CN1808750A - 自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统 - Google Patents

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Abstract

自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，属于船舶相关设备技术领域。储存的汽油进入分解釜后，分解产生纯氢，氢气储筒和氧气储筒内的工质分别流向氢燃料电池中与正、负电极贴合的气流通道板。氢燃料电池发电，用作水下运载器的动力源。氧在由液态变成气态的循环过程中，吸收大量蓄冷剂热量，蓄冷剂将冷量大量散发给空气流，用作空气调节的冷源。该系统所携带的不再是易燃易爆的氢气，而是安全、性质稳定、体积紧凑的汽油，排出的是易处理的碳纤维和水蒸气。同时，系统无偿利用了液氧蒸发时产生的冷量，为运载器的空气调节提供了经济、有效的冷源。系统运转经济，操作简便，使水下运载器可以长期深潜海中，有显著的经济效益和社会效益。

Description

自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统
技术领域
本发明涉及一种水下运载器燃料电池系统，特别是一种能自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，属于船舶相关设备的技术领域。
背景技术
现有的水下运载器空气隔绝的动力系统，虽然能完全不依赖空气工作，以保持水下运载器的长期深潜状态，却存在操作复杂、废料处理困难的缺陷和不足。闭式循环柴油机以柴油为燃料，燃烧废气含有二氧化碳和一氧化碳，必须经过复杂的处理过程才能将废气排出，同时，该循环要求吸入的新鲜气体必须类似空气的成分，故而在使用液氧系统提供的纯氧外，进气中还需混入固定比例的惰性气体，燃烧后还须将废气中的惰性气体分离出来回用，以致循环复杂、操作繁难，运转成本昂贵；隔绝空气的蒸汽轮机动力系统，也是应用常规的含碳燃料，燃烧产物包含二氧化碳，要使废气不留痕迹地排出，同样为循环布置和运转操作带来困难；燃料电池与其他能源相比，有明显的优点，如果燃料电池以氢气作为燃料，排放的仅仅是水蒸气；燃料电池工作过程中不涉及燃烧和热机，不受卡诺循环效率的限制，总的热效率最高可达80％，它的发电系统总体为模件结构，通过单电池堆叠构成电池组，没有规模限制，同时，每个模件都能被更换，维修管理容易，可靠性高，它的电力系统供电可靠性高，即使是在额定输出功率以下的部分负载运转，效率变化也不大，对额定功率以上的过载也能忍耐，此外，响应速度也快，其性能特别有利于需要紧急启动的运载器；但是，目前应用的氢燃料电池动力系统，以携带纯氢为燃料，废气的处理是方便的，携带纯氢燃料却是昂贵的；由于纯氢的易燃易爆性，使纯氢的储存和携带都十分危险，更由于纯氢的体积过大，储存空间大，使燃料的携带和存储存在困难。
水下运载器由于本身工作环境的原因，对于空气调节的要求十分严格，不得不安置专门的系统、耗费额外的能源以调节空气的温度和湿度，即使液氧的蒸发过程伴随大量冷量的释放，目前水下运载器对所释放的冷源还不能回收利用，只能白白浪费。
发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种燃料携带安全而方便、燃料生成物处理简单而经济、适于水下运载器长期深潜、空气隔绝的燃料电池与空气调节联合系统。该系统需要存储的是常规的汽油燃料和液氧，便于储存和携带；燃烧废气的成分是水蒸汽，只需冷凝就可以方便地排出。
本发明是通过下述技术方案实现的：本发明包括汽油储筒、分解釜、碳纤维收集器、氢燃料电池、配电站、海水冷凝器、液氧真空罐、低温阀、回热器、板式换热器、回流阀、调节阀、出流阀、低温储槽、翅片管段、空调风扇、低温液泵、氧气储筒、氢气储筒、电热器件、截止阀、海水泵。在汽油储筒内储存着足够的汽油，在低温储槽内存储蓄冷剂。分解釜由于电热器件的加热作用，保持在383K的恒定温度。分解釜内装有外表喷涂金属镍的硅石填料。在喷镍硅石的催化作用和383K的温度条件下，汽油迅速分解为纯氢和碳纤维。碳纤维的成分是汽油分解后除了纯氢以外的全部组分的结合物，主体是碳，以松散的纤维组织为存在形态。汽油储筒内储存的汽油进入分解釜后，分解产生的纯氢以气体状态经截止阀流入氢气储筒，分解釜下部的出口定期开启，使固态的碳纤维落入碳纤维收集器，准备装入密闭容器投入大海。
储存于液氧真空罐中的液态氧，经低温阀的控制和流量调节，由液氧真空罐抽出，经回热器再经板式换热器后，重新进入回热器。然后，管道里部分蒸发的氧和液态氧的混合物再次流经液氧真空罐内的盘管后第二次经过板式换热器充分吸热蒸发，以气态进入氧气储筒。
