CN114709456B - 一种深海作业平台燃料电池能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海作业平台燃料电池能源系统，涉及燃料电池技术领域，包括海水制氧单元、天然气制氢单元和氢氧燃料电池单元，所述海水制氧单元用于利用海水制取富氧空气，所述天然气制氢单元用于利用天然气制取氢气，所述海水制氧单元和天然气制氢单元分别与氢氧燃料电池单元相连接，供海水制氧单元制取的富氧空气与天然气制氢单元制取的氢气在氢氧燃料电池单元内进行电化学反应产生电能。以解决现有技术的燃料电池发电系统受制于深海作业平台容积限制，储能量有限，只能保证深海作业平台在数天至数十天的能源需求，供能时间偏短的技术问题。

Description

一种深海作业平台燃料电池能源系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种深海作业平台燃料电池能源系统。
背景技术
深海因其具有丰富的资源、广阔的空间，以及所蕴藏的巨大的政治价值、经济价值、军事价值、科研价值和生态环境价值等而成为21世纪世界各国的必争之地。近年来，世界各海洋强国都在加紧研制各种深海作业平台，意图抢占深海这一新空间的制高点和主动权。深海作业平台具有非常突出的战略意义，该平台类似于位于太空的国际空间站，可用于深海科学研究、深海资源勘探、地壳变异观测、地震预测等民用领域，同时还可用作为深海军事基地，是人类探索深海必备的重要战略设施之一。
能源系统是决定深海作业平台能否长时间或永久驻留深海的关键。目前，可用于深海作业平台的能源系统主要包括三类：（1）核动力系统、（2）热机AIP（不依赖空气推进装置）系统、（3）燃料电池AIP系统。其中，核动力系统由于技术难度大、建造成本高且存在核泄漏等安全风险，其应用领域受到限制；热机AIP系统包括闭式循环柴油机AIP和斯特林发动机AIP等，一方面振动噪声大，不太适用于深海作业平台，另一方面，由于所携带燃料（柴油）和氧化剂（液氧）有限，其供能时间较短，不能满足深海作业平台海底长时间驻留的要求；燃料电池AIP系统具有能量密度高、振动噪声小、红外辐射低、无尾气排放等优点，被认为是深海作业平台燃料电池能源系统的最优方案之一。
中国专利CN201210327887.6公开了一种燃料电池发电系统，包括质子交换膜燃料电池模块，储氢、氧装置，DC/DC变换单元，监控单元，热交换器，水箱，水泵，阀，以及循环水管；热水循环支路包括恒温热水箱，循环热水输送水泵，质子交换膜燃料电池模块，储氢装置，热交换器；冷水循环支路包括冷水箱，循环冷水输送水泵，DC/DC变换单元，储氧装置；冷热水平衡支路，包括恒温热水箱，热水控制阀，平衡热水输送水泵，冷水箱，冷水控制阀，平衡冷水输送水泵；监控单元一端与恒温热水箱连接，另一端与冷水箱连接。
然而上述燃料电池发电系统不能满足深海作业平台的需求，其主要原因在于，深海作业平台需要长时间或永久驻留海底，要求能源系统在不浮出水面的前提下，能够为其提供少则数年，多则数十年的能源供应。上述燃料电池发电系统主要通过自身携带的燃料（氢气）和氧化剂（液氧）进行发电，然而，受制于深海作业平台容积限制，储能量有限，只能保证深海作业平台在数天至数十天的能源需求，供能时间偏短。
深海中氧气资源丰富，海水中含有大约1.5%-2.5%的溶解气体，而其中约34%是氧气，主要来源于大气中的氧气溶解和海洋植物的光合作用。与此同时，全球海洋油气资源丰富，海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34％，探明率30％左右，尚处于勘探早期阶段，世界各国现有天然气开采设施、天然气管道遍布各个海湾和大洋，此外，多个海上油气田还在陆续建设过程中。