CN115295842B - 安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法 - Google Patents

安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法，包括液氧储罐，其输出口通过管路连接液氧汽化器，其与氢氧燃料电池连接；氢氧燃料电池的氢气尾气出口通过管路依次串联有氢气电磁排放阀、氢水分离器、一号止回阀和引射器，氢水分离器底部连接氢气侧生成水箱，引射器包含高压入口、低压入口和负压出口，高压入口与氮气管路中氮气电磁阀连接，低压入口与一号止回阀的氢气尾气气体出口连接，负压出口与二号止回阀连接，二号止回阀输出口通过管路依次串联氢气缓冲罐、离子液体压缩机、三号止回阀和氢气瓶；还包括氮气瓶，其出口依次串联氮气减压阀、氮气质量流量控制器、氮气电磁阀，氮气电磁阀的出口与引射器连接，工作可靠性好。

Description

安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法
技术领域
本发明涉及水下潜器安全系统技术领域，尤其是一种安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法。
背景技术
氢氧燃料电池作为水下潜器动力源时，氢气作为燃料，可使用液氧为氧化剂，反应产物为水。在水下潜器燃料电池动力系统中，液氧以-183℃低温储存在液氧储罐中。燃料电池工作时，液氧需要经汽化器气化成气氧，供应给燃料电池与氢气发生电化学反应，产生电能。
现阶段燃料电池技术水平下，由于氢气存在杂质、维持电池性能稳定等原因，氢气利用率无法达到100%，工作一定时间，燃料电池需要排出氢气尾气。尾气中成分含有氢气、水分和碳氧化物等其他气体杂质。
潜器在水下航行或工作时，在一定下潜深度的水下密闭环境下，无法采取措施将氢气排出潜器舱室外部，直接通向海洋中。核电行业中为消除安全壳内氢气，通常采用主动氢气点火器或非能动氢氧复合器的方式。但对空间有限且安全性要求极高的水下潜器来说，若等氢气浓度到一定程度采用主动氢气点火器存在巨大安全风险，且破坏了潜器的完整性。若采用非能动氢氧复合器，占巨大空间的同时，面临在水下制取流动空气的难题。因此，两种核电行业消除氢气方式均不适用于水下密闭空间。
为消除燃料电池的氢气尾气，现有技术均采用化学吸收等方式消除氢气。如公开号CN113120861A提出了一种用于氢燃料电池的尾气消氢系统，具体采用合金储氢罐吸收氢燃料电池的工作过程中产生的氢气尾气。公开号CN 107749487A公开了一种氢燃料电池消氢装置及密闭环境下的消氢方法，该装置同样采用多个合金储氢罐作为氢气尾气吸收装置。
以上均存在以下问题：
一是合金储氢吸收氢气存在氢气平台压较低、需要低温环境等条件，在燃料电池排放较多尾气情况下，无法及时、完全消除氢气；
二是氢气尾气中含有微量水、碳氧化物、碳氢化物等杂质气体，容易毒化合金储氢罐内储氢材料，造成合金储氢罐中毒失效，无法吸收氢气；
三是合金储氢罐寿命有限，无法循环使用，潜器每个潜次完成后，需要在舱室内不停更换新的未吸氢的合金储氢罐。多次拆卸管路，增加了保障人员负担，多次拆卸易产生氢气泄漏点，导致氢气泄漏隐患；
四是水下工作状态下，发热设备较多，舱室环境温度较高，合金储氢罐容易吸收环境温度热量二次释放出吸收的氢气尾气。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统及方法，从而该回收系统综合利用水下潜器燃料电池动力系统内部配置，针对燃料电池工作过程中氢气尾气脉冲式排放，氢气排放量波动范围大、成分复杂等特点，采用氢水分离器来冷却燃料电池氢气尾气，去除氢气尾气中水分杂质，避免水腐蚀设备。
