CN210133268U

CN210133268U - 基于燃料电池动力系统的无人潜航器

Info

Publication number: CN210133268U
Application number: CN201920821862.9U
Authority: CN
Inventors: 黄湘集; 吴倩; 吴婉怡; 赵言章
Original assignee: Guangdong Hongyuan Hydrogen Power Equipment Manufacturing Co ltd
Current assignee: Guangdong Hongyuan Hydrogen Power Equipment Manufacturing Co ltd
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2029-05-30

Abstract

本实用新型公开一种基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其包括潜航器主体，潜航器主体上设置有燃料电池系统、制氢系统以及电机驱动系统；制氢系统与燃料电池系统连接，为燃料电池系统发电提供即时的氢气供应；燃料电池系统与电机驱动系统连接，为电机驱动系统提供动力源；制氢系统包括一反应箱，反应箱为金属‑水反应产生氢气的反应容器，反应箱上设置有进水装置和输气装置；本实用新型基于燃料电池动力系统的无人潜航器，采用金属‑水反应制氢原理生产氢气作为动力能源，产出的氢气不含有任何有毒物质，不仅不会影响燃料电池系统的寿命，还不会污染环境和潜航器主体所在的水域环境。

Description

基于燃料电池动力系统的无人潜航器

技术领域

本实用新型涉及无人潜航器技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池动力系统的无人潜航器。

背景技术

燃料电池氢动力是近年来无人潜艇器(UUV)设计极为流行的先进能源动力。与斯特林、MESMA或CCD等AIP系统相比，燃料电池的最大优势是通过几乎不发出噪音的电化学反应，直接产生直流电。燃料电池在隐身性(包括安静性与低热信号)、能量转换效率(牵扯的机械装置最少)与降低机械复杂度等诸多方面，都有着很大优势，特别适合潜艇应用。

目前的燃料电池电动潜艇，主要是由高压储氢罐组提供氢气，储氢罐的压力通常要做到70MPa以上，压力越高，加注过程能量损失越大，泄漏危险也越大，并且在如此高压力下，储氢质量密度也很难超过本领域公认的氢燃料电池能够大规模应用的必要储氢比6.5wt％。

鉴于上述情况，避免搭载危险的高压氢气，且在同等质量情况下，可以搭载更多的氢气，使得UUV的潜航时间更长，是目前UUV的主要研究课题。目前，有采用甲醇水重整制氢燃料电池电动潜艇技术方案，然而，不管使用何种技术重整甲醇制氢，其分解气中都有大量的CO(30％以上)，太高的CO浓度容易使燃料电池的阳极Pt电极中毒，严重影响燃料电池的效率和寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决上述技术问题而提供一种对环境友好、安全高效的基于燃料电池动力系统的无人潜航器。

为了实现上述目的，本实用新型公开一种基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其包括潜航器主体，所述潜航器主体上设置有燃料电池系统、制氢系统以及电机驱动系统；所述制氢系统与所述燃料电池系统连接，为所述燃料电池系统发电提供即时的氢气供应；所述燃料电池系统与所述电机驱动系统连接，为所述电机驱动系统提供动力源；所述制氢系统包括一反应箱，所述反应箱为金属-水反应产生氢气的反应容器，所述反应箱上设置有进水装置和输气装置，所述进水装置用于向所述反应箱实时输入反应用水，所述输气装置用于将所述反应箱内生产的氢气传输给所述燃料电池系统。

与现有技术相比，本实用新型基于燃料电池动力系统的无人潜航器，在潜航器主体上设置有燃料电池系统、制氢系统以及电机驱动系统，通过制氢系统实时反应产出的氢气为燃料电池系统提供发电能源，燃料电池系统发出的电供给给潜航器主体的电机驱动系统，从而为潜航器主体提供动力，在上述系统结构中，制氢系统采用金属-水反应制氢原理生产氢气，产出的氢气不含有任何有毒物质，不仅不会影响燃料电池系统的寿命，还不会污染环境和潜航器主体所在的水域环境；另外，通过制氢系统和燃料电池系统为潜航器提供动力，制氢系统所用到的最多的物料为水，可直接从潜航器主体的外部取得，使得潜航器主体无需携带体积比较庞大的高压氢气罐，既减轻了潜航器主体的整体质量，还有效提高了潜航器主体的安全性能。