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种深海作业平台燃料电池能源系统，以解决现有技术的燃料电池发电系统受制于深海作业平台容积限制，储能量有限，只能保证深海作业平台在数天至数十天的能源需求，供能时间偏短的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种深海作业平台燃料电池能源系统，包括海水制氧单元、天然气制氢单元和氢氧燃料电池单元，所述海水制氧单元用于利用海水制取富氧空气，所述天然气制氢单元用于利用天然气制取氢气，所述海水制氧单元和天然气制氢单元分别与氢氧燃料电池单元相连接，供海水制氧单元制取的富氧空气与天然气制氢单元制取的氢气在氢氧燃料电池单元内进行电化学反应产生电能。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元包括第一氧分离器、溶剂泵、溶剂缓冲罐和第二氧分离器，所述第一氧分离器设有供氧气溶剂流通的第一壳程，以及位于第一壳程内供富氧海水流通且具有氧气选择透过性的第一氧分离组件，所述第二氧分离器设有供低氧空气流通的第二壳程，以及位于第二壳程内供氧气溶剂流通且具有氧气选择透过性的第二氧分离组件，所述第一壳程、溶剂泵、第二氧分离组件和溶剂缓冲罐串联连通，以形成供氧气溶剂循环流通的连通回路，当富氧海水流经第一氧分离组件时，富氧海水中的氧气选择性透过第一氧分离组件进入流经第一壳程的氧气溶剂中，当氧气溶剂流经第二氧分离组件时，氧气溶剂中的氧气选择性透过第二氧分离组件进入流经第二壳程的低氧空气中，供低氧空气形成富氧空气。
在其中一个实施例中，所述第一氧分离器和第二氧分离器分别包括壳体，所述第一氧分离组件和第二氧分离组件均为具有氧气选择透过性的中空过滤管，所述壳体内设有两组隔板，所述两组隔板分别与壳体两端的内壁围合形成进入腔和排出腔，所述中空过滤管固定穿设于两组隔板之间，所述中空过滤管的两端分别与进入腔和排出腔相连通，供富氧海水自进入腔流入第一氧分离器的中空过滤管，并经排出腔流出第一氧分离器的中空过滤管，同时供氧气溶剂自进入腔流入第二氧分离器的中空过滤管，并经排出腔流出第二氧分离器的中空过滤管，所述第一壳程和第二壳程分别为所述壳体、两组隔板和中空过滤管之间围合形成的空隙。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元还包括海水泵，所述海水泵与第一氧分离器的进入腔相连通，供富氧海水经由海水泵自所述进入腔泵入第一氧分离组件，并在第一氧分离组件内进行氧气分离后形成低氧海水经第一氧分离器的排出腔排出。
在其中一个实施例中，所述氧气溶剂为血红蛋白溶液或液态氟碳化合物，所述中空过滤管为微孔陶瓷过滤管或金属烧结微滤管。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元还包括空气混合柜和空气泵，所述第二氧分离器的第二壳程、空气泵和空气混合柜串联连接形成连通回路，供自空气混合柜流出的低氧空气流入第二壳程形成富氧空气后回流至空气混合柜。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元还包括废气排放阀、废气泵、氧气浓度传感器和压力传感器，所述废气泵、废气排放阀和空气混合柜串联连通，所述氧气浓度传感器和压力传感器分别与空气混合柜内部相连通，所述氧气浓度传感器用于监测空气混合柜内部的氧气浓度，所述压力传感器用于监测空气混合柜内部的气压。
在其中一个实施例中，所述氢氧燃料电池单元包括空气压缩机、增湿器和氢氧燃料电池发电模块，所述空气混合柜经由空气压缩机和增湿器与氢氧燃料电池发电模块的阴极相连接，供空气混合柜内的富氧空气经空气压缩机增压和增湿器增湿后进入氢氧燃料电池发电模块的阴极。
在其中一个实施例中，所述增湿器为中空纤维加湿器，所述增湿器壳程的排入端和排出端分别与氢氧燃料电池发电模块的尾排口和空气混合柜相连通，所述增湿器管程的排入端和排出端分别与空气压缩机和氢氧燃料电池发电模块的阴极相连通，供氢氧燃料电池发电模块尾排口排出的低氧尾气中的水蒸气，经由增湿器的中空纤维扩散至管程中对流经增湿器管程的富氧空气进行增湿。
