CN116039895B - 低噪声氨氢电驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低噪声氨氢电驱动系统，该电驱动系统应用于无人潜航器，包括高温气冷核反应堆氦气循环、氨分解制氢系统、燃料电池电堆和储电装置；其中，高温气冷堆产生高温氦气，依次为氨分解制氢系统和制氧装置提供热量，发生分解反应产生氢气和氧气，通过回热器和预热器冷却后通入燃料电池发生电化学反应发电，产生的电能存入储电装置或驱动电机提供动力，生成的热水为液氨蒸发器提供热量产生氨气。本发明采用高储氢密度且易存储的液氨分解制氢和高能量转化效率的燃料电池发电系统替代了传统核动力二回路系统，消除了汽轮机和压缩机等大噪声旋转部件，大幅降低了潜航器动力系统的噪声，显著提高了动力系统的可靠性和能量利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人潜航器动力系统领域，尤其涉及一种低噪声氨氢电驱动系统。
背景技术
无人潜航器在水下侦察、反潜、隐蔽攻击、海洋资源探测、水下作业等军用和民用领域已受到广泛关注，正发挥着越来越重要作用，可通过自动控制或远程控制的方式在水下或海底进行非载人航行并开展智能化作业，需要具备续航能力强、隐蔽性好、可靠性高等特点。因此，无人潜航器的动力系统至关重要。
无人潜航器的动力系统包括燃油动力、锂电池动力、核动力和燃料电池动力等多种形式。燃油动力系统结构复杂且噪声大，排放烟雾和CO2等温室气体，易暴露潜航器位置，且不利于“碳中和”目标的实现；锂电池动力系统虽然噪声小且无污染排放，但能量密度低、续航能力差；申请号为202110396953.4的中国专利涉及的核动力系统虽然续航能力极强，但存在汽轮机和压缩机等旋转部件引起噪声和降低系统可靠性；申请号为202111619278.3的中国专利涉及的氢燃料电池动力系统与锂电池动力系统一样具有噪声极小的优点，且续航能力比锂电池动力系统更强，但需要携带氢燃料储罐，然而氢气爆炸极限宽、渗透性强、液化温度极低(约-252℃)、密度小，导致氢燃料储运困难、成本高、易泄漏、安全性低且储氢密度低，限制了氢燃料电池动力系统的续航能力和可靠性。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种低噪声氨氢电驱动系统，基于高温气冷核反应堆的热裂解氨气制氢并通入燃料电池发电以提供电驱动力，可为无人潜航器或水面舰船提供高效的低噪声动力。
本发明采用的技术方案是：一种低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：包括高温气冷核反应堆氦气循环、氨分解制氢系统、燃料电池电堆和储电装置，其中高温气冷堆产生高温氦气，高温氦气依次通过制氢系统和制氧系统为化学分解反应提供热量，生成氢气、氮气和氧气，经过回热器和预热器进行放热后，氢气和氧气输入至燃料电池系统发电驱动电机或存入储电装置，氮气进入收集装置进行反应或存储。
高温气冷核反应堆氦气循环包括高温气冷堆、氨分解反应器、过热器、氦气循环泵和制氧装置，高温气冷堆以氦气作为冷却剂并输出高温氦气，在氦气循环泵的输送下，高温氦气依次流经氨分解反应器、过热器和制氧装置，逐级供给热量降温后再被输送回高温气冷堆完成氦气循环；
氨分解制氢系统包括液氨存储罐、液氨泵、蒸发器、预热器、回热器、过热器、氨分解反应器和氢氮分离器，液氨存储罐中的液氨经由液氨泵输送至蒸发器内蒸发变为低温氨气；低温氨气依次流经预热器、回热器和过热器被逐级加热至氨分解温度以上，形成过热氨气；过热氨气被输送至氨分解反应器内，在催化剂和高温氦气的作用下发生分解，输出高温的氢氮混合气；氢氮混合气经由回热器被降温后输出至氢氮分离器，经过分离后输出中温的氢气和氮气，氢气和氮气被分别输入到预热器的不同通道中放热后降温至低温；
来自预热器的低温氢气和氧气在燃料电池电堆内发生电化学反应输出电能，依据运行工况存入至储电装置或驱动电机；
高温气冷反应堆为模块化核反应堆，内部空间充满化学性能稳定的稀有气体——氦气，以氦气作为冷却剂；利用多组热管插入堆芯，将高温气冷堆堆芯的热量导出，将氦气加热至高温，并将其作为传热媒介，输送至制氢和制氧系统中。
