CN113140752A - 一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其为一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，包括供氢模块，燃料电堆模块，超导电机模块、液氢/氦气换热器模块、液氢储存箱体、液氢自增压系统、氢气自卸压系统、液氢/氦气换热器、燃料电堆和超导电机，通过提供的液氢为燃料的超导电机燃料电池动力系统，超导电机中的超导线圈没有电阻,只要把电“注入”超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动,也不会损耗,因而也就无损耗地储存电能,它克服了电池和电容器充放电时间长、密度低、漏损大、无法在短时间内释放出巨大能量的不足，由于其损耗几乎为零，可以提高整个燃料电池动力系统的有效功率，具有很大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统。
背景技术
“超导”这个科学的名词,时常出现在新闻媒体中,大家可能听说过。所谓的超导现象,是指当某种物质逐渐冷却到最低温度(-237℃)时,电阻消失或为零,从而处于无电耗和不发热状态。也就是说,无电压也能使电流永久流动。科学家们根据超导的这一独特本领,让它在能源世界大显身手。超导输电一般是用导线输送电流的。然而,这种输电损耗高达总发电量的6％-10％,这可不是一个小数字。用超高压输电效率也很低。超导体能因为能够无损耗地输送电流,因而成为了最理想的输电方式。不过,目前缺少实用的高临界温度超导体,而且用液氮获得的超导体所必需的低温成本又很高,所以超导输电还未能得到广泛应用,但很有发展前景。超导储能指的是使用超导线圈,没有电阻,只要把电“注入”超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动,也不会损耗,因而也就无损耗地储存电能,它克服了电池和电容器充放电时间长、密度低、漏损大、无法在短时间内释放出巨大能量的不足。这种储能装置,既可作为特殊的光源,如激光电源、电磁炮电源等,也可用来调节电网峰谷差,充分发挥电力设备的潜力。
燃料电池是一种以氢气为原料，通过氢氧化学作用产生电能的能量转换装置。它按电化学原理等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。其基本原理是氢气和氧气(空气)分别发生氧化和还原反应，生成水，产生热能和电能。具有能量转换效率高、无污染排放、环境友好、运行噪声低、安全可靠、比功率和比能量密度高等突出优点，在移动电源、固定电站、交通运输以及无人机领域都具有良好的应用前景，被认为最具有潜力的解决环境污染、能源危机的有效手段之一，受到国内外政府、车企以及科技工作者的重点关注。
液氢作为一种优质的冷源，是一种高能、低温液体燃料。它是一种无色无味、透明的低温液体，沸点为20.35K，冰点为13.55K，密度为0.07g/cm3(沸点时)，现阶段已经成为一种重要的高能低温液体燃料，可以广泛应用于公交，汽车，无人机，船舶中。
超导电机因其工作温度的不同分为低温高温超导电机和高温超导电机。低温高温超导电机的工作环境为35K，高温超导电机的工作环境为138K。在本发明专利中，由于工作温度的限制，选择高温超导电机作为该燃料电池动力系统的发电机。
高温超导电机的需要工作在138K以上的温区，而液氢这一优质的冷源在可以充当燃料电池燃料的同时为高温超导电机提供冷源，进行降温，使其正常工作。这就节省了去制造普通冷源，因为高温超导电机100W就需要制100-200W的普通冷源。而用液氢时，只需要1/10的量，就可以使高温超导电机一直正常发电，更好的提高燃料电池的功率。
本发明是针对使用传统电机的燃料电池动力系统体积较大，功率较小的问题，提出使用将超导电机引入到燃料电池的动力系统中，诣在提升提高燃料电池的功率的同时降低燃料电池的体积与重量，又因为超导电机工作温度的特别性，进一步使用液氢这一优质冷源，能够给燃料电堆提供燃料的同时给超导电机降温，因此提出一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，包括供氢模块，燃料电堆模块，超导电机模块、液氢/氦气换热器模块、液氢储存箱体、液氢自增压系统、氢气自卸压系统、液氢/氦气换热器、燃料电堆和超导电机，所述供氢模块与液氢储存箱体对应设置，所述燃料电堆模块与燃料电堆对应设置，所述超导电机模块与超导电机对应设置，所述液氢/氦气换热器模块与液氢/氦气换热器对应设置。
