回收循环使用。
进一步优选地，所述电堆之前的循环回路，沿氧气流通方向设有流量计、稳压器、加湿器、第二压力传感器、第二温度传感器；所述电堆之后的循环回路，沿氧气流通方向设有第三温度传感器、第三压力传感器、换热器、气水分离器、第四温度传感器、第四压力传感器；所述气水分离器的气路与所述回收管路连通，所述气水分离器的水路与外环境连通。
本技术方案中，通过稳压器对氧气压力精确控制，通过加湿器对氧气进行加湿，并通过流量计监控燃料电池对氧气的流量需求，通过温度计监控燃料电池对氧气的温度需求，通过压力传感器监控燃料电池对氧气的压力需求。更优的，通过温度传感器和压力传感器保证氧气换热前后的温度监控和压力监控，并通过换热器实现对高温的氧气的降温和除湿处理，从而降低氧气的温度使一部分水蒸气液化，更优的将携带有水蒸气的氧气于气水分离器进一步气液分离，从而将燃料电池阴极生成的水排出。
本发明提供的一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，能够带来以下至少一种有益效果：
1、本发明中，通过对电堆内未反应的氧气回收利用，提高燃料电池的氧气利用率，同时可以防止氧气泄露造成密闭空间内氧浓度过高。通过第一回收管路和第二回收管路对未反应的氧气进行回收，且第一回收管路和第二回收管路在工作状态下只择其一工作即可，而另一个可作为备份，提高了燃料电池的供氧选择性，可靠性强，保证了水下动力系统的续航能力，避免中途熄火等不良现象，提高了水下动力系统的工作性能。
2、本发明中，通过各种阀门以及加热器、过滤器、保证了供氧气的温度要求、湿度要求、压力需求、流量需求，还保证了管路的安全性，提高系统的运行性能和效率。
3、本发明中，被回收的氧气可于第一回收管路和第二回收管路中择一流通，有效保证了本系统运行的稳定性和可靠性。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一种实施例流程示意图。
附图标号说明：
1.液氧储罐，2.低温截止阀，3.加热器，4.常温截止阀，5.调压阀，6.溢流阀，7-1.第一单向阀，7-2.第二单向阀，7-3.第三单向阀，8.过滤器，9.引射器，10-1.第一电磁阀，10-2.第二电磁阀，10-3.第三电磁阀，11.氧循环泵，12.稳压器，13.加湿器，14.电堆，15.换热器，16.气水分离器，17-1.第一压力传感器，17-2.第二压力传感器，17-3.第三压力传感器，17-4.第四压力传感器，18-1.第一温度传感器，18-2.第二温度传感器，18-3.第三温度传感器，18-4.第四温度传感器，19.流量计。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在实施例一中，如图1所示，一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，包括：供氧子系统和循环回路；循环回路包括第一回收管路和第二回收管路，第一回收管路和第二回收管路并联后形成回收管路；循环回路和电堆14形成回路，供氧子系统与回收管路连通；当燃料电池供氧系统处于工作状态时，第一回收管路或第二回收管路处于工作状态(即导通状态)。在实际应用中，通过对电堆14内未反应的氧气回收利用，提高燃料电池的氧气利用率，同时可以防止氧气泄露造成密闭空间内氧浓度过高。第一回收管路和第二回收管路在工作状态下只择其一工作即可，而另一个可作为备份，提高了燃料电池的供氧选择性，可靠性强。
在实施例二中，如图1所示，在实施例一的基础上，供氧子系统沿氧气流通方向依次设有液氧储罐1、低温截止阀2、加热器3、常温截止阀4、调压阀5、溢流阀6、第一单向阀7-1、过滤器8；过滤器8与循环回路连通。优选地，供氧子系统沿氧气流通方向于过滤器8的前方还设有第一压力传感器17-1、第一温度传感器18-1。通过加热器3对液氧进行加热，使液氧汽化至常温，并通过调压阀5调节氧气的压力值。值得说明的是，加热器3可为水浴加热器或电加热器。优选地，第一压力传感器17-1和第一温度传感器18-1沿氧气流通方向依次布置，从而实现对供氧子系统的氧气的压力和温度进行监控。
