CN112687934B - 一种分布式船用燃料电池发电模块及其安全工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式船用燃料电池发电模块，包括电堆模块箱以及分别连接电堆模块箱的氢气模块箱、空气模块箱和冷却水模块箱，还包括分别与电堆模块箱、氢气模块箱、空气模块箱和冷却水模块箱通信连接的控制器模块；本发明通过将通过电堆模块、氢气模块、空气模块、冷却水模块和控制器模块分布式设计，氢气管路双壁管设计，涉氢空间置换通风设计，避免了局部聚积氢气浓度较高引发爆炸的隐患，安全工作方法通过氢气浓度传感器、声光报警器、气体互锁阀、控制器之间通信，实现了对箱体和双壁管内部氢气泄露过程中风险程度监测和报警，从而有效提高了燃料电池发电装置的自防爆安全性能。

Description

一种分布式船用燃料电池发电模块及其安全工作方法
技术领域
本发明属于船用燃料电池领域，具体涉及一种分布式船用燃料电池发电模块，以及其安全工作方法。
背景技术
相比柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等传统船舶动力装置，燃料电池动力系统因具有能量密度高、振动噪声低、零排放环境友好等优势，被视为未来绿色船舶的理想动力装备，具有广阔市场应用前景。
燃料电池发电装置是燃料电池动力系统的核心设备，直接关系到燃料电池动力系统船舶工程应用的高效性、稳定性和安全性。不同于车用工况环境，船舶用燃料电池发电装置通常安装于相对密闭船舶舱室，且船舶运行远离陆地，载客多，一旦发生爆炸情况，人员逃生困难，这对船用燃料电池发电装置的防爆性安全设计提出更加苛刻要求。
科研人员通过科研项目研发过程技术创新，形成一系列的相关专利技术成果，如专利“一种双层燃料电池客车用氢气泄露预警及防爆系统（申请号201910372076.X）”、“一种新能源汽车用氢燃料电池防爆防护舱（申请号201821744296.8）”和“一种氢燃料电池车防爆防燃装置（申请号201820589360.3）”等。然而，现有技术是针对燃料电池车的应用，其燃料电池发电装置处于敞开环境，不同于船用燃料电池发电装置处于相对密闭船舶舱室环境。此外，现有技术能够在一定程度上能够被借鉴和用于提高船用燃料电池发电装置的自防爆安全性能，但仍存在明显不足：相比氢气循环泵和供氢管路，电堆模块箱的氢气泄漏率更高，因此现有技术将电堆模块箱与空气模块、氢气模块、冷却水模块、控制器模块集成封装在同一空间箱体结构内，在一定程度上增大氢气发生爆炸的隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种分布式船用燃料电池发电模块。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种分布式船用燃料电池发电模块，包括电堆模块箱以及分别连接电堆模块箱的氢气模块箱、空气模块箱和冷却水模块箱，还包括分别与电堆模块箱、氢气模块箱、空气模块箱和冷却水模块箱通信连接的控制器模块；所述的电堆模块箱由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的燃料电池电堆和电堆通风管路以及设置在箱壳上的泄爆阀组成，电堆通风管路进口设置风压传感器，出口设置氢气浓度传感器和声光报警器；所述的氢气模块箱由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的氢气模块和氢气通风管路以及设置在箱壳上的泄爆阀组成，氢气模块的氢气进口设置气体互锁阀，所述的气体互锁阀与控制器模块通信连接，氢气通风管路进口设置风压传感器，出口设置氢气浓度传感器和声光报警器；所述的空气模块箱和冷却水模块箱分别由密闭腔体结构的箱壳和布置在箱壳内的空气模块和冷却水模块组成；所述的电堆模块箱与氢气模块箱之间连接有由内管和外管组成的双壁管，双壁管的内管和外管间为密闭腔体，所述的外管分别连接电堆通风管路的进口和氢气通风管路的出口；氢气浓度传感器、声光报警器、气体互锁阀和控制器模块之间通信连接，用于对箱壳和双壁管内部氢气泄露过程中风险程度监测和报警，当氢气浓度值达到设定低阈值，则通过控制器控制声光报警器输出一级报警信号，当氢气浓度值达到设定高阈值，通过控制器模块控制声光报警器输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源。
本发明的目的之二是提供上述分布式船用燃料电池发电模块的安全工作方法，包括以下步骤：
步骤一，燃料电池发电装置启动前，先启动外部设备的负压通风装置，当箱壳和双壁管上氢气通风管路出口的氢气浓度值低于设定低阈值时启动装置；
步骤二，燃料电池发电装置工作过程中，当氢气浓度值达到设定低阈值时，控制器模块控制声光报警器输出一级报警信号，提醒工作人员及时检修；
步骤三，燃料电池发电装置工作过程中，当氢气浓度值达到设定高阈值时，控制器模块控制声光报警器输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源，直到氢气浓度值低于设定低阈值时，工作人员入场检修。
相对于现有技术，本发明的积极改进效果在于：
本发明通过将燃料电池电堆、氢气模块、空气模块、冷却水模块、控制器模块布置在相互独立的箱体空间，分布式设计以及氢气管路之间的双壁管设计，以及涉氢空间的置换通风设计，避免了局部聚积氢气浓度较高引发爆炸的隐患，有效提高了燃料电池发电装置的自防爆安全性能。
本发明通用性好、安全可靠、模块化程度高、布置灵活、维修性强，具有极高的推广价值和巨大应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明电堆模块箱的结构示意图；
图3是本发明氢气模块箱的结构示意图；
图4是本发明的双壁管原理示意图。