本发明所采用的技术方案如下：
一种安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，包括液氧储罐，所述液氧储罐的输出口通过管路连接液氧汽化器，所述液氧汽化器通过管路与氢氧燃料电池连接，所述液氧汽化器将液氧储罐输送过来的液氧气化成气氧，气氧供应给氢氧燃料电池发电；所述氢氧燃料电池的氢气尾气出口通过管路依次串联有氢气电磁排放阀、氢水分离器、一号止回阀和引射器，所述氢水分离器底部连接氢气侧生成水箱，引射器包含高压入口、低压入口和负压出口，高压入口与氮气管路中氮气电磁阀连接，低压入口与一号止回阀的氢气尾气气体出口连接，负压出口与二号止回阀连接，所述二号止回阀输出口通过管路依次串联氢气缓冲罐、离子液体压缩机、三号止回阀和氢气瓶；还包括氮气瓶，所述氮气瓶的出口通过管路依次串联氮气减压阀、氮气质量流量控制器、氮气电磁阀，氮气电磁阀的出口与引射器连接；还包括同时与液氧汽化器和离子液体压缩机连接的发电机，所述氢氧燃料电池通过管路依次串联有燃料电池生成水箱、水循环泵和冷媒汽化器，所述冷媒汽化器与发电机连接，所述冷媒汽化器同时通过管路与燃料电池生成水箱连通，所述液氧汽化器和冷媒汽化器接通，液氧汽化器和冷媒汽化器之间设置有液态泵。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述液氧储罐采用一种超低温真空绝热压力容器，液氧储罐的内部存储液氧。
所述液氧汽化器内部包含有增压换热管路和汽化换热管路。
所述一号止回阀、二号止回阀和三号止回阀均为单向阀。
所述氢水分离器底部为液体出口，上部为气体出口。
所述氢气瓶的储存压力为70MPa。
一种安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统的方法，包括如下操作步骤：
（一）、氢氧燃料电池的发电过程：
第一步：潜器在水下航行或作业；
第二步：氢氧燃料电池开始工作，液氧储罐中存储的液氧，流入液氧汽化器气化成气态氧气，供应给氢氧燃料电池内部，与氢气发生电化学反应产生电能，提供给潜器水下推进和潜器内部用电设备使用；
（二）、氢气尾气排放与汽水分离过程：
以固定频率开启氢氧燃料电池中氢气尾气排放口的氢气电磁排放阀，使得燃料电池内部的带有压力、温度和湿度的氢气尾气排出，排出的氢气尾气流入氢水分离器，分离出冷却水和气态氢气尾气，冷却水从氢水分离器下方出口流入燃料电池系统内部氢气侧生成水箱，气态氢气尾气从氢水分离器上方出口进经一号止回阀，进入引射器低压入口；
（三）、氢气尾气充氮混合稀释过程：
在氢气电磁排放阀开启的同一时刻，氮气电磁阀开启，储存在氮气瓶中的氮气经氮气减压阀减压，经氮气质量流量控制器、氮气电磁阀流入引射器的高压入口，高压氮气将低压入口的气态氢气尾气吸取和引射夹带，形成稳定流量、压力的混合充氮气态氢气尾气，氮气稀释了氢气尾气中氢气的浓度，形成高安全、低浓度的混合充氮气态氢气尾气；
（四）、燃料电池生成水热能回收过程：
燃料电池在发生电化学反应产生电能过程中，生成70℃的气液水混合物进入燃料电池生成水箱中储存，燃料电池生成水箱中的高温液态水在水循环泵输送下，形成稳定流量的高温液态水，进入冷媒汽化器换热管路与冷媒汽化器中的超低温冷媒热交换，再返回至燃料电池生成水箱22；
（五）、液氧冷能回收发电过程：