进一步地，所述高温气冷堆输出的高温氦气压力为2～3MPa、温度为800～850℃；氨分解反应器输出的次高温氦气温度为650～700℃；过热器输出的中温氦气温度为450～500℃；制氧装置输出的低温氦气温度为350～400℃。
进一步地，所述液氨存储罐工作压力为1.0MPa、存储温度为20℃；蒸发器输出的低温氨气温度为25～30℃；预热器输出的中温氨气温度为300～350℃；回热器输出的高温氨气温度为400～450℃；过热器输出的过热氨气温度为550～600℃。
进一步地，所述氨分解反应器为管壳式结构，管内为来自高温气冷堆的高温氦气，管外为镀有催化剂的多孔支撑结构，来自过热器的氨气流过多孔结构在催化剂的作用下发生分解反应生成氢气和氮气，其输出的高温氢氮混合气温度为550～600℃。
进一步地，所述回热器为逆流管壳式换热器，输出的中温氢氮混合气温度为400～450℃；氢氮分离器为钯膜渗透分离器，输出的中温氢气和氮气温度均为350-400℃。
进一步地，所述制氧装置为管板式填充床结构，管内为来自过热器的中温氦气，管外空间填充有固态制氧原料，制氧原料为氯酸盐或碱金属超氧化物(如NaClO3、KClO3、Na2O4、K2O4等)，制氧原料在高温下热分解生成氧气；制氧装置输出的中温氧气温度为300～350℃。
进一步地，所述预热器多通道的板翅式换热器，多个通道内分别通有同流向的氢气、氮气和氧气，以及逆流向的氨气；通入的氧气温度低于通入的氢气和氮气，氧气通入口的位置位于氢气和氮气通入口的下游；预热器输出的低温氢气、氮气和氧气的温度均为30～35℃。
进一步地，所述燃料电池电堆电化学反应及其热管理系统均生成50～60℃的热水，被输送至蒸发器为液氨的蒸发提供热量。
进一步地，所述燃料电池电堆输出电功率大于驱动电机所需的功率时，储电装置存储多余的电能；所述燃料电池电堆输出功率小于驱动电机所需的功率时，储电装置与燃料电池电堆一起输出电功率至电机，以保证无人潜航器的正常工作和和实现功率快速变化时的及时响应。
进一步地，可与低噪声氨氢电驱动系统并联设置一套氦气-蒸汽联合发电驱动系统可在应急状态下或噪声限值要求不高的情况下使用，增强大型无人潜航器的续航里程和应急能力；氦气-蒸汽联合发电驱动系统包括高温气冷堆、氦气轮机、蒸汽发生器、氦气压缩机、第一发电机，蒸汽轮机、冷凝器、凝结水泵、第二发电机。该联合系统产生的电能可储存在储电装置或直接驱动电机。
本发明取得的有益效果是：
1、本发明提出的基于高温气冷堆的氨氢动力系统，不含大噪声的旋转机械和运动部件，一方面能大幅降低动力系统的噪声，另一方面能提升动力系统的可靠性和稳定性；
2、本发明直接利用核反应堆产生的热能分解氨和固体氧，然后利用高效率的燃料电池发电，相比于传统的布雷顿循环和朗肯循环等热力循环具有更高的能量转化效率；
3、本发明采用液氨的形式存储氢能，其相对于高压储氢(气态)或低温储氢(液态)具有四方面的优势：
(1)、能克服易燃易爆的安全隐患；
(2)、具有更温和的存储温度和存储压力，高压储氢压力通常需要75MPa或更高，低温储氢在1.0MPa存储压力下存储温度仍然需要低于-241℃，而液氨在1.0MPa时存储温度仅需低于25℃，更易于存储且液化功耗小；
(3)、具有更高的体积储氢密度。在-241℃/1.0MPa的存储条件下液氢的体积储氢密度约为51kg/m3，而在25℃/1.0MPa存储条件下液氨的体积储氢密度约为107kg/m3，超过前者的两倍，相对高压储氢优势更为明显，能有效提升续航里程；
(4)、原材料氨气生成技术成熟，在工业生产中可大量获取；
4、本发明采用固态氧技术供给氧气，一方面其与液氧具有相似的氧存储密度但其更易于存储，能够为燃料电池反应提供充足的氧气，另一方面其分解过程可梯级利用氦气所携带的热能；
5、本发明对该动力系统运行过程中产生的氧气、氢气、氮气和热水的余热进行了回收利用，提高了核反应堆热能的综合利用效率。
附图说明
图1是面向小型无人潜航器的基于高温气冷核反应堆的低噪声氨氢电驱动系统结构示意图；
图2是面向大型无人潜航器的应急混合动力系统结构示意图；