各附图标记为：1—电堆模块箱，11—燃料电池电堆，12—电堆通风管路，13—泄爆阀，14—风压传感器，15—氢气浓度传感器，16—声光报警器，2—氢气模块箱，21—氢气模块，22—氢气通风管路，3—空气模块箱，4—冷却水模块箱，5—控制器模块，6—双壁管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，实施例如下。
如图1至图4所示，本发明公开了一种分布式船用燃料电池发电模块，包括的电堆模块箱1以及分别连接电堆模块箱1的氢气模块箱2、空气模块箱3和冷却水模块箱4，还包括分别与电堆模块箱1、氢气模块箱2、空气模块箱3和冷却水模块箱4通信连接的控制器模块5；所述的电堆模块箱1由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的燃料电池电堆11和电堆通风管路12以及设置在箱壳上的泄爆阀13组成，电堆通风管路12进口设置风压传感器14，出口设置氢气浓度传感器15和声光报警器16；所述的氢气模块箱2由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的氢气模块21和氢气通风管路22以及设置在箱壳上的泄爆阀13组成，氢气模块21的氢气进口设置气体互锁阀，所述的气体互锁阀与控制器模块5通信连接，氢气通风管路22进口设置风压传感器14，出口设置氢气浓度传感器15和声光报警器16；电堆模块箱1和氢气模块箱2的箱壳为密闭腔体结构，设计有足够强度，通过设置泄爆阀13抵受极限情况爆炸冲击力，降低对周边设备及工作人员的伤害；所述的空气模块箱3和冷却水模块箱4分别由密闭腔体结构的箱壳和布置在箱壳内的空气模块和冷却水模块组成；所述的电堆模块箱1与氢气模块箱2之间连接有由内管和外管组成的双壁管6，双壁管6的内管和外管间为密闭腔体，所述的外管分别连接电堆通风管路12的进口和氢气通风管路22的出口。氢气浓度传感器15、声光报警器16、气体互锁阀和控制器模块5之间通信连接，用于对箱壳和双壁管6内部氢气泄露过程中风险程度监测和报警，当氢气浓度值达到设定低阈值，则通过控制器控制声光报警器16输出一级报警信号，当氢气浓度值达到设定高阈值，通过控制器模块5控制声光报警器16输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源。
本发明分布式船用燃料电池发电模块的安全工作方法，包括以下步骤
步骤一，燃料电池发电装置启动前，先启动外部设备的负压通风装置，当箱壳和双壁管6上氢气通风管路22出口的氢气浓度值低于设定低阈值时启动装置；
步骤二，燃料电池发电装置工作过程中，当氢气浓度值达到设定低阈值时，控制器模块5控制声光报警器16输出一级报警信号，提醒工作人员及时检修；
步骤三，燃料电池发电装置工作过程中，当氢气浓度值达到设定高阈值时，控制器模块5控制声光报警器16输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源，直到氢气浓度值低于设定低阈值时，工作人员入场检修。
本发明通过氢气浓度传感器15、声光报警器16、气体互锁阀、控制器模块5之间通信实现了对箱壳和双壁管6内部氢气泄露过程中风险程度监测和报警，进一步提高了燃料电池发电装置的自防爆安全性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种分布式船用燃料电池发电模块，其特征在于：包括电堆模块箱（1）以及分别连接电堆模块箱（1）的氢气模块箱（2）、空气模块箱（3）和冷却水模块箱（4），还包括分别与电堆模块箱（1）、氢气模块箱（2）、空气模块箱（3）和冷却水模块箱（4）连接的控制器模块（5）；
所述的电堆模块箱（1）由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的燃料电池电堆（11）和电堆通风管路（12）以及设置在箱壳上的泄爆阀（13）组成，电堆通风管路（12）进口设置风压传感器（14），出口设置氢气浓度传感器（15）和声光报警器（16）；
所述的氢气模块箱（2）由密闭腔体结构的箱壳、布置在箱壳内的氢气模块（21）和氢气通风管路（22）以及设置在箱壳上的泄爆阀（13）组成，氢气模块（21）的氢气进口设置气体互锁阀，所述的气体互锁阀与控制器模块（5），氢气通风管路（22）进口设置风压传感器（14），出口设置氢气浓度传感器（15）和声光报警器（16）；
所述的空气模块箱（3）和冷却水模块箱（4）分别由密闭腔体结构的箱壳和布置在箱壳内的空气模块和冷却水模块组成；
所述的电堆模块箱（1）与氢气模块箱（2）之间连接有由内管和外管组成的双壁管（6），所述的外管分别连接电堆通风管路（12）的进口和氢气通风管路（22）的出口；
氢气浓度传感器（15）、声光报警器（16）、气体互锁阀和控制器模块（5）对箱壳和双壁管（6）内部氢气泄露监测和报警，当氢气浓度值达到设定低阈值，声光报警器（16）输出一级报警信号，当氢气浓度值达到设定高阈值，声光报警器（16）输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源。
2.一种如权利要求1所述分布式船用燃料电池发电模块的安全工作方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤一，连接外部的负压通风装置，当箱壳和双壁管（6）上氢气通风管路（22）出口的氢气浓度值低于设定低阈值时启动船用燃料电池发电装置；
步骤二，当氢气浓度值达到设定低阈值时，控制器模块（5）控制声光报警器（16）输出一级报警信号，提醒工作人员及时检修；
步骤三，当氢气浓度值达到设定高阈值时，控制器模块（5）控制声光报警器（16）输出二级报警信号的同时，控制气体互锁阀切断氢气源，直到氢气浓度值低于设定低阈值时，工作人员入场检修。
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