通过冷媒回收液氧在汽化成气态氧气过程中产生大量冷能，冷媒通过液氧汽化器吸收液氧释放的冷能降温液化，形成超低温液态冷媒，在液态泵循环下进入冷媒汽化器中；
超低温液态冷媒与冷媒汽化器换热管路中的高温液态水发生热交换，吸收高温液态水热量发生汽化，形成气态冷媒驱动发电机，进行冷电转换，产生电能，电能驱动离子液体压缩机工作，发电机出口的气态冷媒回到液氧汽化器中，吸收液氧的冷能，降温液化成超低温液态冷媒，形成闭式循环；
（六）、氢气尾气压缩回收过程：
经引射器形成的混合充氮气态氢气尾气，流经二号止回阀进入氢气缓冲罐储存、缓冲，进入离子液体压缩机加压，形成高压氢气，经三号止回阀进入氢气瓶中存储，实现氢气尾气的高效安全回收；
（七）、潜器上浮保障过程压缩氢气尾气排放过程：
潜器在水下航行一段时间后，上浮至海面母船或岸基保障基地进行补给保障时，采用外部连接的金属软管连接氢气瓶，将水下回收的氢气尾气安全释放至潜器外，氢气尾气释放完全后，拆除金属软管，氢气瓶循环使用。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，综合利用水下潜器燃料电池动力系统内部配置，针对燃料电池工作过程中氢气尾气脉冲式排放，氢气排放量波动范围大、成分复杂等特点，采用氢水分离器来冷却燃料电池氢气尾气，去除氢气尾气中水分杂质，避免水腐蚀设备。
采用潜器内部配置的稳定高压氮气作为安全保护气源，通过无功耗的引射器来稀释低压氢气尾气，形成稳定流量的混合充氮氢气尾气，将燃料电池内部的氢气尾气完全吸取和夹带。
综合回收利用燃料电池生成水的热能与液氧汽化前后释放的大量冷能，通过闭式循环回收利用液氧汽化气态氧气过程前后释放的大量冷能，直接转换成电能，驱动离子液体压缩机，压缩氢气尾气，选用轻便、耐高压、耐氢脆、可循环使用的塑料内胆碳纤维全缠绕瓶作为氢气尾气储存设备。
本发明采用无功耗的引射器等机械部件进行氢气尾气冷却和夹带，利用燃料电池工作时液氧的大量冷能转化成电能进行氢气尾气压缩，实现冷能有效回收和能量高效利用，系统能耗低，节省潜器能量。
同时，本发明还具备如下优点：
1、本发明针对水下氢氧燃料电池氢气尾气脉冲式排放，存在氢气尾气排放量波动范围大、成分复杂的特点，采用结构简单、无功耗的引射器，使用潜器舱室内携带的高压氮气作为安全保护气，对低压氢气尾气进行引射和稀释，利用充氮的方式来实现氢气尾气安全、平稳、连续输送，提高系统工作连续性与安全性。
2、本发明系统性利用燃料电池系统产生热能与冷能特性，综合利用燃料电池生成水的热能与氧化剂液氧的冷能，通过冷媒的闭式循环实现了燃料电池生成水热能的二次利用和液氧冷能的有效回收，实现能量高效利用，无能量自耗，节省了潜器能量。
3、本发明使用车用领域成熟的70MPa塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶作为氢气尾气储存设备，体积小，重量轻，单航次氢气可储存量大，气瓶不受氢气尾气中多成分气体杂质的毒化影响，可实现氢气尾气全部回收，气瓶选用塑料内胆，避免长时间使用后的氢气氢脆问题，安全可靠。
4、本发明在潜器上浮保障时，可通过金属软管将回收的氢气安全释放至舱外，长时间使用后，氢气瓶没有必要更换，可循环使用，减轻潜器保障人员负担。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