在其中一个实施例中，所述天然气制氢单元包括蒸汽发生器、接收调压装置、脱硫装置、重整装置和一氧化碳转化装置，所述接收调压装置、脱硫装置、重整装置、一氧化碳转化装置与氢氧燃料电池发电模块的阳极依次串联连接，供来自于天然气管道或天然气开采设施的天然气依次经由接收调压装置、脱硫装置、重整装置和一氧化碳转化装置制取氢气并进入氢氧燃料电池发电模块的阳极，所述蒸汽发生器与重整装置相连接，供来自于外部的纯水经蒸汽发生器制取水蒸气并进入重整装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的系统供能时间长，使得作业平台在深海长期或永久驻留成为可能。现有燃料电池AIP方案或热机AIP方案均采用自身携带的燃料和氧化剂进行发电供能，受深海作业平台容积限制，自身所携带的燃料和氧化剂有限，其供能时间一般为数天至数十天，作业平台不能实现长时间驻留深海。本发明充分利用深海海水中丰富的氧气资源，以及现阶段愈发完善的海底天然气管网及天然气设施资源，同时借助于海水制氧单元、天然气制氢单元和氢氧燃料电池单元的技术手段，为深海作业平台提供长时间、不间断的能源供应。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为第一氧分离器和第二氧分离器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种深海作业平台燃料电池能源系统，包括海水制氧单元10、天然气制氢单元20和氢氧燃料电池单元30，所述海水制氧单元10用于利用海水制取富氧空气，所述天然气制氢单元20用于利用天然气制取氢气，所述海水制氧单元10和天然气制氢单元20分别与氢氧燃料电池单元30相连接，供海水制氧单元10制取的富氧空气与天然气制氢单元20制取的氢气在氢氧燃料电池单元30内进行电化学反应产生电能。
本发明的深海作业平台燃料电池能源系统通过海水制氧单元10利用海水制取富氧空气，通过天然气制氢单元20利用天然气制取氢气，并将海水制氧单元10制取的富氧空气和天然气制氢单元20制取的氢气通入氢氧燃料电池单元30内进行电化学反应产生电能，从而充分利用深海海水中丰富的氧气资源，以及现阶段愈发完善的海底天然气管网及天然气设施资源，为深海作业平台提供长时间、不间断的能源供应。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元10包括第一氧分离器101、溶剂泵102、溶剂缓冲罐103、第二氧分离器104、空气混合柜105、空气泵106、废气排放阀107、废气泵108、海水泵109、氧气浓度传感器110和压力传感器111，所述第一氧分离器101设有供氧气溶剂流通的第一壳程，以及位于第一壳程内供富氧海水流通且具有氧气选择透过性的第一氧分离组件，所述第二氧分离器104设有供低氧空气流通的第二壳程，以及位于第二壳程内供氧气溶剂流通且具有氧气选择透过性的第二氧分离组件，所述第一壳程、溶剂泵102、第二氧分离组件和溶剂缓冲罐103串联连通，以形成供氧气溶剂循环流通的连通回路，当富氧海水流经第一氧分离组件时，富氧海水中的氧气选择性透过第一氧分离组件进入流经第一壳程的氧气溶剂中，当氧气溶剂流经第二氧分离组件时，氧气溶剂中的氧气选择性透过第二氧分离组件进入流经第二壳程的低氧空气中，供低氧空气形成富氧空气。
所述氧气溶剂为血红蛋白溶液或液态氟碳化合物，该氧气溶剂是一种具有超强氧气溶解能力的溶液，其对氧气具有强亲和力，可采用血红蛋白溶液或液态氟碳化合物等材料，以液态氟碳化合物为例，在25℃，1个大气压下，1L水中大概可以溶解31ml氧气，而1L液态氟碳化合物中可以溶解470ml氧气。其中，液态氟碳化合物可采用全氟戊烷、全氟溴辛烷、全氟己烷、全氟-15-冠-5-醚等。