板式换热器内氧的吸热和蒸发，是依赖蓄冷剂的放热。在低温液泵的推动下，板式换热器内吸收冷量后的蓄冷剂一部分流入低温储槽，蓄冷备用；一部分经低温液泵的作用循环流动。当经过翅片管段时，由于空调风扇的搅动气流作用和翅片管的强化散热作用，将冷量大量散发给空气流，用作水下运载器的空调冷源。当动力系统待机、液氧停止蒸发时，低温储槽内的蓄冷剂将继续循环流动，发挥空调冷源的作用。
当燃料电池与空气调节联合动力系统工作时，氢气储筒和氧气储筒内的工质分别流向氢燃料电池中与负电极、正电极贴合的气流通道板。氢燃料电池因此发电，用作水下运载器的动力源，同时产生水蒸气。水蒸气被引入海水冷凝器，经与冷海水换热而凝结为水，与海水冷凝器流出的废海水一起流入大海。
在每次氢燃料电池工作结束准备断路前，都应保证氢气储筒和氧气储筒内有足够压力的气体储备，以满足下一次氢燃料电池开始工作的需要。氢燃料电池正常运转后，所提供的电流可以保证电热器件的工作，使分解釜处于需要的温度状态，连续生产氢气。
本发明的有益效果是，氢燃料电池动力系统所携带的不再是易燃易爆的氢气，而是携带安全、性质稳定、体积紧凑的汽油，排出的是碳纤维和水蒸气，都是容易处理和方便排出的。同时，系统无偿利用了液氧蒸发时产生的冷量，为运载器的空气调节提供了经济、有效的冷源。整个系统运转经济，操作简便，使水下运载器可以长期深潜海中，是一个经济、可靠、高效、操作方便的动力系统，有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。
如图1所示，本发明包括汽油储筒1，分解釜2，碳纤维收集器3，氢燃料电池4，配电站5，海水冷凝器6，液氧真空罐7，低温阀8，回热器9，板式换热器10，回流阀11，调节阀12，出流阀13，低温储槽14，翅片管段15，空调风扇16，低温液泵17，氧气储筒18，氢气储筒19，电热器件20，截止阀21，海水泵22。
汽油储筒1的出口与分解釜2的进口相连，分解釜2的下端出口与碳纤维收集器3的进口连接，分解釜2的气体出口通过截止阀21与氢气储筒19的进口连接。氢气储筒的出口与氢燃料电池4中和负电极贴合的气流通道板连接。
液氧真空罐7的出口通过低温阀8、回热器9的一个管组与板式换热器10的第一通道进口端连接，第一通道的出口端通过回热器9的另一管组与液氧真空罐7内的盘管进口端连接，该盘管的出口端与板式换热器10的第二通道进口端连接，第二通道的出口端与氧气储筒18的进口相连接，氧气储筒18的出口与氢燃料电池4中和正电极贴合的气流通道板连接。
低温液泵17的出口与板式换热器10的蓄冷剂通道的进口连接，蓄冷剂通道的出口通过回流阀11与低温储槽14的进口连接，低温储槽14的出口通过出流阀13与翅片管段15的一端连接。翅片管段15的另一端与低温液泵17的进口连接。翅片管段15的侧面设置了空调风扇16。调节阀12安装在回流阀11的进口端和出流阀13的出口端之间，以形成通道的旁路。在低温储槽14内存储的蓄冷剂是三氟氯甲烷(R-13)，由于三氟氯甲烷具有较低的凝固温度，热容量大，有利于环境保护，适合用作蓄冷剂。
氢燃料电池4的正负电极分别与配电站5的两输入端电连接，配电站5的一个输出端与电热器件20电连接。
氢燃料电池4的水蒸汽出口与海水冷凝器6的管程进口连接，海水冷凝器6的壳程进口经海水泵22与海水的吸入口连接，海水冷凝器6的壳程出口与海水冷凝器6的管程出口汇合后，与大海相通。
分解釜2与电热器件20紧密贴合以减少加热时的传热热阻，电分解釜2由于电热器件20的加热作用，保持在383K的恒定温度。分解釜2内装有外表喷涂金属镍的硅石填料。在喷镍硅石的催化作用和383K的温度条件下，汽油储筒1内流出的汽油迅速分解为纯氢和碳纤维。纯氢以气体状态经截止阀21流入氢气储筒19，分解釜2下部的出口定期开启，使固态的碳纤维落入碳纤维收集器3，准备装入密闭容器投入大海。
储存于液氧真空罐7中的液态氧，经低温阀8的控制和流量调节，由液氧真空罐7抽出，经回热器9再经板式换热器10后，重新进入回热器9。然后，管道里部分蒸发的氧和液态氧的混合物再次流经液氧真空罐7内的盘管，放热后第二次经过板式换热器10充分吸热蒸发，以气态进入氧气储筒18。
板式换热器10内氧的吸热和蒸发，是依赖蓄冷剂的放热。在低温液泵17的推动下，板式换热器10内吸收冷量后的蓄冷剂一部分流入低温储槽14，蓄冷备用；另一部分经低温液泵17的作用循环流动，当经过翅片管段15时，由于空调风扇16的搅动气流作用和翅片管段15的强化散热作用，将冷量大量散发给空气流，用作水下运载器的空调冷源。当动力系统待机、液氧停止蒸发时，低温储槽14内的蓄冷剂将继续循环流动，发挥空调冷源的作用。
本发明中的氢燃料电池采用质子交换膜类型燃料电池。当氢燃料电池动力系统工作时，氢气储筒19和氧气储筒18内的工质分别流向氢燃料电池5中与负电极、正电极贴合的气流通道板。氢燃料电池5因此发电，用作水下运载器的动力源，同时产生水蒸气。水蒸气被引入海水冷凝器6，经与冷海水换热而凝结为水，与海水冷凝器6流出的废海水一起流入大海。
在每次氢燃料电池5工作结束准备断路前，都应保证氢气储筒19和氧气储筒18内有足够压力的气体储备，以满足下一次氢燃料电池开始工作的需要。