其中：1、液氧储罐；2、液氧汽化器；3、氢氧燃料电池；4、氢气电磁排放阀；5、氢水分离器；6、氢气侧生成水箱；7、一号止回阀；8、引射器；9、氮气瓶；10、氮气减压阀；11、氮气质量流量控制器；12、氮气电磁阀；13、二号止回阀；14、氢气缓冲罐；15、离子液体压缩机；16、三号止回阀；17、氢气瓶；18、发电机；19、冷媒汽化器；20、液态泵；21、水循环泵；22、燃料电池生成水箱。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，包括液氧储罐1，液氧储罐1的输出口通过管路连接液氧汽化器2，液氧汽化器2通过管路与氢氧燃料电池3连接，液氧汽化器2将液氧储罐1输送过来的液氧气化成气氧，气氧供应给氢氧燃料电池3发电；氢氧燃料电池3的氢气尾气出口通过管路依次串联有氢气电磁排放阀4、氢水分离器5、一号止回阀7和引射器8，氢水分离器5底部连接氢气侧生成水箱6，引射器8包含高压入口、低压入口和负压出口，高压入口与氮气管路中氮气电磁阀12连接，低压入口与一号止回阀7的氢气尾气气体出口连接，负压出口与二号止回阀13连接，二号止回阀13输出口通过管路依次串联氢气缓冲罐14、离子液体压缩机15、三号止回阀16和氢气瓶17；还包括氮气瓶9，氮气瓶9的出口通过管路依次串联氮气减压阀10、氮气质量流量控制器11、氮气电磁阀12，氮气电磁阀12的出口与引射器8连接；还包括同时与液氧汽化器2和离子液体压缩机15连接的发电机18，氢氧燃料电池3通过管路依次串联有燃料电池生成水箱22、水循环泵21和冷媒汽化器19，冷媒汽化器19与发电机18连接，冷媒汽化器19同时通过管路与燃料电池生成水箱22连通，液氧汽化器2和冷媒汽化器19接通，液氧汽化器2和冷媒汽化器19之间设置有液态泵20。
液氧储罐1采用一种超低温真空绝热压力容器，液氧储罐1的内部存储液氧。
液氧汽化器2内部包含有增压换热管路和汽化换热管路。
一号止回阀7、二号止回阀13和三号止回阀16均为单向阀。
氢水分离器5底部为液体出口，上部为气体出口。
氢气瓶17的储存压力为70MPa。
本实施例的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统的方法，包括如下操作步骤：
（一）、氢氧燃料电池3的发电过程：
第一步：潜器在水下航行或作业；
第二步：氢氧燃料电池3开始工作，液氧储罐1中存储的液氧，流入液氧汽化器2气化成气态氧气，供应给氢氧燃料电池3内部，与氢气发生电化学反应产生电能，提供给潜器水下推进和潜器内部用电设备使用；
（二）、氢气尾气排放与汽水分离过程：
以固定频率开启氢氧燃料电池3中氢气尾气排放口的氢气电磁排放阀4，使得燃料电池内部的带有压力、温度和湿度的氢气尾气排出，排出的氢气尾气流入氢水分离器5，分离出冷却水和气态氢气尾气，冷却水从氢水分离器5下方出口流入燃料电池系统内部氢气侧生成水箱6，气态氢气尾气从氢水分离器5上方出口进经一号止回阀7，进入引射器8低压入口；
（三）、氢气尾气充氮混合稀释过程：
在氢气电磁排放阀4开启的同一时刻，氮气电磁阀12开启，储存在氮气瓶9中的氮气经氮气减压阀10减压，经氮气质量流量控制器11、氮气电磁阀12流入引射器8的高压入口，高压氮气将低压入口的气态氢气尾气吸取和引射夹带，形成稳定流量、压力的混合充氮气态氢气尾气，氮气稀释了氢气尾气中氢气的浓度，形成高安全、低浓度的混合充氮气态氢气尾气；
（四）、燃料电池生成水热能回收过程：
燃料电池在发生电化学反应产生电能过程中，生成70℃的气液水混合物进入燃料电池生成水箱22中储存，燃料电池生成水箱22中的高温液态水在水循环泵21输送下，形成稳定流量的高温液态水，进入冷媒汽化器19换热管路与冷媒汽化器19中的超低温冷媒热交换，再返回至燃料电池生成水箱22；
（五）、液氧冷能回收发电过程：
