CN115472875A - 一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法 - Google Patents

一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法 Download PDF

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Abstract

一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法，包括燃料电池电堆、预留储水瓶和多个储气储水瓶，所述燃料电池电堆的出口处通过连接管与预留储水瓶连通，所述预留储水瓶的出口处安装有导水泵，所述导水泵的输出端通过多根分支的瓶间管路连接各个储气储水瓶，每根瓶间管路上安装有气压阀，每个储气储水瓶的瓶口还通过气管与燃料电池电堆连通。在不加装额外装置容器的情况下解决燃料电池反应水的储存问题，优化设备布置空间，减小载人潜水器重量负担。初始状态燃料电池反应水存储于预留储水瓶内，储气瓶与预留储水瓶间管路安装气压阀，待气瓶内气体消耗完毕，气压下降至指定数值，阀门打开，预留储水瓶内的反应水将导入空置储气瓶。

Description

一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法
技术领域
本发明涉及载人潜水器储水装置技术领域，尤其是一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法。
背景技术
载人潜水器能使人类亲临海底现场，进行实地考察、取样、测绘、搜寻、打捞等作业，能在复杂海洋环境中进行精细海底作业。
随着对载人潜水器作业要求的提高，长航程、多样作业能力逐渐成为载人潜水器的重要功能，因此要求载人潜水器配置充足能源。当能源要求较高时，氢燃料电池比锂电池更具优势，但氢燃料电池在发电过程中反应生成的水需要得到妥善的处理，对于能源要求较高的载人潜水器反应生成的水量往往能达到百公斤以上，如果直接排出潜水器将导致潜水器水下均衡被破坏，所以需要将反应生成水保留在潜水器内，但是用专用容器存储需占据较大空间，这将加重本就紧张的潜水器内部空间布置压力，所以需要一种装置可以将反应生成水存储回气体反应后空置的气瓶内。
目前，载人潜水器无此类设备，部分使用燃料电池的潜艇会直接将反应生成的水作为生活用水进行循环，最后收集在固定舱室，但由于载人潜水器相比于潜艇空间较小，可利用空间有限，所以不适用于此类处理方式。
因此适用于载人潜水器的燃料电池气瓶储水装置应具备以下特点：
1、燃料电池工作前气瓶内存储氢气及氧气；
2、随着燃料电池的反应，生成的水进入气体消耗完而空置的气瓶内存储；3、单个气瓶储满水后进入下一个气瓶继续存储。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置及操作方法，从而可以随着燃料电池的反应将生成的水存储入气体消耗完而空置的气瓶中，将空置气瓶空间利用起来，在不增加反应水专用存储空间的情况下，将反应水存储在潜水器本体内，防止潜水器均衡被打破，产生不可挽回的损失。
本发明所采用的技术方案如下：
一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，包括燃料电池电堆、预留储水瓶和多个储气储水瓶，所述燃料电池电堆的出口处通过连接管与预留储水瓶连通，所述预留储水瓶的出口处安装有导水泵，所述导水泵的输出端通过多根分支的瓶间管路连接各个储气储水瓶，每根瓶间管路上安装有气压阀，每个储气储水瓶的瓶口还通过气管与燃料电池电堆连通。
其进一步技术方案在于：
所述预留储水瓶的个数为一个。
所述储气储水瓶的个数为3-25个。
所述储气储水瓶的个数为10个。
预留储水瓶与单个储气储水瓶的容积相同。
每个储气储水瓶的内部安装有液位高度计。
每根气管上安装有单向阀。
预留储水瓶和每个储气储水瓶的瓶口均通过密封装置密封。
预留储水瓶和各个储气储水瓶均采用高强碳纤维材料制作。
一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置的操作方法，包括如下过程：
一、潜水器初始工作阶段：
各个储气储水瓶内有氢气或者氧气，通过打开单向阀，氢气或氧气经气管可以进入燃料电池电堆中进行燃烧，气体经燃料电池电堆转换为电能，此电能为潜水器提供动力电，而同时燃料电池电堆反应生成的水经由连接管回收进入预留储水瓶中；
二、潜水器稳定巡航阶段：
潜水器经过初始航行进入到稳定巡航阶段后，随着氢气和氧气的不断消耗，各个储气储水瓶内的氢气或氧气会出现气体存量下降，当气量低于10％时，连通储气储水瓶与预留储水瓶之间的气压阀打开，在导水泵的作用下，预留储水瓶中的水会进入气量低于10％的储气储水瓶中，实现气瓶循环使用；
当储气储水瓶中的液位高度计检测到水到达制定水量，对应的气压阀关闭，新的储气储水瓶的气压阀打开，继续储水；
三、潜水器回收后：
潜水器回收至母船后，将各个储气储水瓶拆出，倒出气瓶中的水，待完全晾干后充入氢气和氧气，重新装上潜水器进行重复使用。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，在不加装额外装置容器的情况下解决燃料电池反应水的储存问题，优化设备布置空间，减小载人潜水器重量负担。
本发明除常规储气瓶外设置一个与储气瓶同等容积的预留储水瓶，初始状态燃料电池反应水存储于预留储水瓶内，储气瓶与预留储水瓶间管路安装气压阀，待气瓶内气体消耗完毕，气压下降至指定数值，阀门打开，预留储水瓶内的反应水将导入空置储气瓶。
本发明所述的每个储气储水瓶内安装有液位高度计，可以实时监控单个气瓶内水量，及时控制气压阀的开启与关闭工作。