较佳地，所述进水装置包括与所述反应箱连接的水泵和与所述水泵连接的储水箱。

较佳地，所述输气装置包括与所述反应箱连接的输气管路，所述输气管路上设置有氢气压缩器、设置于所述氢气压缩器前端的换热器以及设置于所述氢气压缩器后端的用于暂存氢气的储存罐，所述储存罐上还设置有电动控制阀。

较佳地，所述输气装置还包括设置于所述换热器和所述氢气压缩器之间的气液分离器、活性炭吸附装置、冷冻干燥器以及流量计。

较佳地，所述燃料电池系统包括电池电堆，所述电池电堆上设置有进气管路和排气管路，所述进气管路上设置有进气阀，所述排气管路上设置有排气阀，所述排气管路上还设置有与所述进气管路连接的氢气循环泵。

较佳地，所述燃料电池系统还包括与所述电池电堆连接的散热系统。

较佳地，所述散热系统包括使水流在所述电池电堆内循环流动的水冷散热器、循环水泵、以及补水箱。

较佳地，所述潜航器主体上还设置一电能变换装置，所述电能变换装置的输入端与所述燃料电池系统连接，所述电能变换装置的输出端与所述电机驱动系统连接，所述电能变换装置用于将所述燃料电池系统产生的电能转换成安全电源。

较佳地，所述电能变换装置包括DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的输入端与所述燃料电池系统电性连接，所述DC-DC变换器的输出端与所述电机驱动系统电性连接。

较佳地，所述基于燃料电池动力系统的无人潜航器还包括一中央控制装置，所述中央控制装置分别与所述燃料电池系统、所述制氢系统、所述电机驱动系统以及所述电能变换装置电性连接。

附图说明

图1为本实用新型实施例中无人潜航器的立体结构示意图。

图2为本实用新型实施例中燃料电池动力系统的系统结构示意图。

图3为本实用新型实施例中制氢系统的系统结构示意图。

图4本实用新型实施例中燃料电池系统的系统结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、结构特征、实现原理及所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1至图3所示，本实用新型本实用新型公开一种基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其包括潜航器主体1，潜航器主体1上设置有燃料电池系统2、制氢系统3以及电机驱动系统4；制氢系统3与燃料电池系统2连接，为燃料电池系统2发电提供即时的氢气供应；燃料电池系统2与电机驱动系统4连接，为电机驱动系统4提供动力源；制氢系统3包括一反应箱30，反应箱30为金属 -水反应产生氢气的反应容器，反应箱30上设置有进水装置31和输气装置32，进水装置31用于向反应箱30实时输入反应用水，输气装置32用于将反应箱30 内生产的氢气传输给燃料电池系统2。本实施例中，制氢系统3采用铝-水反应制氢，潜航器主体1上安装有左右两个侧翼10，其中一个侧翼10上设置有用于安装制氢系统3的制氢箱11，另外一个侧翼10上与制氢箱11相对的位置设置有电池箱12，燃料电池系统2安装在电池箱12内，另外，两个侧翼10的中部还分别安装有一个与电机驱动系统4连接的垂直推进器13，潜航器主体1的尾部安装有与电机驱动系统4连接的纵向驱动器14。