优选的，所述液氢/氦气换热器的进气口一侧设置有高压液氢瓶，并且所述高压液氢瓶设置有高压氦气瓶，所述高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中。
优选的，所述液氢/氦气换热器的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆连接。
优选的，所述液氢/氦气换热器的下侧出气口通过连接管路与超导电机相连，所述超导电机通过连接管路与液氢/氦气换热器的下侧出气口连接。
优选的，所述液氢储存箱体通过连接管路与液氢/氦气换热器连接。
优选的，所述液氢自增压系统、氢气自卸压系统与液氢储存箱体设置。
优选的，所述燃料电堆通过连接管路与超导电机相连。
优选的，所述液氢储存箱体的液氢温度为23K，所述超导电机工作温度138K。
优选的，包括以下使用步骤：
S1，将液氢自增压系统、氢气自卸压系统与液氢储存箱体对应设置，通过连接管路将液氢储存箱体与液氢/氦气换热器进行连接，液氢/氦气换热器的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆连接，液氢/氦气换热器的下侧出气口通过连接管路与超导电机相连，燃料电堆通过连接管路与超导电机相连；
S2，液氢储存箱体中的供氢模块将液氢传输到液氢/氦气换热器中，液氢/氦气换热器的进气口一侧与高压液氢瓶相连，高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中，通过高温氦气与液氢进行换热，换热之后，经过换热后的液氢变成氢气，从右侧出气口与燃料电堆相连，经过换热后高温氦气变成低温氦气从下侧出气口与超导电机相连，燃料电堆产生的电能进一步运输到超导电机模块中，使超导电机进行超导发电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过提供的液氢为燃料的超导电机燃料电池动力系统，包括供氢模块，燃料电堆模块，超导电机模块以及液氢/氦气换热器模块，超导电机中的超导线圈没有电阻,只要把电“注入”超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动,也不会损耗,因而也就无损耗地储存电能,它克服了电池和电容器充放电时间长、密度低、漏损大、无法在短时间内释放出巨大能量的不足，由于其损耗几乎为零，可以提高整个燃料电池动力系统的有效功率，具有很大的实用价值，由于其损耗几乎为零从而实现以下目的：(1)液氢这一优质的冷源可以省去制造冷源这一繁琐步骤，实现更好的能阶管理，给超导电机进行降温；(2)以改善现有燃料电池动力系统电机效率低，体积偏大的问题，储能模块为燃料电池储氢系统，使用液氢这一最佳的燃料电池储能方式作为燃料，其中在储氢瓶系统中各配有自增压和自卸压系统一套，能够很好确保储氢系统的安全问题，使用液氢作为燃料的同时又因液氢本身带有的优质的冷源特性可以给高温超导电机进行降温，使其正常工作，传统的100W冷源供高温超导电机进行发电，需要消耗100W的冷源，而用液氢，只需要1/10就可以使高温超导电机达到额定功率。
2、本发明中，通过将使用液氢的超导电机应用到燃料电池动力系统中，可以显著提高燃料电池的功率，液氢温度与超导电机工作温度对比图，从图中我们可以很清晰的看出，液氢的冷量使其完全可以充当超导电机维持正常工作的冷源，需要说明的是，本发明提供的液氢为燃料的超导电机燃料电池动力系统可用于公交，汽车，无人机，船舶等的动力装置，由于用超导电机取代传统电机，省掉常规发电机所不可缺少的铁芯,故与同容量的常规机相比,体积可减少到约1/5,重量约减为1/3，节省安装空间。
附图说明
图1为本发明燃料电池动力系统的结构示意图；
图2为本发明液氢温度与超导电机工作温度对比图。
图中：1、供氢模块；2、燃料电堆模块；3、超导电机模块；4、液氢/氦气换热器模块；5、液氢储存箱体；6、液氢自增压系统；7、氢气自卸压系统；8、液氢/氦气换热器；9、燃料电堆；10、超导电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，包括供氢模块1，燃料电堆模块2，超导电机模块3、液氢/氦气换热器模块4、液氢储存箱体5、液氢自增压系统6、氢气自卸压系统7、液氢/氦气换热器8、燃料电堆9和超导电机10，供氢模块1与液氢储存箱体5对应设置，燃料电堆模块2与燃料电堆9对应设置，超导电机模块3与超导电机10对应设置，液氢/氦气换热器模块4与液氢/氦气换热器8对应设置，通过提供的液氢为燃料的超导电机10燃料电池动力系统，包括供氢模块1，燃料电堆模块2，超导电机模块3以及液氢/氦气换热器模块4，超导电机10中的超导线圈没有电阻,只要把电“注入”超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动,也不会损耗,因而也就无损耗地储存电能,它克服了电池和电容器充放电时间长、密度低、漏损大、无法在短时间内释放出巨大能量的不足，由于其损耗几乎为零，可以提高整个燃料电池动力系统的有效功率，具有很大的实用价值。