在实施例三中，如图1所示，在实施例一或二的基础上，第一回收管路沿氧气回流方向依次设有第一电磁阀10-1、引射器9、第二单向阀7-2；供氧子系统与引射器9连通；第二回收管路沿氧气回流方向依次设有第二电磁阀10-2、氧循环泵11和第三单向阀7-3。优选地，循环回路沿氧气流通方向依次设有第三温度传感器18-3、第三压力传感器17-3、换热器15、气水分离器16、第四温度传感器18-4、第四压力传感器17-4；第三温度传感器18-3、第三压力传感器17-3、换热器15、气水分离器16、第四温度传感器18-4、第四压力传感器17-4均设于电堆14之后；气水分离器16的气路与回收管路连通；气水分离器16的水路与外环境连通。优选地，第三温度传感器18-3、第三压力传感器17-3、换热器15、气水分离器16、第四温度传感器18-4、第四压力传感器17-4沿氧气流通方向依次布置。优选地，气水分离器16的水路设有第三电磁阀10-3，当水位达到一定高度时，通过第三电磁阀10-3及时排出气水分离器16内的水，避免气水分离器16的水漫过其气路，导致氧气无法流向回收管路。优选地，气水分离器16的气路与回收管路连通。
优选地，当燃料电池发电量较小时(比如负载电流在0～150A)，氧气流量小，引射器9作为动力源，第一电磁阀10-1为开启状态，第二电磁阀10-2为关闭状态，氧气流经第二单向阀7-2、稳压器12、加湿器13、电堆14；而在电堆14中未充分反应氧气流经换热器15、气水分离器16和第一电磁阀10-1流入引射器9，完成循环。
当燃料电池发电量较小时(比如负载电流在0～150A)，氧气流量小，也可以采用氧循环泵11作为动力源，第一电磁阀10-1为关闭状态，第二电磁阀10-2为开启状态，氧气流经第三单向阀7-3、稳压器12、加湿器13、电堆14；而在电堆14中未充分反应氧气流经换热器15、气水分离器16和第二电磁阀10-2流向氧循环泵11，完成循环。当燃料电池发电量较大时(比如负载电流在150～300A)，氧气流量大，采用氧循环泵11作为动力源，第一电磁阀10-1为关闭状态，第二电磁阀10-2为开启状态，氧气流经第三单向阀7-3、稳压器12、加湿器13、电堆14；而在电堆14中未充分反应氧气流经换热器15、气水分离器16和第二电磁阀10-2流向氧循环泵11，完成循环。
值得说明的是，燃料电池发电量的大小划分可根据实际需要进行设置，上述实施例的燃料电池发电量的划分以150A为划分值，以实现引射器9和氧循环泵11的工作状态进行限定，优选地，划分值为90～220A中的任一值，具体根据实际需要进行设置。
在实施例四中，如图1所示，在实施例一、二或三的基础上，循环回路沿氧气流通方向设有流量计19、稳压器12、加湿器13、第二压力传感器17-2、第二温度传感器18-2；流量计19、稳压器12、加湿器13、第二压力传感器17-2、第二温度传感器18-2均设于电堆14之前，氧气经稳压器12稳压、加湿器13加湿后再流向电堆14。优选地，稳压器12可为氧气比例调节阀或者氧气喷射组件。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，其特征在于，包括：
供氧子系统和循环回路；
所述循环回路包括第一回收管路和第二回收管路，所述第一回收管路和所述第二回收管路并联后形成回收管路；
所述循环回路和所述电堆形成回路，所述供氧子系统与所述回收管路连通；
当燃料电池供氧系统处于工作状态时，所述第一回收管路或所述第二回收管路处于工作状态。
2.根据权利要求1所述的适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，其特征在于：
所述供氧子系统沿氧气流通方向依次设有液氧储罐、低温截止阀、加热器、常温截止阀、调压阀、溢流阀、第一单向阀、过滤器；
所述过滤器与所述循环回路连通；
所述供氧子系统沿氧气流通方向于所述过滤器的前方还设有第一压力传感器、第一温度传感器。
3.根据权利要求1所述的适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，其特征在于：
所述第一回收管路沿氧气回流方向依次设有第一电磁阀、引射器、第二单向阀；所述供氧子系统与所述引射器连通；
所述第二回收管路沿氧气流通方向依次设有第二电磁阀、氧循环泵和第三单向阀。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的适用于水下动力系统的燃料电池供氧系统，其特征在于：
所述电堆之前的循环回路，沿氧气流通方向设有流量计、稳压器、加湿器、第二压力传感器、第二温度传感器；
所述电堆之后的循环回路，沿氧气流通方向设有第三温度传感器、第三压力传感器、换热器、气水分离器、第四温度传感器、第四压力传感器；
所述气水分离器的气路与所述回收管路连通，所述气水分离器的水路与外环境连通。
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