通过冷媒回收液氧在汽化成气态氧气过程中产生大量冷能，冷媒通过液氧汽化器2吸收液氧释放的冷能降温液化，形成超低温液态冷媒，在液态泵20循环下进入冷媒汽化器19中；
超低温液态冷媒与冷媒汽化器19换热管路中的高温液态水发生热交换，吸收高温液态水热量发生汽化，形成气态冷媒驱动发电机18，进行冷电转换，产生电能，电能驱动离子液体压缩机15工作，发电机18出口的气态冷媒回到液氧汽化器2中，吸收液氧的冷能，降温液化成超低温液态冷媒，形成闭式循环；
（六）、氢气尾气压缩回收过程：
经引射器8形成的混合充氮气态氢气尾气，流经二号止回阀13进入氢气缓冲罐14储存、缓冲，进入离子液体压缩机15加压，形成高压氢气，经三号止回阀16进入氢气瓶17中存储，实现氢气尾气的高效安全回收；
（七）、潜器上浮保障过程压缩氢气尾气排放过程：
潜器在水下航行一段时间后，上浮至海面母船或岸基保障基地进行补给保障时，采用外部连接的金属软管连接氢气瓶17，将水下回收的氢气尾气安全释放至潜器外，氢气尾气释放完全后，拆除金属软管，氢气瓶17循环使用。
本发明回收系统的具体结构和功能如下：
主要组成部分由液氧储罐1、液氧汽化器2、氢氧燃料电池3、氢气电磁排放阀4、氢水分离器5、水箱、引射器8、多个止回阀、氢气缓冲罐14、氮气瓶9、氮气减压阀10、氮气电磁阀12、离子液体压缩机15、储氢瓶、发电机18、液态泵20、冷媒汽化器19、燃料电池生成水箱22、水循环泵21等组成。
液氧储罐1--是一种超低温真空绝热压力容器，在低温条件下可存储一定压力下的液氧，其出口端通过管路与液氧汽化器2连接。
液氧汽化器2--液氧汽化器2内部包含了增压换热管路和汽化换热管路，用于将液氧储罐1中的液氧气化成气氧，气氧供应给氢氧燃料电池3发电，液氧气化过程中释放大量冷能，冷能经换热转换发电驱动离子液体压缩机15工作。
氢氧燃料电池3--一种能量转换装置，通过电化学反应将燃料氢气和氧化剂氧气中储存的化学能转换为电能，氧化剂入口经管路连接液氧汽化器2，氢气尾气出口连接氢气电磁排放阀4。
氢气电磁排放阀4--设置在氢氧燃料电池3的氢气尾气出口，按照设定程序，定期开启和闭合，用于将氢氧燃料电池3工作过程中生成的氢气尾气脉冲式排放。
氢水分离器5--入口端通过管路连接氢气电磁排放阀4，用于对排放的氢氧燃料电池3的氢气尾气进行气态氢气尾气和水分杂质的气液分离，包含上下方两个出口，下方液体出口与氢气侧生成水箱6连接，上方气体出口通过管路依次与一号止回阀7、引射器8低压入口连接。
氢气侧生成水箱6--用于收集水分离器分离出来的液态水。
一号止回阀7--单向阀，一端连接氢水分离器5上方气体出口，另一端连接引射器8低压入口。
引射器8--一种结构简单、体积小的文丘里管喷嘴。利用文丘里效应，使用高压气体对低压气体进行吸取、引射的机械部件，包含高压入口、低压入口和负压出口，高压入口与氮气管路中氮气电磁阀12连接，低压入口与一号止回阀7的氢气尾气气体出口连接，负压出口与二号止回阀13连接。
氮气瓶9--高压氮气储存装置，用于储存一定压力的氮气。
氮气减压阀10--连接氮气瓶9出口，用于将氮气瓶9出口高压气体减压至一定压力。
氮气质量流量控制器11--设置在氮气减压阀10与氮气电磁阀12间，用于控制减压后的氮气流量。
氮气电磁阀12--电动开启闭合阀门，一端连接氮气质量流量控制器11，另一端连接引射器8的高压入口，用于控制氮气管路的开启闭合。
氢气缓冲罐14--用于储存引射器8负压出口的充氮混合氢气尾气。
二号止回阀13--单向阀，一端连接氢气缓冲罐14，另一端连接离子液体压缩机15。
离子液体压缩机15--氢气压缩装置，用于压缩氢气，压缩机驱动电能来自于液氧汽化器2中冷能的转换。