液位高度计可以显示单个气瓶内水量，并且在达到限定值后，将关闭连接预留储水瓶的管路阀门并开启下一空置储气瓶阀门进行储水，动作灵敏、有序，工作可靠性好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明单个储气储水瓶的安装示意图。
其中：1、燃料电池电堆；2、气管；3、连接管；4、瓶间管路；5、导水泵；6、预留储水瓶；7、气压阀；8、单向阀；9、液位高度计；10、储气储水瓶。
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和图2所示，本实施例的载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，包括燃料电池电堆1、预留储水瓶6和多个储气储水瓶10，燃料电池电堆1的出口处通过连接管3与预留储水瓶6连通，预留储水瓶6的出口处安装有导水泵5，导水泵5的输出端通过多根分支的瓶间管路4连接各个储气储水瓶10，每根瓶间管路4上安装有气压阀7，每个储气储水瓶10的瓶口还通过气管2与燃料电池电堆1连通。
预留储水瓶6的个数为一个。
储气储水瓶10的个数为3-25个。
储气储水瓶10的个数为10个。
预留储水瓶6与单个储气储水瓶10的容积相同。
每个储气储水瓶10的内部安装有液位高度计9。
每根气管2上安装有单向阀8。
预留储水瓶6和每个储气储水瓶10的瓶口均通过密封装置密封。
预留储水瓶6和各个储气储水瓶10均采用高强碳纤维材料制作，可以在确保瓶身无论受内压或外压，均具有足够强度，同时最大程度降低瓶体重量。
本实施例的载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置的操作方法，包括如下过程：
一、潜水器初始工作阶段：
各个储气储水瓶10内有氢气或者氧气，通过打开单向阀8，氢气或氧气经气管2可以进入燃料电池电堆1中进行燃烧，气体经燃料电池电堆1转换为电能，此电能为潜水器提供动力电，而同时燃料电池电堆1反应生成的水经由连接管3回收进入预留储水瓶6中；
二、潜水器稳定巡航阶段：
潜水器经过初始航行进入到稳定巡航阶段后，随着氢气和氧气的不断消耗，各个储气储水瓶10内的氢气或氧气会出现气体存量下降，当气量低于10％时，连通储气储水瓶10与预留储水瓶6之间的气压阀7打开，在导水泵5的作用下，预留储水瓶6中的水会进入气量低于10％的储气储水瓶10中，实现气瓶循环使用；
当储气储水瓶10中的液位高度计9检测到水到达制定水量，对应的气压阀7关闭，新的储气储水瓶10的气压阀7打开，继续储水；
三、潜水器回收后：
潜水器回收至母船后，将各个储气储水瓶10拆出，倒出气瓶中的水，待完全晾干后充入氢气和氧气，重新装上潜水器进行重复使用。
如图1和图2所示，本发明具体的结构和功能如下：
主要包括预留储水瓶6、导水泵5、瓶间管路4、气压阀7、储气储水瓶10、液位高度计9等。
预留储水瓶6连接燃料电池电堆1，燃料电池电堆1内反应生成的水直接通过连接管3导入预留储水瓶6中，预留储水瓶6通过导水泵5分别连接各路瓶间管路4，瓶间管路4通过气压阀7连接储气储水瓶10；液位高度计9安装于每个储气储水瓶10内对液位进行监控。
本发明的工作原理：
载人潜水器初始状态燃料电池所需的氢气和氧气分别储存于储气瓶中，预留储水瓶6内空置，当燃料电池开始工作时，燃料电池电堆1反应生成的水导入预留储水瓶6进行收集，随着储气储水瓶10内的气体反应消耗，气瓶内气压下降，当气压下降至设计值时，气压阀7打开，当预留储水瓶6内水量达到目标值，导水泵5开始工作将预留储水瓶6内的反应水导入气压阀7已开的空置的储气储水瓶10内，当储气储水瓶10内的液位高度计9监测到水量达到极限值会控制气压阀7关闭，反应水将被导入其他空置储气储水瓶10中，依次类推。
本发明通过气压阀7、液位高度计9等装置的合理运用，实现燃料电池储气瓶的一瓶多用，彻底改变了原有储气瓶仅用于储气的单一用途。
本发明采用储气瓶再利用方式解决了燃料电池反应水储存难题，免除了设置单独储存设备新增的重量和占用空间引起的空间布置紧张问题。
实际工作过程中：
工况一(潜水器工作初始阶段)：
潜水器初始工作阶段，各个储气储水瓶10内有氢气或者氧气，经电控开关控制开启，氢气和氧气经气管2进入燃料电池电堆1中进行燃烧，气体经燃料电池电堆1转换为电能，此电能为潜水器提供动力电，而同时燃料电池电堆1反应生成的水经由连接管3回收进入预留储水瓶6中。
工况二(潜水器稳定巡航阶段)：
潜水器经过初始航行进入到稳定巡航阶段后，随着氢气和氧气的不断消耗，各个储气储水瓶10会出现气体存量下降，当气量低于10％时，连通储气储水瓶10与预留储水瓶6的气压阀7打开，在导水泵5的作用下，预留储水瓶6中的水会进入气量低于10％的储气储水瓶10中，实现气瓶循环使用。
当气瓶中的液位高度计9检测到气瓶中的水到达制定水量，对应的气压阀7关闭，新的储气储水瓶10的气压阀7打开，继续储水。
工况三(潜水器回收后)：
潜水器回收至母船后，将各个气瓶拆出，倒出气瓶中的水，待完全晾干后充入氢气和氧气，重新装上潜水器进行重复使用。
本发明所述的燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
本发明所述的燃料电池电堆1为供氢气和氧气进行电化学反应的反应堆，其中包括双极板，膜电极等主要结构，原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
负极反应式为：2H2-4e-＝4H+；
正极反应式为：O2+4H++4eˉ＝2H2O。
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 (10)