液氢/氦气换热器8的进气口一侧设置有高压液氢瓶，并且高压液氢瓶设置有高压氦气瓶，高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中。
液氢/氦气换热器8的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆9连接。
液氢/氦气换热器8的下侧出气口通过连接管路与超导电机10相连，超导电机10通过连接管路与液氢/氦气换热器8的下侧出气口连接。
液氢储存箱体5通过连接管路与液氢/氦气换热器8连接。
液氢自增压系统6、氢气自卸压系统7与液氢储存箱体5设置。
燃料电堆9通过连接管路与超导电机10相连。
液氢储存箱体5的液氢温度为23K，超导电机10工作温度138K。
包括以下使用步骤：
S1，将液氢自增压系统6、氢气自卸压系统7与液氢储存箱体5对应设置，通过连接管路将液氢储存箱体5与液氢/氦气换热器8进行连接，液氢/氦气换热器8的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆9连接，液氢/氦气换热器8的下侧出气口通过连接管路与超导电机10相连，燃料电堆9通过连接管路与超导电机10相连；
S2，液氢储存箱体5中的供氢模块1将液氢传输到液氢/氦气换热器8中，液氢/氦气换热器8的进气口一侧与高压液氢瓶相连，高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中，通过高温氦气与液氢进行换热，换热之后，经过换热后的液氢变成氢气，从右侧出气口与燃料电堆9相连，经过换热后高温氦气变成低温氦气从下侧出气口与超导电机10相连，燃料电堆9产生的电能进一步运输到超导电机模块3中，使超导电机10进行超导发电。
本发明工作流程：使用时，将液氢自增压系统6、氢气自卸压系统7与液氢储存箱体5对应设置，通过连接管路将液氢储存箱体5与液氢/氦气换热器8进行连接，液氢/氦气换热器8的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆9连接，液氢/氦气换热器8的下侧出气口通过连接管路与超导电机10相连，燃料电堆9通过连接管路与超导电机10相连，液氢储存箱体5中的供氢模块1将液氢传输到液氢/氦气换热器8中，供氢模块1中，液氢通过液氢自增压系统6传输到液氢/氦气换热器8中，若自增压的液氢量多于液氢/氦气换热器8所需的量，多余的液氢通过液氢自卸压系统7进行回收,液氢/氦气换热器8的进气口一侧与高压液氢瓶相连，高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中，通过高温氦气与液氢进行换热，换热之后，经过换热后的液氢变成氢气，从右侧出气口与燃料电堆9相连，经过换热后高温氦气变成低温氦气从下侧出气口与超导电机10相连，燃料电堆9产生的电能进一步运输到超导电机模块3中，使超导电机10进行超导发电，通过提供的液氢为燃料的超导电机10燃料电池动力系统，包括供氢模块1，燃料电堆模块2，超导电机模块3以及液氢/氦气换热器模块4，超导电机10中的超导线圈没有电阻,只要把电“注入”超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动,也不会损耗,因而也就无损耗地储存电能,它克服了电池和电容器充放电时间长、密度低、漏损大、无法在短时间内释放出巨大能量的不足，由于其损耗几乎为零，可以提高整个燃料电池动力系统的有效功率，具有很大的实用价值，由于其损耗几乎为零从而实现以下目的：(1)液氢这一优质的冷源可以省去制造冷源这一繁琐步骤，实现更好的能阶管理，给超导电机10进行降温；(2)以改善现有燃料电池动力系统电机效率低，体积偏大的问题，储能模块为燃料电池储氢系统，使用液氢这一最佳的燃料电池储能方式作为燃料，其中在储氢瓶系统中各配有自增压和自卸压系统一套，能够很好确保储氢系统的安全问题，使用液氢作为燃料的同时又因液氢本身带有的优质的冷源特性可以给高温超导电机10进行降温，使其正常工作，传统的100W冷源供高温超导电机10进行发电，需要消耗100W的冷源，而用液氢，只需要1/10就可以使高温超导电机10达到额定功率，通过将使用液氢的超导电机10应用到燃料电池动力系统中，可以显著提高燃料电池的功率，液氢温度与超导电10机工作温度对比图，从图中我们可以很清晰的看出，液氢的冷量使其完全可以充当超导电机维持正常工作的冷源，需要说明的是，本发明提供的液氢为燃料的超导电机燃料电池动力系统可用于公交，汽车，无人机，船舶等的动力装置，由于用超导电机取代传统电机，省掉常规发电机所不可缺少的铁芯,故与同容量的常规机相比,体积可减少到约1/5,重量约减为1/3，节省安装空间。