三号止回阀16--单向阀，一端连接离子液体压缩机15，另一端连接氢气瓶17。
氢气瓶17--氢气储存设备，Ⅳ型瓶，塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶，储存压力可达到70MPa。
发电机18--发电设备，用于回收液氧汽化释放的冷量发电，驱动离子液体压缩机15。
冷媒汽化器19--入口端连接液态泵20，出口端连接发电机18。用于换热冷媒，使得气化后的冷媒驱动发电机18发电。
液态泵20--增压设备，用于抽取增压液态冷媒，形成冷却回路内的冷媒循环。入口端连接冷媒汽化器19，出口端连接发电机18的入口。
燃料电池生成水箱22--燃料电池生成水储存设备，用于收集燃料电池发电过程中生成的高温液态水。
水循环泵21--液体输送设备，入口端连接燃料电池生成水箱22，出口端连接冷媒汽化器19换热管入口。用于抽取燃料电池生成水箱22中带有一定温度的液态水，形成稳定流量的液态水，输送至冷媒汽化器19换热管路，与液态冷媒发生热交换，使得冷媒吸收水的热量气化，驱动发电机18发电。
本回收系统针对燃料电池工作过程中氢气尾气脉冲式排放，氢气排放量波动范围大、成分复杂等特点，采用水分离器来冷却燃料电池氢气尾气，去除氢气尾气中水分杂质，避免水腐蚀设备。采用潜器内部配置的稳定高压氮气作为安全保护气源，通过引射器8来稀释低压氢气尾气，形成稳定流量的混合充氮氢气尾气，将燃料电池内部的氢气尾气完全带出。综合利用燃料电池生成水的热能与回收液氧汽化前后释放的大量冷能，将液氧冷能转换成电能，驱动离子液体压缩机15，压缩氢气尾气，选用轻便、耐高压、耐氢脆、可循环使用的塑料内胆碳纤维全缠绕瓶作为氢气尾气储存设备，安全可靠。本回收系统采用引射器8为无功耗机械部件，压缩氢气尾气耗能来自燃料电池工作时液氧产生的大量冷能，能量利用率高，节省潜器携带能量。
实际使用过程中：
（一）、氢氧燃料电池3的发电过程。
潜器在水下航行或作业时，氢氧燃料电池3开始工作，液氧储罐1中存储的液氧，流入液氧汽化器2气化成气态氧气，供应给氢氧燃料电池3内部，与氢气发生电化学反应产生电能，提供给潜器水下推进和潜器内部用电设备使用。
（二）、氢气尾气排放与汽水分离过程。
氢氧燃料电池3在长时间工作，产生电能时，为维持电池性能稳定，避免电池内部发生“水淹”，同时排出电池内部积聚的氢气杂质，需以固定频率开启氢氧燃料电池3中氢气尾气排放口的氢气电磁排放阀4，使得燃料电池内部的带有一定压力、温度和湿度的氢气尾气排出，排出的氢气尾气流入氢水分离器5，分离出冷却水和气态氢气尾气，冷却水从氢水分离器5下方出口流入燃料电池系统内部氢气侧生成水箱6，气态氢气尾气从水分离器上方出口进经一号止回阀7，进入引射器8低压入口。
（三）、氢气尾气充氮混合稀释过程。
在氢气电磁排放阀4开启的同一时刻，氮气电磁阀12开启，储存在氮气瓶9中的氮气经氮气减压阀10减压，经氮气质量流量控制器11、氮气电磁阀12流入引射器8的高压入口，高压氮气将低压入口的气态氢气尾气吸取和引射夹带，形成稳定流量、压力的混合充氮气态氢气尾气，氮气稀释了氢气尾气中氢气的浓度，形成高安全、低浓度的混合充氮气态氢气尾气。
（四）、燃料电池生成水热能回收过程。
燃料电池在发生电化学反应产生电能过程中，生成约70℃的气液水混合物进入燃料电池生成水箱22中储存，燃料电池生成水箱22中的高温液态水在水循环泵21输送下，形成稳定流量的高温液态水，进入冷媒汽化器19换热管路与冷媒汽化器19中的超低温冷媒热交换，再返回至燃料电池生成水箱22。
（五）、液氧冷能回收发电过程。