图中：1、高温气冷堆；2、氨分解反应器；3、过热器；4、氦气循环泵；5、制氧装置；6、液氨存储罐；7、液氨泵；8、蒸发器；9、预热器；10、回热器；11、氢氮分离器；12、氮气收集装置；13、输氧泵；14、燃料电池电堆；15、储电装置(蓄电池组)；16、电机；17、氦气轮机；18、蒸汽发生器；19、氦气压缩机；20、第一发电机；21、蒸汽轮机；22、冷凝器；23、凝结水泵；24、第二发电机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明的一种基于高温气冷核反应堆的低噪声氨氢电驱动系统，包括高温气冷核反应堆氦气循环、氨分解制氢系统、制氧装置、燃料电池发电系统、储电装置、氮气收集装置等；其中高温气冷堆1产生高温氦气，高温氦气依次通过制氢系统和制氧系统提供热量分解产生氢气、氮气和氧气，经过回热器和预热器进行放热后，氢气和氧气输入至燃料电池系统发电驱动电机或存入储电装置，氮气进入收集装置进行反应或存储。图中略去了各类阀门。
高温气冷堆氦气循环系统包括高温气冷堆1、氨分解反应器2、过热器3、氦气循环泵4、制氧装置5。高温气冷堆1输出压力为2～3MPa、温度为800～850℃的高温氦气至氨分解反应器2，氦气在氨分解反应器2内供给热量降温至650～700℃后被输送至过热器3，氦气在过热器3内释放热量降温至450～500℃后经氦气循环泵4输送至制氧装置5，氦气在制氧装置5供给热量降温至350～400℃后被输送回高温气冷堆1完成氦气循环。
氨分解制氢系统包括液氨存储罐6、液氨泵7、蒸发器8、预热器9、回热器10、过热器3、氨分解反应器2和氢氮分离器11。液氨存储罐6工作压力为1.0MPa、存储温度为20℃，液氨经由液氨泵7输送至蒸发器8内蒸发变为25～30℃的氨气，氨气输入预热器9后被加热至300～350℃，随后经过回热器10后被加热至400～450℃，进一步经过过热器3后被加热至氨分解温度以上，即550～600℃，过热氨气被输送至氨分解反应器2内，在催化剂的作用下发生分解，输出550～600℃氢氮混合气，氢氮混合气经由回热器10被降温至400-450℃后输入至氢氮分离器11，经过钯膜渗透分离后分别输出350-400℃的氢气和氮气，氢气和氮气被分别输入到预热器9的不同通道中放热后降温至30～35℃，冷却后的氮气被直接排放或进入氮气收集装置12进行反应和存储。
本实施例中，氮气收集装置12可以设置为普通存储罐或直接排放到潜航器内部空间，在适当时间排放到潜航器外部空间，也可采用多孔金属锂与氮气反应生成氮化锂进行固氮，同时可输出副产物氮化锂。如本动力系统用于水面舰船，则可不用设置氮气收集装置，可直接将氮气排放至大气。
制氧装置5工作温度为300～350℃，在氦气提供热量的条件下分解固态氧(NaClO3)生成300～350℃的氧气，经由输氧泵13输出至预热器9中的氧气通道，由于进入预热器9中的氧气温度低于进入预热器9中的氢气和氮气的温度，氧气通道的入口位于氢气通道和氮气通道的下游，氧气在预热器9中放热后降温至30-35℃。
被冷却至30～5℃的氢气和氧气同时通入燃料电池电堆14发生电化学反应产生电能和生成热水，产生的电能可输入到储电装置15(即蓄电池组)或驱动电机16，生成的热水和燃料电池热管理系统产生的热水温度为50-60℃，被输送至蒸发器8内为液氨的蒸发提供热量。
进一步地，在燃料电池电堆14输出电功率大于驱动电机16所需的功率时，储电装置15存储多余的电能；在燃料电池电堆14输出功率小于驱动所需的功率时，储电装置与燃料电池一起输出电功率至电机16，以保证无人潜航器的正常工作和和实现需求功率快速变化时的及时响应。
针对大型无人潜航器更长续航里程的需求和更大的可用空间，本发明同时提出在图1所示的氨氢动力系统的基础上，并联设置一套氦气-蒸汽联合发电驱动系统，如图2所示，可在应急状态下或噪声限值要求不高的情况下使用，增强大型无人潜航器的续航里程和应急能力。氦气-蒸汽联合发电驱动系统由高温氦气布雷顿循环和蒸汽朗肯循环组成，具体包括高温气冷堆1、氦气轮机17、蒸汽发生器18、氦气压缩机19、第一发电机20，蒸汽轮机21、冷凝器22、凝结水泵23、第二发电机24。该联合系统产生的电能可储存在储电装置15或直接驱动电机16。
在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：包括高温气冷核反应堆氦气循环、氨分解制氢系统、燃料电池电堆(14)和储电装置，
所述高温气冷核反应堆氦气循环包括高温气冷堆(1)、氨分解反应器(2)、过热器(3)、氦气循环泵(4)和制氧装置(5)，高温气冷堆(1)以氦气作为冷却剂并输出高温氦气，在氦气循环泵(4)的输送下，高温氦气依次流经氨分解反应器(2)、过热器(3)和制氧装置(5)，逐级供给热量降温后再被输送回高温气冷堆(1)完成氦气循环；