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，包括供氢模块(1)，燃料电堆模块(2)，超导电机模块(3)、液氢/氦气换热器模块(4)、液氢储存箱体(5)、液氢自增压系统(6)、氢气自卸压系统(7)、液氢/氦气换热器(8)、燃料电堆(9)和超导电机(10)，其特征在于：所述供氢模块(1)与液氢储存箱体(5)对应设置，所述燃料电堆模块(2)与燃料电堆(9)对应设置，所述超导电机模块(3)与超导电机(10)对应设置，所述液氢/氦气换热器模块(4)与液氢/氦气换热器(8)对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢/氦气换热器(8)的进气口一侧设置有高压液氢瓶，并且所述高压液氢瓶设置有高压氦气瓶，所述高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中。
3.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢/氦气换热器(8)的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢/氦气换热器(8)的下侧出气口通过连接管路与超导电机(10)相连，所述超导电机(10)通过连接管路与液氢/氦气换热器(8)的下侧出气口连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢储存箱体(5)通过连接管路与液氢/氦气换热器(8)连接。
6.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢自增压系统(6)、氢气自卸压系统(7)与液氢储存箱体(5)设置。
7.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述燃料电堆(9)通过连接管路与超导电机(10)相连。
8.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：所述液氢储存箱体(5)的液氢温度为23K，所述超导电机(10)工作温度138K。
9.根据权利要求1所述的一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统，其特征在于：包括以下使用步骤：
S1，将液氢自增压系统(6)、氢气自卸压系统(7)与液氢储存箱体(5)对应设置，通过连接管路将液氢储存箱体(5)与液氢/氦气换热器(8)进行连接，液氢/氦气换热器(8)的右侧出气口通过连接管路与燃料电堆(9)连接，液氢/氦气换热器(8)的下侧出气口通过连接管路与超导电机(10)相连，燃料电堆(9)通过连接管路与超导电机(10)相连；
S2，液氢储存箱体(5)中的供氢模块(1)将液氢传输到液氢/氦气换热器(8)中，液氢/氦气换热器(8)的进气口一侧与高压液氢瓶相连，高压氦气瓶浸泡在液氢杜瓦中，通过高温氦气与液氢进行换热，换热之后，经过换热后的液氢变成氢气，从右侧出气口与燃料电堆(9)相连，经过换热后高温氦气变成低温氦气从下侧出气口与超导电机(10)相连，燃料电堆(9)产生的电能进一步运输到超导电机模块(3)中，使超导电机(10)进行超导发电。
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| CN202110311463.XA Pending CN113140752A (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种利用液氢的超导电机燃料电池动力系统 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2021
- 2021-03-24 CN CN202110311463.XA patent/CN113140752A/zh active Pending
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