如图2所示，在其中一个实施例中，所述第一氧分离器101和第二氧分离器104的具体结构如下：所述第一氧分离器101和第二氧分离器104分别包括壳体121，所述第一氧分离组件和第二氧分离组件均为具有氧气选择透过性的中空过滤管122，所述壳体121内设有两组隔板123，所述两组隔板123分别与壳体121两端的内壁围合形成进入腔124和排出腔125，所述中空过滤管122固定穿设于两组隔板123之间，所述中空过滤管122的两端分别与进入腔124和排出腔125相连通，供富氧海水自进入腔124流入第一氧分离器101的中空过滤管122，并经排出腔125流出第一氧分离器101的中空过滤管122，同时供氧气溶剂自进入腔124流入第二氧分离器104的中空过滤管122，并经排出腔125流出第二氧分离器104的中空过滤管122，所述第一壳程和第二壳程分别为所述壳体121、两组隔板123和中空过滤管122之间围合形成的空隙126。
第一氧分离器101和第二氧分离器104采用具有氧气选择透过性的中空过滤管122的技术路线，可用于分离富氧海水或氧气溶剂中的氧气，第一氧分离器101和第二氧分离器104的壳体121内部设置有由数千根甚至数万根中空过滤管122组成的第一氧分离组件和第二氧分离组件，中空过滤管122可采用微孔陶瓷过滤管或金属烧结微滤管。该第一氧分离组件和第二氧分离组件对氧气具有选择透过能力，中空过滤管122的管壁密布微孔，利用氧气分子、氧气溶剂分子与壁孔的大小差异，以及扩散分子的自由行程和透过壁孔速率的不同，而产生Knudsen扩散、分子扩散、粘性流扩散等传质过程，使得氧气分子可以选择性透过壁孔。
在其中一个实施例中，所述第二氧分离器104的第二壳程、空气泵106和空气混合柜105串联连接形成连通回路，供自空气混合柜105的流出端1051流出的低氧空气流入第二壳程形成富氧空气后经流入端1052回流至空气混合柜105，所述空气混合柜105为一种密封、耐压容器，其容积可根据深海作业平台的实际情况进行设置（本实施例空气混合柜容积约为5.0m3）。
在其中一个实施例中，所述海水制氧单元10还包括海水泵109，所述海水泵109与第一氧分离器101的进入腔124相连通，供富氧海水经由进口端1091进入海水泵109，并通过海水泵109自所述进入腔124泵入第一氧分离组件，并在第一氧分离组件内进行氧气分离后形成低氧海水经与第一氧分离器101的排出腔125相连通的排出管1251排出。
富氧海水经海水泵109增压至0.2-0.3MPa后，进入第一氧分离器101的管程（即中空过滤管122内腔），海水流量设定为980SL/min,经测定，富氧海水的氧含量约为8.2ml/L。当富氧海水进入第一氧分离器101的管程后，富氧海水中的氧气分子即选择性透过中空过滤管122管壁，进入到第一壳层的氧气溶剂中。已经分离出氧气分子的低氧海水则排出到系统外部，经实验测定，第一氧分离器101的管程出口的低氧海水氧含量约为2.2ml/L，经计算可知，大约有5.9SL/min的氧气从富氧海水转移至氧气溶剂中。
来自于空气混合柜105的氧气溶剂（氧含量约为112ml/L，流量设定为20SL/min）进入第一氧分离器101的第一壳程后，吸收流经第一氧分离器101管程的富氧海水中分离过来的氧气分子，成为富氧氧气溶剂（氧含量约为412ml/L），富氧氧气溶剂经溶剂泵102加压后，又进入到第二氧分离器104的管程（即中空过滤管122内腔），富氧氧气溶剂中的氧气分子则经第二氧分离器104管程的管壁分离后进入到第二氧分离器104的第二壳程。
空气泵106则将空气混合柜105中的低氧空气加压后，泵入到第二氧分离器104的第二壳程，在第二壳程与从管程分离过来的氧气分子混合后，转变为富氧空气，重新回到空气混合柜105中，空气泵106流量设定为74SL/min，经实验测定，空气泵106入口低氧空气中氧气含量约为18%，富氧空气中氧气含量约为26%。
在其中一个实施例中，所述废气泵108、废气排放阀107和空气混合柜105串联连通，所述氧气浓度传感器110和压力传感器111分别与空气混合柜105内部相连通，所述氧气浓度传感器110用于监测空气混合柜105内部的氧气浓度，所述压力传感器111用于监测空气混合柜105内部的气压。
