JP6943869B2 - 搭載型水素発生器を有するリン酸型燃料電池ベースの潜水艦のための大気非依存型推進システム - Google Patents
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Description
a.コンパクトベッセル中で水素を発生させるための燃料溶液、触媒を含む搭載型水素発生システム;
b.液体酸素(LOX)貯蔵及び供給分配システム;
c.水素及び酸素を消費して、未調節直流電力を発生させるリン酸型燃料電池(PAFC)システム;
d.未調節直流PAFC電力を適応させ、調節電圧制御された直流電力に変換する電力調整器システム;
e.プラットフォームの動的負荷要件での稼働及び統合を制御するプラグ管理システム;
f.反応抑制システム;
g.水素ループ、合成空気ループ及び加圧水システム(PWS)を含む燃料電池バランスオブプラント(BoP)配置
を含むシステムを提供する。
− 前記搭載型水素システム(a)中で、燃料溶液及び触媒を含む原料フィードから水素を発生させる工程;
− 生成された水素及び酸素をPAFCスタック(c)に供給し、その供給された水素及び酸素が消費されて、未調節生直流電力を発生させる工程;
− 前記未調節生直流電力を電力調整システム(d)に提供して調節直流電力を発生させる工程、
− 前記調節直流電力をプラットフォーム配電盤とインターフェースで連結して、プラットフォームへ電力を提供する工程、
− 脱塩水冷却回路で熱負荷を管理するための熱交換器のネットワークを提供する工程であって、前記脱塩水冷却回路が、冷却水タンク、冷却水タンク(複数)、冷却水ポンプ、配管ネットワーク、センサー手段及び弁手段並びに海水冷却ネットワークからなり、前記海水冷却ネットワークが、船体貫通部、海水熱交換器、海水循環ポンプ、海水配管ネットワーク並びにセンサー手段及び弁手段からなる工程、
− 使用済み液を追い出すための排出手段、及び前記システムの加熱及び冷却要件を実質的にバランスさせるガスのための主ベント手段を提供する工程、
− 好ましくは、
水素発生器を稼働させるためのPLC型コントローラー;
燃料電池からの電力が前記システムの電力需要に適合するように燃料電池スタック健全性を判定し、各スタックへの電流分布を最適化するためのアルゴリズムを有するモデル予測コントローラー;
全体的な制御、効能を監視し、不安定性を最少化するためにより低いパートのコントローラー設定点を調整するための節点コントローラー;
前記節点コントローラーが、電力需要を得、AIPパラメーターをオペレーターへ送るようにそれと相互作用する潜水艦コントローラー
を含む、コントローラー構成によって、
AIPシステム全体及び前記システムの個々のコンポーネントの自動運転のため、及び前記システムでの電力需要に従ってそれを調節するための、制御及び監視手段を提供する工程
を含む方法を提供する。
a)30%w/w〜40%w/wの範囲の水素化ホウ素ナトリウムの水溶液濃縮物;
b)水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムから選択される安定剤;及び
c)0.02%〜0.15質量%の、メチルパラベン又はプロピルパラベンから選択される結晶化抑制剤
を含む、大気非依存型推進システムのための燃料溶液を提供する。
a.燃料タンクから燃料溶液及び苛性溶液を、触媒タンクから触媒を、内蔵式熱交換器を有するコンパクトベッセルへポンプ輸送する工程;
b.前記コンパクトベッセルにおいて、触媒の存在下で、燃料溶液中のホウ化水素を加水分解して、必要とされるよりも高い速度で水素を発生させる工程;
c.工程bにおいて副産物として生成した得られたホウ砂溶液を、断続的に中間タンクへ放出する工程であって、ホウ砂溶液中の微量のホウ化水素を水素に変換させ、次いで、得られた残留水素を主水素ラインと一緒にし、残りを使用済み貯蔵タンクへ放出する工程;
d.工程bにおける加水分解反応が圧力の増大をもたらし;それが、圧力制御手段を活性化して、工程aにおける燃料溶液供給を停止させる工程;
e.水素がリン酸型燃料電池(c)によって消費されるのにしたがって、コンパクトベッセル中の圧力が低下し、それによって、燃料溶液供給を再スタートさせる工程;
f.前記コンパクトベッセルに、熱の除去及び反応物混合のための共形型(conformal)熱交換器を提供する工程;
g.前記コンパクトベッセルに、生成物水素を冷却するための頂部に搭載される熱交換器を提供する工程;