Claims (4)

1.一种自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，包括汽油储筒(1)，分解釜(2)，碳纤维收集器(3)，氢燃料电池(4)，配电站(5)，海水冷凝器(6)，液氧真空罐(7)，低温阀(8)，回热器(9)，板式换热器(10)，回流阀(11)，调节阀(12)，出流阀(13)，低温储槽(14)，翅片管段(15)，空调风扇(16)，低温液泵(17)，氧气储筒(18)，氢气储筒(19)，电热器件(20)，截止阀(21)，海水泵(22)；其特征在于汽油储筒(1)的出口与分解釜(2)的进口相连，分解釜(2)的下端出口与碳纤维收集器(3)的进口连接，分解釜(2)的气体出口通过截止阀(21)与氢气储筒(19)的进口连接；氢气储筒的出口与氢燃料电池(4)中和负电极贴合的气流通道板连接；液氧真空罐(7)的出口通过低温阀(8)、回热器(9)的一个管组与板式换热器(10)的第一通道进口端连接，第一通道的出口端通过回热器(9)的另一管组与液氧真空罐(7)的管程进口端连接，液氧真空罐(7)的管程出口端与板式换热器(10)的第二通道进口端连接，第二通道的出口端与氧气储筒(18)的进口相连接，氧气储筒(18)的出口与氢燃料电池(4)中和正电极贴合的气流通道板连接，低温液泵(17)的出口与板式换热器(10)的蓄冷剂通道的进口连接，蓄冷剂通道的出口通过回流阀(11)与低温储槽(14)的进口连接，低温储槽(14)的出口通过出流阀(13)与翅片管段(15)的一端连接；翅片管段(15)的另一端与低温液泵(17)的进口连接，氢燃料电池(4)的正负电极分别与配电站(5)的两输入端电连接，配电站(5)的输出端与电热器件(20)电连接，电热器件(20)与分解釜(2)紧密贴合；氢燃料电池(4)的水蒸汽出口与海水冷凝器(6)的管程的进口连接，海水冷凝器(6)的壳程进口经由海水泵(22)与海水的吸入口连接，海水冷凝器(6)的壳程出口与海水冷凝器(6)管程的出口汇合后，与大海相通；低温储槽(14)内装载有蓄冷剂；分解釜(2)内装有外表喷涂金属镍的硅石填料，分解釜(2)经电热器件(20)的加热作用保持在383K的恒定温度。
2.根据权利要求1所述的自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，其特征是所述的低温储槽(14)内装载的蓄冷剂是三氟氯甲烷；氢燃料电池采用质子交换膜类型燃料电池。
3.根据权利要求1所述的自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，其特征是在回流阀(11)的进口端和出流阀(13)的出口端之间安装调节阀(12)。
4.根据权利要求1所述的自产氢气的水下运载器燃料电池与空气调节联合系统，其特征是在翅片管段(15)的侧面设置空调风扇(16)。
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