所述废气泵108和废气排放阀107与压力传感器111联动，当压力传感器111的示数高于上限值（如0.3MPa）时，所述废气泵108和废气排放阀107开启，当压力传感器111的示数低于下限值（如0.25MPa）时，所述废气泵108和废气排放阀107关闭。
所述海水泵109、溶剂泵102、空气泵106与氧气浓度传感器110联动，当氧气浓度传感器110的示数低于下限值（如15%VOL）时，海水泵109、溶剂泵102、空气泵106的转速增加；当氧气浓度传感器110的示数高于上限值（如30%VOL）时，海水泵109、溶剂泵102、空气泵106的转速降低。
海水制氧单元10能够将外部富氧海水中的氧气源源不断地转移到空气混合柜105中，由此不断提升空气混合柜105中氧气浓度，供氢氧燃料电池单元30使用，在本实施例中，经实验测定，海水制氧单元10氧气转移速率约为5.9SL/min。
在其中一个实施例中，所述天然气制氢单元20包括蒸汽发生器21、接收调压装置22、脱硫装置23、重整装置24和一氧化碳转化装置25，所述接收调压装置22、脱硫装置23、重整装置24、一氧化碳转化装置25与氢氧燃料电池发电模块33的阳极依次串联连接，供来自于天然气管道或天然气开采设施的天然气依次经由接收调压装置22、脱硫装置23、重整装置24和一氧化碳转化装置25制取氢气并进入氢氧燃料电池发电模块33的阳极，所述蒸汽发生器21与重整装置24相连接，来自于外部的纯水经入口端211进入蒸汽发生器21制取水蒸气并进入重整装置24。
来自于附近天然气管道或海上天然气开采设施的天然气经管道经由输入端221输送至接收调压装置22，接收调压装置22内设置有减压稳压阀，当上游天然气压力波动时，能够将出口天然气压力稳定为设定值（如0.2-0.3MPa）。经减压后的天然气进入到脱硫装置23中，由于天然气中通常含有微量硫化氢等硫化物，会对下游重整制氢催化剂造成毒化，为此，需要对天然气中的硫化物进行脱除。脱硫装置23采用吸附脱硫技术路线，脱硫剂采用氧化锌或其他材料（本实施例采用氧化锌），可将天然气中的硫化物部分或全部脱除，脱出的硫吸附在脱硫剂上面，脱硫剂可定期或不定期进行更换。脱硫反应如下所示：
Figure 879567DEST_PATH_IMAGE001
完成脱硫后的天然气随即进入到重整装置24中，本实施例中，天然气流速设定为3.0SL/min；与此同时，蒸汽发生器21产生的水蒸气也通过连接管进入到重整装置24中，纯水进料流速设定为4.7ml/min。重整装置24采用水蒸气重整技术路线，将天然气和水蒸气转换为氢气和一氧化碳，其重整反应方程式如下：
Figure 86163DEST_PATH_IMAGE002
天然气重整所得到的的重整气和过量的水蒸气随后进入到一氧化碳转化装置25中。由于重整气中含有少量的CO，而CO可能会对下游的燃料电池催化剂产生毒化，为此，需要将CO进行去除。采用水煤气变换反应去除CO，具体反应方程式如下所示。
Figure 431693DEST_PATH_IMAGE003
反应得到的二氧化碳和氢气随后进入到氢氧燃料电池发电模块33的阳极，作为氢氧燃料电池发电模块33发电的燃料。
天然气制氢单元20可将来自于系统外部的天然气重整为富含氢气的燃料，供氢氧燃料电池发电模块33使用，经测定，天然气制氢单元20出口氢气流量为11.7SL/min。
在其中一个实施例中，所述氢氧燃料电池单元30包括空气压缩机31、增湿器32、氢氧燃料电池发电模块33、直流变换装置34和水箱35，所述空气混合柜105经由空气压缩机31和增湿器32与氢氧燃料电池发电模块33的阴极相连接，供空气混合柜105内的富氧空气经排口端1053排出，并经空气压缩机31增压和增湿器32增湿后进入氢氧燃料电池发电模块33的阴极。
所述增湿器32为中空纤维加湿器，所述增湿器32壳程的排入端和排出端分别与氢氧燃料电池发电模块33的尾排口和空气混合柜105相连通，所述增湿器32管程的排入端和排出端分别与空气压缩机31和氢氧燃料电池发电模块33的阴极相连通，供氢氧燃料电池发电模块33尾排口排出的低氧尾气中的水蒸气，经由增湿器32的中空纤维扩散至管程中对流经增湿器32管程的富氧空气进行增湿。