h.前記コンパクトベッセルに、ホウ酸塩液を循環させるシェル側及び脱塩水を循環させるチューブ側を含む、熱の除去及び反応器温度維持のための非従来型の熱交換器コイルを提供する工程
を含む方法を提供する。
a)一方の側面に燃料電池カソードチャンネルを有する高密度の伝導性黒鉛の溝付きプレート中に組み込まれた異なる経路構成を有する多重の蛇行金属チューブであって、
前記金属チューブが、チューブと黒鉛壁に、剥離状黒鉛粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を含む成形混合物を使用することによって溝付きプレート中に組み込まれている金属チューブと、
b)薄い接着組成物を塗布することによって、金属チューブがそこからフィットされる高密度の黒鉛プレートの溝付き側面に取り付けられた高温の酸に耐性のある薄い、電気伝導性シート
を含む黒鉛熱交換器プレートが提供される。
a.コンパクトベッセル中で水素を発生させるための燃料溶液及び触媒を含む搭載型水素発生システム;
b.液体酸素(LOX)貯蔵及び供給分配システム;
c.水素及び酸素を消費して、未調節直流電力を発生させるリン酸型燃料電池(PAFC)システム;
d.未調節直流PAFC電力を適応させ、調節電圧制御された直流電力に変換する電力調整器システム;
e.プラットフォームの動的負荷要件での稼働及び統合を制御するプラグ管理システム;
f.反応抑制システム;
g.水素ループ、合成空気ループ及び加圧水システム(PWS)を含む燃料電池バランスオブプラント(BoP)配置
を含むシステムを提供する。
NaBH4+2H2O=NaBO2+4H2
である。
・ 均一な混合を確実にするための撹拌、及びスラリーの温度を制御して保持するための熱伝達は、NaBH4/触媒及び生成物スラリーを、熱交換器及びポンプ輸送デバイスを介して再循環することによって遂行される。
・ 触媒/NaBH4フィード及びNaBO2生成物を保持する主ベッセルは、気液分離器及び水素用のバッファータンクのような役割も果たす。
・ このシステムはガス状副産物を生成せず、したがって、水中又は閉鎖領域での水素発生に理想的である。
・ 発生した水素は、マイクロフィルターを用いて濾過され、発電のための燃料電池区域に移送される。加水分解反応は、以下のようにして反応器システム内部で起こる。
NaBH4+2H2O=NaBO2+4H2
・ 主ベッセルから出てくる生成された水素の冷却は、プロセスをコンパクトにするために反応ベッセルの頂部で合体されたフィン付きチューブ熱交換器によって行われ、出口温度は、脱塩水循環によって維持される。水素化ホウ素ナトリウム加水分解プロセスによる水素発生のための図式ダイアグラムを図1に示す。設計は、傾き(tilting)、衝撃、騒音、振動等の潜水艦環境条件を考慮して行われる。
図6は、本発明の加水分解装置を用いた、水素化ホウ素ナトリウム溶液からの艦内での水素発生の概略図である。水素化ホウ素ナトリウムを、燃料タンク内に貯蔵された混合苛性溶液に溶解し、懸濁触媒粒子、及びホウ酸塩スラリーと称される反応副産物ホウ砂溶液を含む主ベッセルへポンプ輸送する。反応マスと一緒にホウ酸塩スラリーをポンプと熱交換器を通して再循環させ、ベッセルへ戻す。そこで水素はフラッシュされ、スラリーから分離される。ベッセル中で分離された水素を冷却し、アルカリラインのミスト分離フィルタートレインに通し、続いて、酸スクラバーに通す。清浄なガスは最終的に燃料電池システムに取り込まれる。生成物ホウ酸塩液を、加水分解装置を通して断続的に中間タンクへ、最終的に使用済み貯蔵タンクへ排出する。中間ホウ酸塩タンクは、ホウ酸塩スラリー中の微量のNaBH4の変換を可能にするように保持され、生成したこの残留水素は主水素ラインと合流する。主ベッセルの圧力に関係なく、一定量の水素が燃料電池に供給されるように、二段式圧力調整器が提供される。
固体NaBH4を水に溶解し、添加剤で安定化させる。NaBH4は水と接触して徐々に加水分解するので、これは必須である。更に、外部海水温度が低い場合にNaBH4の結晶化及び/又は層化を防止するために、燃料溶液に、少量の特殊化学薬品を添加する。これらすべての添加剤はNaBH4と一緒に水に溶解され、したがって、「燃料溶液」と称される。
本発明の一実施形態によれば、燃料溶液は、水素化ホウ素ナトリウムの水溶液濃縮物、安定剤及び相形成抑制剤/結晶化抑制剤を含む。