通过冷媒回收液氧在汽化成气态氧气过程中产生大量冷能，冷媒通过液氧汽化器2吸收液氧释放的冷能降温液化，形成超低温液态冷媒，在液态泵20循环下进入冷媒汽化器19中。
超低温液态冷媒与冷媒汽化器19换热管路中的高温液态水发生热交换，吸收高温液态水热量发生汽化，形成气态冷媒驱动发电机18，进行冷电转换，产生电能，电能驱动离子液体压缩机15工作。发电机18出口的气态冷媒回到液氧汽化器2中，吸收液氧的冷能，降温液化成超低温液态冷媒，形成闭式循环。
（六）、氢气尾气压缩回收过程。
经引射器8形成的混合充氮气态氢气尾气，流经二号止回阀13进入氢气缓冲罐14储存、缓冲，进入离子液体压缩机15加压，形成高压氢气，经三号止回阀16进入氢气瓶17中存储，实现氢气尾气的高效安全回收。
（七）、潜器上浮保障过程压缩氢气尾气排放过程。
潜器在水下航行一定时间后，上浮至海面母船或岸基保障基地进行补给保障时，采用外部连接的金属软管连接氢气瓶17，将水下回收的氢气尾气安全释放至潜器外，氢气尾气释放完全后，拆除金属软管，氢气瓶17循环使用。
通过以上操作步骤可以方便的完成水下密闭舱燃料电池氢气尾气的回收工作，综合利用水下潜器燃料电池动力系统内部配置，针对燃料电池工作过程中氢气尾气脉冲式排放，氢气排放量波动范围大、成分复杂等特点，采用氢水分离器5来冷却燃料电池氢气尾气，去除氢气尾气中水分杂质，避免水腐蚀设备，工作可靠性好。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：包括液氧储罐（1），所述液氧储罐（1）的输出口通过管路连接液氧汽化器（2），所述液氧汽化器（2）通过管路与氢氧燃料电池（3）连接，所述液氧汽化器（2）将液氧储罐（1）输送过来的液氧汽化成气氧，气氧供应给氢氧燃料电池（3）发电；所述氢氧燃料电池（3）的氢气尾气出口通过管路依次串联有氢气电磁排放阀（4）、氢水分离器（5）、一号止回阀（7）和引射器（8），所述氢水分离器（5）底部连接氢气侧生成水箱（6），引射器（8）包含高压入口、低压入口和负压出口，高压入口与氮气管路中氮气电磁阀（12）连接，低压入口与一号止回阀（7）的氢气尾气气体出口连接，负压出口与二号止回阀（13）连接，所述二号止回阀（13）输出口通过管路依次串联氢气缓冲罐（14）、离子液体压缩机（15）、三号止回阀（16）和氢气瓶（17）；还包括氮气瓶（9），所述氮气瓶（9）的出口通过管路依次串联氮气减压阀（10）、氮气质量流量控制器（11）、氮气电磁阀（12），氮气电磁阀（12）的出口与引射器（8）连接；还包括同时与液氧汽化器（2）和离子液体压缩机（15）连接的发电机（18），所述氢氧燃料电池（3）通过管路依次串联有燃料电池生成水箱（22）、水循环泵（21）和冷媒汽化器（19），所述冷媒汽化器（19）与发电机（18）连接，所述冷媒汽化器（19）同时通过管路与燃料电池生成水箱（22）连通，所述液氧汽化器（2）和冷媒汽化器（19）接通，液氧汽化器（2）和冷媒汽化器（19）之间设置有液态泵（20）；
上述安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统的使用方法包括如下操作步骤：
（一）、氢氧燃料电池（3）的发电过程：
第一步：潜器在水下航行或作业；
第二步：氢氧燃料电池（3）开始工作，液氧储罐（1）中存储的液氧，流入液氧汽化器（2）汽化成气态氧气，供应给氢氧燃料电池（3）内部，与氢气发生电化学反应产生电能，提供给潜器水下推进和潜器内部用电设备使用；
（二）、氢气尾气排放与汽水分离过程：