来自于空气混合柜105的富氧空气经空气压缩机31加压后，进入到增湿器32中，富氧空气流量设定为70SL/min，增湿器32可采用本领域现有技术中的中空纤维加湿器，中空纤维加湿器的具体结构为本领域的公知常识，在此无需详述，富氧空气进入到增湿器32的管程，来自于氢氧燃料电池发电模块33的富含水蒸气的低氧尾气进入到增湿器32的壳程，低氧尾气中的水蒸气通过增湿器32中的中空纤维扩散至管程中，实现对富氧空气的增湿，增湿后的富氧空气随后进入到氢氧燃料电池发电模块33的阴极，低氧尾气则经回流端1054回到空气混合柜105。
来自于一氧化碳转化装置25的氢气（11.7SL/min）与来自于增湿器32的富氧空气（70SL/min）在氢氧燃料电池发电模块33内发生电化学反应，将其化学能转化为电能同时生成水，并产生一定量的废热，具体反应方程式如下所示。
Figure 988577DEST_PATH_IMAGE004
所述氢氧燃料电池发电模块33产生的电能经直流变换装置34调节电压或电制后，通过直流变换装置34的输出端341输送至深海作业平台负载。与此同时，氢氧燃料电池发电模块33产生的富含水蒸气的低氧尾气则进入到增湿器32，对原料气，即富氧空气进行增湿，随后，低氧尾气回到空气混合柜105中。氢氧燃料电池发电模块33发电过程中会产生一定的废热，将外部冷却水从氢氧燃料电池发电模块33的冷却水循环系统进口331排入并从冷却水循环系统出口332排出，对该废热进行冷却。氢氧燃料电池发电模块33产生的产物水则通过连接管接入到水箱35中，可作为纯水供蒸汽发生器21使用，或可供深海作业平台工作人员日常使用。经测定，直流变换装置34输出功率约为1200W，即发电系统输出功率为1200W。
所述空气压缩机31可与直流变换装置34联动，当直流变换装置34输出功率增加时，空气压缩机31转速提高，当直流变换装置34输出功率降低时，空气压缩机31转速降低；以保证氢氧燃料电池发电模块33得到适当的空气供应。
与此同时，所述天然气制氢单元20可根据系统氢气压力波动调节氢气制取量，以保证氢氧燃料电池发电模块33具有充足的氢气供应。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的系统供能时间长，使得作业平台在深海长期或永久驻留成为可能。现有燃料电池AIP方案或热机AIP方案均采用自身携带的燃料和氧化剂进行发电供能，受深海作业平台容积限制，自身所携带的燃料和氧化剂有限，其供能时间一般为数天至数十天，作业平台不能实现长时间驻留深海。本发明充分利用深海海水中丰富的氧气资源，以及现阶段愈发完善的海底天然气管网及天然气设施资源，同时借助于海水制氧单元、天然气制氢单元和氢氧燃料电池单元的技术手段，为深海作业平台提供长时间、不间断的能源供应。
2.本发明的系统振动噪声小，有利于平台科学试验开展并提高居住舒适性。现有热机AIP方案涉及燃料在热机内的剧烈燃烧，振动噪声较大；核动力技术方案由于核反应堆主循环泵需要持续工作，其振动噪声也保持在较高水平。相比较而言，本发明所提出的深海作业平台燃料电池能源系统由于本体没有运动部件，其噪声主要来自于低功率海水泵109和空气压缩机31，系统振动噪声相对较小。
3.本发明的系统不存在核泄漏等安全风险，应用领域不受限制。本技术方案采用常规燃料电池发电技术，系统不存在核泄漏等安全风险，可在具备天然气管网及设施的各大海湾、大洋安全使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，包括海水制氧单元、天然气制氢单元和氢氧燃料电池单元，所述海水制氧单元用于利用海水制取富氧空气，所述天然气制氢单元用于利用天然气制取氢气，所述海水制氧单元和天然气制氢单元分别与氢氧燃料电池单元相连接，供海水制氧单元制取的富氧空气与天然气制氢单元制取的氢气在氢氧燃料电池单元内进行电化学反应产生电能，所述海水制氧单元包括第一氧分离器、溶剂泵、溶剂缓冲罐和第二氧分离器，所述第一氧分离器设有供氧气溶剂流通的第一壳程，以及位于第一壳程内供富