1.一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：包括燃料电池电堆(1)、预留储水瓶(6)和多个储气储水瓶(10)，所述燃料电池电堆(1)的出口处通过连接管(3)与预留储水瓶(6)连通，所述预留储水瓶(6)的出口处安装有导水泵(5)，所述导水泵(5)的输出端通过多根分支的瓶间管路(4)连接各个储气储水瓶(10)，每根瓶间管路(4)上安装有气压阀(7)，每个储气储水瓶(10)的瓶口还通过气管(2)与燃料电池电堆(1)连通。
2.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：所述预留储水瓶(6)的个数为一个。
3.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：所述储气储水瓶(10)的个数为3-25个。
4.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：所述储气储水瓶(10)的个数为10个。
5.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：预留储水瓶(6)与单个储气储水瓶(10)的容积相同。
6.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：每个储气储水瓶(10)的内部安装有液位高度计(9)。
7.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：每根气管(2)上安装有单向阀(8)。
8.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：预留储水瓶(6)和每个储气储水瓶(10)的瓶口均通过密封装置密封。
9.如权利要求1所述的一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置，其特征在于：预留储水瓶(6)和各个储气储水瓶(10)均采用高强碳纤维材料制作。
10.一种载人潜水器专用燃料电池的气瓶储水装置的操作方法，其特征在于：包括如下过程：
一、潜水器初始工作阶段：
各个储气储水瓶(10)内有氢气或者氧气，通过打开单向阀(8)，氢气或氧气经气管(2)可以进入燃料电池电堆(1)中进行燃烧，气体经燃料电池电堆(1)转换为电能，此电能为潜水器提供动力电，而同时燃料电池电堆(1)反应生成的水经由连接管(3)回收进入预留储水瓶(6)中；
二、潜水器稳定巡航阶段：
潜水器经过初始航行进入到稳定巡航阶段后，随着氢气和氧气的不断消耗，各个储气储水瓶(10)内的氢气或氧气会出现气体存量下降，当气量低于10％时，连通储气储水瓶(10)与预留储水瓶(6)之间的气压阀(7)打开，在导水泵(5)的作用下，预留储水瓶(6)中的水会进入气量低于10％的储气储水瓶(10)中，实现气瓶循环使用；
当储气储水瓶(10)中的液位高度计(9)检测到水到达制定水量，对应的气压阀(7)关闭，新的储气储水瓶(10)的气压阀(7)打开，继续储水；
三、潜水器回收后：
潜水器回收至母船后，将各个储气储水瓶(10)拆出，倒出气瓶中的水，待完全晾干后充入氢气和氧气，重新装上潜水器进行重复使用。
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