a)30%w/w〜40%w/wの範囲の水素化ホウ素ナトリウムの水溶液濃縮物;
b)水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムから選択される安定剤;及び
c)0.02%〜0.15質量%のメチルパラベン又はプロピルパラベンから選択される結晶化抑制剤
を含む燃料溶液を提供する。
燃料電池に必要な水素は、ナトリウム−ホウ化水素(NaBH4)の加水分解によってオンラインで発生させる。燃料供給ポンプは、リアルタイムベースの水素要求にもとづいて、所定量の燃料を、AIPプラグ内のタンクから水素発生器システムに注ぐ。
燃料溶液、触媒溶液及び生成した水(燃料電池システムによって、燃料電池水バッファータンク中に蓄えられている)は、水素発生器中にポンプ輸送される。
a.燃料タンクから燃料溶液及び苛性溶液を、触媒タンクから触媒を、内蔵式熱交換器を有するコンパクトベッセルへポンプ輸送する工程;
b.前記コンパクトベッセルにおいて、触媒の存在下で、燃料溶液中のホウ化水素を加水分解して、必要とされるよりも高い速度で水素を発生させる工程;
c.工程bにおいて副産物として生成した得られたホウ砂溶液を、断続的に中間タンクへ放出する工程であって、ホウ砂溶液中の微量のホウ化水素を水素に変換させ、次いで、得られた残留水素を主水素ラインと一緒にし、残りを使用済み貯蔵タンクへ放出する工程;
d.工程bにおける加水分解反応が圧力の増大をもたらし;それが、圧力制御手段を活性化して、工程aにおける燃料溶液供給を停止させる工程;
e.水素がリン酸型燃料電池(c)によって消費されるのにしたがって、コンパクトベッセル中の圧力が低下し、それによって、燃料溶液供給を再スタートさせる工程;
f.前記コンパクトベッセルに、熱の除去及び反応物混合のための共形型熱交換器を提供する工程;
g.前記コンパクトベッセルに、生成物水素を冷却するための頂部に搭載される熱交換器を提供する工程;
h.前記コンパクトベッセルに、ホウ酸塩液を循環させるシェル側及び脱塩水を循環させるチューブ側を含む、熱の除去及び反応器温度維持のための非従来型の熱交換器コイルを提供する工程
を含む方法を提供する。
液体酸素(LOX)は極低温タンクに貯蔵され、LOX気化器熱交換器はLOXを蒸発させてガス状酸素にし、これは、発電、燃料電池プラント区域へ供給される。LOXタンクの圧力は、LOXを蒸発させ、それをLOXタンク上部空間に戻して、酸素を供給するのに必要なタンクでの必要圧力を保持する別個の圧力蓄積熱交換器によって維持される。グリコール−水閉ループシステムは、気化器及び圧力蓄積熱交換器においてLOXを蒸発させるために使用され、低温の水グリコール溶液は、AIP区域の局所的な空気調節のために使用される。LOXタンクの上部空間(head space)からのタッピングも、乗員の呼吸のために使用される。乗員呼吸ネットワークは、プラットフォーム設計者の範囲内である。
リン酸型燃料電池(PAFC)システムは、水素と酸素を消費して水蒸気と電力をもたらす。燃料電池バランスオブプラント(BoP)配置は、水素ループ、加圧水システム(PWS)と一緒になった合成空気ループ、燃料電池システムの熱システムからなる(図4)。燃料電池からの電力取り込みは、電気的ネットワーク、燃料電池電力出力区域に別個に示されている(図3)。
湿潤水素はPAFCスタックに供給され、これは電極内部で拡散し、電力取り込みに応じて、反応して水を生成する。生成水は、空気側ループを通して出てくる。未反応水素は水分と一緒に、スタックから出てきて、冷却されて任意の過剰水分が分離され、水素発生区域の上流水素バッファータンクからのメイクアップ水素と一緒に、PAFCスタックへフィードバックされる。メイクアップ水素供給は、水素ループでの圧力を感知することによって行われる。経時的な不純物の蓄積を回避するために、圧力が蓄積された場合に、管理されたベントを介して触媒バーナーシステムへパージする、計装化されたパージを提供する。バーナー中で、合成空気ストリーム周りのループにおいて酸化されることによって、水素は水に変換される。生成した水は凝縮し(P−2)、燃料電池水バッファータンクへ送られ、その水は、水素発生器の節で論じたように、そこから最終的に水素発生器へ供給される。
合成空気ループは、空気又は濃縮空気の酸素濃度を有する、酸素と窒素の混合物を使用する。合成空気は、純粋酸素の代わりに使用され、これは、燃料電池の稼働寿命を延長させ、また、機械的な破損及び漏出の場合の火災の危険性を回避するためでもある。