上述本实用新型基于燃料电池动力系统的无人潜航器，在潜航器主体1上设置有燃料电池系统2、制氢系统3以及电机驱动系统4，通过制氢系统3实时反应产出的氢气为燃料电池系统2提供发电能源，燃料电池系统2发出的电供给给潜航器主体1的电机驱动系统4，从而为潜航器主体1提供动力，在上述系统结构中，制氢系统3采用金属-水反应制氢原理生产氢气，产出的氢气不含有任何有毒物质，不仅对不会影响燃料电池系统2的寿命，还不会污染环境和潜航器主体1所在的水域环境；另外，通过制氢系统3和燃料电池系统2为潜航器提供动力，制氢系统3所用到的做多的物料为水，可直接从潜航器主体1的外部取得，使得潜航器主体1无需携带体积比较庞大的高压氢气罐，既减轻了潜航器主体1的整体质量，还有效提高了潜航器主体1的安全性能。

如图3所示，进水装置31包括与反应箱30连接的水泵310和与水泵310 连接的储水箱311，制氢系统3启动时，通过水泵310将储水箱311内的水抽入反应箱30中，此处需要特别说明的是，由于潜航器主体1是潜入水下工作的，为避免水下高压对水泵310造成影响，本实施例中的储水箱311仅为一暂存容器，当水箱中的水用完后可通过潜航器主体1所在的水域向其中补充水源，因此，储水箱311的体积可做得相对小些，以减轻潜航器主体1的负担。较佳地，输气装置32包括与反应箱30连接的输气管路320，反应箱30内生成的氢气通过该输气管路320供给给燃料电池系统2。输气管路320上设置有氢气压缩器 321、设置于氢气压缩器321前端的换热器322以及设置于氢气压缩器321后端的用于暂存氢气的储存罐323，储存罐323上还设置有电动控制阀324。反应箱 30内生成的氢气的温度比较高，经过换热器322后降低到燃料电池系统2所能接受的温度，然后经过氢气压缩器321对氢气进行适当的压缩，以提高氢气的供给速率，压缩后的氢气暂存到储存罐323中，通过储存罐323上的电动控制阀324供给给燃料电池系统2。进一步地，输气管路320上还可在换热器322和氢气压缩器321之间设置一气液分离器325、活性炭吸附装置326、冷冻干燥器 327以及流量计328，通过气液分离器325将氢气中的大部分水分分离出去，然后通过活性炭吸附装置326对氢气进行进一步净化和干燥，接着再通过冷冻干燥器327对氢气进行进一步的降温和干燥，从而使得输出给燃料电池系统2的氢气更加干燥和纯净。通过流量计328可控制氢气的供给速率，从而控制燃料电池系统2的输出功率。

本实用新型基于燃料电池动力系统的无人潜航器另一较佳实施例中，如图 4，燃料电池系统2包括电池电堆20，电池电堆20上设置有进气管路21和排气管路22，进气管路21上设置有进气阀23，排气管路22上设置有排气阀24，排气管路22上还设置有与进气管路21连接的氢气循环泵25。本实施例中，通过氢气循环泵25的使得，使得进气管路21和排气管路22形成一个循环管路，电池电堆20中用不完的氢气通过排气管路22和氢气循环泵25再次被送入进气管路21，从而做到对氢气的充分利用，节约能源。进一步地，燃料电池系统2还包括与电池电堆20连接的散热系统7，通过该散热系统7将电池电堆20产生的热量及时散发出去，以保证电池电堆20的工作效率。较佳地，散热系统7包括使水流在电池电堆20内循环流动的水冷散热器70、循环水泵71310、以及补水箱72。本实施例中，由于潜航器主体1工作在水中，因此，通过水冷散热，可实时的将潜航器主体1外部的冷水补入补水箱72，水源丰富，散热效果好。另外，散热系统中还可安装一去离子装置73，该去离子装置73设置在电池电堆和补水箱72之间，通过去离子装置73，可将从电池电堆回流入补水箱72的水中的杂质离子去除，以避免对补水箱72中的水造成破坏。