所述氨分解制氢系统包括液氨存储罐(6)、液氨泵(7)、蒸发器(8)、预热器(9)、回热器(10)、过热器(3)、氨分解反应器(2)和氢氮分离器(11)，液氨存储罐(6)中的液氨经由液氨泵(7)输送至蒸发器(8)内蒸发变为低温氨气；低温氨气依次流经预热器(9)、回热器(10)和过热器(3)被逐级加热至氨分解温度以上，形成过热氨气；过热氨气被输送至氨分解反应器(2)内，在催化剂和高温氦气的作用下发生分解，输出高温的氢氮混合气；氢氮混合气经由回热器(10)被降温后输出至氢氮分离器(11)，经过分离后输出中温的氢气和氮气，氢气和氮气被分别输入到预热器(9)的不同通道中放热后降温至低温；
来自预热器(9)的低温氢气和氧气在燃料电池电堆(14)内发生电化学反应输出电能，依据运行工况存入至储电装置(15)或驱动电机(16)；
高温气冷堆(1)产生高温氦气，高温氦气通过氨分解制氢系统为分解反应提供热量，生成氢气、氮气和氧气，经过回热器和预热器进行放热后，氢气和氧气输入至燃料电池电堆(14)发电并驱动电机或存入储电装置(15)。
2.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述高温气冷堆(1)输出的高温氦气压力为2～3MPa、温度为800～850℃；氨分解反应器(2)输出的次高温氦气温度为650～700℃；过热器(3)输出的中温氦气温度为450～500℃；制氧装置(5)输出的低温氦气温度为350～400℃。
3.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述液氨存储罐(6)工作压力为1.0MPa、存储温度为20℃；蒸发器(8)输出的低温氨气温度为25～30℃；预热器(9)输出的中温氨气温度为300～350℃；回热器(10)输出的高温氨气温度为400～450℃；过热器(3)输出的过热氨气温度为550～600℃。
4.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述氨分解反应器(2)为管壳式结构，管内为来自高温气冷堆(1)的高温氦气，管外为镀有催化剂的多孔支撑结构，来自过热器(3)的氨气流过多孔结构在催化剂的作用下发生分解反应生成氢气和氮气，其输出的高温氢氮混合气温度为550～600℃。
5.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述回热器(10)为逆流管壳式换热器，输出的中温氢氮混合气温度为400～450℃；氢氮分离器(11)为钯膜渗透分离器，输出的中温氢气和氮气温度均为350-400℃。
6.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述制氧装置(5)为管板式填充床结构，管内为来自过热器(3)的中温氦气，管外空间填充有固态制氧原料，制氧原料为氯酸盐或碱金属超氧化物，制氧原料在高温下热分解生成氧气；制氧装置(5)输出的中温氧气温度为300～350℃。
7.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述预热器(9)多通道的板翅式换热器，多个通道内分别通有同流向的氢气、氮气和氧气，以及逆流向的氨气；通入的氧气温度低于通入的氢气和氮气，氧气通入口的位置位于氢气和氮气通入口的下游；预热器(9)输出的低温氢气、氮气和氧气的温度均为30～35℃。
8.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(14)电化学反应及其热管理系统均生成50～60℃的热水，被输送至蒸发器(8)为液氨的蒸发提供热量。
9.根据权利要求1所述的低噪声氨氢电驱动系统，其特征在于：所述燃料电池电堆(14)输出电功率大于驱动电机(16)所需的功率时，储电装置(15)存储多余的电能；所述燃料电池电堆(14)输出功率小于驱动电机(16)所需的功率时，储电装置(15)与燃料电池电堆(14)一起输出电功率至电机(16)，以保证无人潜航器的正常工作和和实现功率快速变化时的及时响应。
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