以固定频率开启氢氧燃料电池（3）中氢气尾气排放口的氢气电磁排放阀（4），使得燃料电池内部的带有压力、温度和湿度的氢气尾气排出，排出的氢气尾气流入氢水分离器（5），分离出冷却水和气态氢气尾气，冷却水从氢水分离器（5）下方出口流入燃料电池系统内部氢气侧生成水箱（6），气态氢气尾气从氢水分离器（5）上方出口进经一号止回阀（7），进入引射器（8）低压入口；
（三）、氢气尾气充氮混合稀释过程：
在氢气电磁排放阀（4）开启的同一时刻，氮气电磁阀（12）开启，储存在氮气瓶（9）中的氮气经氮气减压阀（10）减压，经氮气质量流量控制器（11）、氮气电磁阀（12）流入引射器（8）的高压入口，高压氮气将低压入口的气态氢气尾气吸取和引射夹带，形成稳定流量、压力的混合充氮气态氢气尾气，氮气稀释了氢气尾气中氢气的浓度，形成高安全、低浓度的混合充氮气态氢气尾气；
（四）、燃料电池生成水热能回收过程：
燃料电池在发生电化学反应产生电能过程中，生成70℃的气液水混合物进入燃料电池生成水箱（22）中储存，燃料电池生成水箱（22）中的高温液态水在水循环泵（21）输送下，形成稳定流量的高温液态水，进入冷媒汽化器（19）换热管路与冷媒汽化器（19）中的超低温冷媒热交换，再返回至燃料电池生成水箱22；
（五）、液氧冷能回收发电过程：
通过冷媒回收液氧在汽化成气态氧气过程中产生大量冷能，冷媒通过液氧汽化器（2）吸收液氧释放的冷能降温液化，形成超低温液态冷媒，在液态泵（20）循环下进入冷媒汽化器（19）中；
超低温液态冷媒与冷媒汽化器（19）换热管路中的高温液态水发生热交换，吸收高温液态水热量发生汽化，形成气态冷媒驱动发电机（18），进行冷电转换，产生电能，电能驱动离子液体压缩机（15）工作，发电机（18）出口的气态冷媒回到液氧汽化器（2）中，吸收液氧的冷能，降温液化成超低温液态冷媒，形成闭式循环；
（六）、氢气尾气压缩回收过程：
经引射器（8）形成的混合充氮气态氢气尾气，流经二号止回阀（13）进入氢气缓冲罐（14）储存、缓冲，进入离子液体压缩机（15）加压，形成高压氢气，经三号止回阀（16）进入氢气瓶（17）中存储，实现氢气尾气的高效安全回收；
（七）、潜器上浮保障过程压缩氢气尾气排放过程：
潜器在水下航行一段时间后，上浮至海面母船或岸基保障基地进行补给保障时，采用外部连接的金属软管连接氢气瓶（17），将水下回收的氢气尾气安全释放至潜器外，氢气尾气释放完全后，拆除金属软管，氢气瓶（17）循环使用。
2.如权利要求1所述的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：所述液氧储罐（1）采用一种超低温真空绝热压力容器，液氧储罐（1）的内部存储液氧。
3.如权利要求1所述的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：所述液氧汽化器（2）内部包含有增压换热管路和汽化换热管路。
4.如权利要求1所述的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：所述一号止回阀（7）、二号止回阀（13）和三号止回阀（16）均为单向阀。
5.如权利要求1所述的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：所述氢水分离器（5）底部为液体出口，上部为气体出口。
6.如权利要求1所述的安全无自耗水下密闭舱燃料电池氢气尾气回收系统，其特征在于：所述氢气瓶（17）的储存压力为70MPa。
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