如图1和图2所示，潜航器主体1上还设置一电能变换箱15，该电能变换箱15内安装有电能变换装置5，电能变换装置5的输入端与燃料电池系统2连接，电能变换装置5的输出端与电机驱动系统4连接，电能变换装置5用于将燃料电池系统2产生的电能转换成安全电源。具体地，电能变换装置5包括 DC-DC变换器，DC-DC变换器的输入端与燃料电池系统2电性连接，DC-DC 变换器的输出端与电机驱动系统4电性连接。由于燃料电池系统2输出的电压特性偏软，采用推挽升压的DC-DC模块将燃料电池系统2产生的电能转换成安全可靠的电源。

较佳地，请再次参阅图1和图2，本本实用新型基于燃料电池动力系统还包括一中央控制装置6，中央控制装置6安装在潜航器主体1上的中央控制箱16 内，该中央控制箱16设置在侧翼10上。中央控制装置6分别与燃料电池系统2、制氢系统3、电机驱动系统4以及电能变换装置5电性连接，通过中央控制装置 6控制上述各个机构协同工作。如，上述电能变换装置5中还可设置一控制模块，通过该控制模块把电能变换装置5的正常工作信号发送至中央控制装置6。

另外，如图2，本实用新型基于燃料电池动力系统的无人潜航器还可设置一辅助电源模块8，辅助电源模块8在潜航器主体1启动时为常压铝水制氢系统3、中央控制装置6以及潜航器主体1上的所有散热风机供电，并可从燃料电池系统2补充启动时所消耗的能量。

以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属于本实用新型所涵盖的范围。

Claims

1.一种基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，包括潜航器主体，所述潜航器主体上设置有燃料电池系统、制氢系统以及电机驱动系统；所述制氢系统与所述燃料电池系统连接，为所述燃料电池系统发电提供即时的氢气供应；所述燃料电池系统与所述电机驱动系统连接，为所述电机驱动系统提供动力源；所述制氢系统包括一反应箱，所述反应箱为金属-水反应产生氢气的反应容器，所述反应箱上设置有进水装置和输气装置，所述进水装置用于向所述反应箱实时输入反应用水，所述输气装置用于将所述反应箱内生产的氢气传输给所述燃料电池系统。

2.根据权利要求1所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述进水装置包括与所述反应箱连接的水泵和与所述水泵连接的储水箱。

3.根据权利要求1所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述输气装置包括与所述反应箱连接的输气管路，所述输气管路上设置有氢气压缩器、设置于所述氢气压缩器前端的换热器以及设置于所述氢气压缩器后端的用于暂存氢气的储存罐，所述储存罐上还设置有电动控制阀。

4.根据权利要求3所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述输气装置还包括设置于所述换热器和所述氢气压缩器之间的气液分离器、活性炭吸附装置、冷冻干燥器以及流量计。

5.根据权利要求1所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述燃料电池系统包括电池电堆，所述电池电堆上设置有进气管路和排气管路，所述进气管路上设置有进气阀，所述排气管路上设置有排气阀，所述排气管路上还设置有与所述进气管路连接的氢气循环泵。

6.根据权利要求5所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述燃料电池系统还包括与所述电池电堆连接的散热系统。

7.根据权利要求6所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述散热系统包括使水流在所述电池电堆内循环流动的水冷散热器、循环水泵、以及补水箱。

8.根据权利要求1所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述潜航器主体上还设置一电能变换装置，所述电能变换装置的输入端与所述燃料电池系统连接，所述电能变换装置的输出端与所述电机驱动系统连接，所述电能变换装置用于将所述燃料电池系统产生的电能转换成安全电源。

9.根据权利要求8所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，所述电能变换装置包括DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的输入端与所述燃料电池系统电性连接，所述DC-DC变换器的输出端与所述电机驱动系统电性连接。

10.根据权利要求8所述的基于燃料电池动力系统的无人潜航器，其特征在于，还包括一中央控制装置，所述中央控制装置分别与所述燃料电池系统、所述制氢系统、所述电机驱动系统以及所述电能变换装置电性连接。