氧海水流通且具有氧气选择透过性的第一氧分离组件，所述第二氧分离器设有供低氧空气流通的第二壳程，以及位于第二壳程内供氧气溶剂流通且具有氧气选择透过性的第二氧分离组件，所述第一壳程、溶剂泵、第二氧分离组件和溶剂缓冲罐串联连通，以形成供氧气溶剂循环流通的连通回路，当富氧海水流经第一氧分离组件时，富氧海水中的氧气选择性透过第一氧分离组件进入流经第一壳程的氧气溶剂中，当氧气溶剂流经第二氧分离组件时，氧气溶剂中的氧气选择性透过第二氧分离组件进入流经第二壳程的低氧空气中，供低氧空气形成富氧空气，所述海水制氧单元还包括空气混合柜和空气泵，所述第二氧分离器的第二壳程、空气泵和空气混合柜串联连接形成连通回路，供自空气混合柜流出的低氧空气流入第二壳程形成富氧空气后回流至空气混合柜，所述氢氧燃料电池单元包括空气压缩机、增湿器和氢氧燃料电池发电模块，所述空气混合柜经由空气压缩机和增湿器与氢氧燃料电池发电模块的阴极相连接，供空气混合柜内的富氧空气经空气压缩机增压和增湿器增湿后进入氢氧燃料电池发电模块的阴极，所述增湿器为中空纤维加湿器，所述增湿器壳程的排入端和排出端分别与氢氧燃料电池发电模块的尾排口和空气混合柜相连通，所述增湿器管程的排入端和排出端分别与空气压缩机和氢氧燃料电池发电模块的阴极相连通，供氢氧燃料电池发电模块尾排口排出的低氧尾气中的水蒸气，经由增湿器的中空纤维扩散至管程中对流经增湿器管程的富氧空气进行增湿。
2.根据权利要求1所述的一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，所述第一氧分离器和第二氧分离器分别包括壳体，所述第一氧分离组件和第二氧分离组件均为具有氧气选择透过性的中空过滤管，所述壳体内设有两组隔板，所述两组隔板分别与壳体两端的内壁围合形成进入腔和排出腔，所述中空过滤管固定穿设于两组隔板之间，所述中空过滤管的两端分别与进入腔和排出腔相连通，供富氧海水自进入腔流入第一氧分离器的中空过滤管，并经排出腔流出第一氧分离器的中空过滤管，同时供氧气溶剂自进入腔流入第二氧分离器的中空过滤管，并经排出腔流出第二氧分离器的中空过滤管，所述第一壳程和第二壳程分别为所述壳体、两组隔板和中空过滤管之间围合形成的空隙。
3.根据权利要求2所述的一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，所述海水制氧单元还包括海水泵，所述海水泵与第一氧分离器的进入腔相连通，供富氧海水经由海水泵自所述进入腔泵入第一氧分离组件，并在第一氧分离组件内进行氧气分离后形成低氧海水经第一氧分离器的排出腔排出。
4.根据权利要求3所述的一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，所述氧气溶剂为血红蛋白溶液或液态氟碳化合物，所述中空过滤管为微孔陶瓷过滤管或金属烧结微滤管。
5.根据权利要求3所述的一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，所述海水制氧单元还包括废气排放阀、废气泵、氧气浓度传感器和压力传感器，所述废气泵、废气排放阀和空气混合柜串联连通，所述氧气浓度传感器和压力传感器分别与空气混合柜内部相连通，所述氧气浓度传感器用于监测空气混合柜内部的氧气浓度，所述压力传感器用于监测空气混合柜内部的气压。
6.根据权利要求5所述的一种深海作业平台燃料电池能源系统，其特征在于，所述天然气制氢单元包括蒸汽发生器、接收调压装置、脱硫装置、重整装置和一氧化碳转化装置，所述接收调压装置、脱硫装置、重整装置、一氧化碳转化装置与氢氧燃料电池发电模块的阳极依次串联连接，供来自于天然气管道或天然气开采设施的天然气依次经由接收调压装置、脱硫装置、重整装置和一氧化碳转化装置制取氢气并进入氢氧燃料电池发电模块的阳极，所述蒸汽发生器与重整装置相连接，供来自于外部的纯水经蒸汽发生器制取水蒸气并进入重整装置。
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