PAFCスタックは、最大で170℃の温度で稼働する。PAFCシステムの温度を維持するための主要媒体として、高純度加圧水システム(PWS)が使用される。PWSは、ループ中での沸騰を回避するために、加圧形態で、熱水を、PAFCスタック内の組み込まれた熱交換器を通して再循環させる。図4に示すように、冷却水は、PAFC稼働の間に温度が上昇した場合、加圧熱水を冷却する。低温開始期、一時的運転停止又はスタンバイ期の間、触媒水素バーナー又は電気加熱による加熱が、PWSの温度を維持するために用いられ、これは、PAFCシステムの温度を維持する。そうしたデュアルモード媒体ベースの熱システムは、容易で安全な制御を可能にする。
リン酸型燃料電池(PAFC)は、炭素/黒鉛基材に支持された貴触媒の存在下で、反応物の化学エネルギーを直接直流電力に変換する電気化学的デバイスである。
アノードでは:
H2→2H++2e− (1)
カソードでは:
1/2O2+2e−→H2O (2)
である。
a)ウォッシュコートによって、マトリックスの黒鉛電極構造物との接着強度を増大させる方法。
マトリックスは、一般に、SiC及びポリエチレンオキシドのスラリーをボールミル粉砕し、続いてテフロン(登録商標)(Teflon)を添加し、その混合物を数分間撹拌し、次いで、電極上にキャストすることによって作製される。マトリックスの電極表面との接着を改善するために、ウォッシュコート法が開発されている。ウォッシュコートは、それを蒸留水で希釈することによって、同じSiC+PTFE/フルオロエチレンポリマー(FEP)キャスティング材料から作製され、塗装、噴霧、又はX方向とY方向の両方にスポンジを回転させることによって、電極表面上に塗布される。ウォッシュコートを空気乾燥する。このウォッシュコートに続いて、慣行的なSiCスラリーを結合剤及びスラリー安定剤と一緒に、標準的な作業、すなわち、カーテンコーティング、ワイヤーバーコーティング、スクリーン印刷法等によって、ウォッシュコート上にコーティングし、乾燥し焼結させる。このウォッシュコートは、電極表面上でのマトリックスの結合、並びにマトリックスの機械的安定性を改善する。これは、上記した接着試験によって決定される。
ウォッシュコート懸濁液調製:4〜5ミクロの平均粒径を有する95%のSiC粉末を2%のPEOを用いてボールミル粉砕した。これに、5%のポリテトラフルオロエチレンを加え、5分間撹拌する。このスラリーから5質量部を取り、それに、湿潤剤(アルコール、特にイソプロピルアルコール)と水を加えて50部にした。この希釈されたスラリーを、ワイヤーバーコーターを使用して、実際のマトリックス層をコーティングする前に、ウォッシュコートとして使用した。
典型的な燃料電池環境では、電極サンドイッチ型、すなわち、それらの間に炭化ケイ素マトリックスがある2つの電極を、電極の接触抵抗を最少化するために十分な接触圧を印加することによって、2つのバイポーラプレートの間に保持して、周辺部でのガス漏れを防止し、燃料電池スタックの機械的安定性を提供する。この取り付け圧に応じて、電極とマトリックスは一定レベルまで圧縮される。
酸ホルダーマトリックスは、一般にSiC、及び電解質をリン酸型燃料電池に保持するためのポリマー結合剤でできている。接着が劣っていると、イオン抵抗性の増大、スタックの酸含浸及びアセンブリーの間のマトリックスのチッピングがもたらされることになるので、接着はマトリックスのために重要である。
(実施例1)
ウォッシュコート及び圧縮なしでのマトリックス−実施例1
95質量部の4〜5ミクロンサイズの炭化ケイ素(Electro Abrasives USAからの1200GW)、及び100質量部の2%のPEO懸濁液(PEO、40,0000−Aldrich)を、遊星型ボールミル中で1時間ボールミル粉砕した。この均一な混合スラリーに、5質量部のポリテトラフルオロエチレン(60%wt/wt、Hiflon Indiaから)を加え、5分間撹拌した。マトリックス材料は、SiC及びテフロン(登録商標)の形態の50〜52%の固体を含む。炭化ケイ素スラリーを、触媒層の厚さ変動に対応できるアダプター上に固定されたワイヤーバーコーターで、その電極の上にキャストした。電極は、20%の黒鉛基材担持Pt及び30%のテフロン(登録商標)のインクをスクリーン印刷して作製する。すべての実施例におけるキャスティング及び試験に次いで、カソードへのPtローディングは0.7mg/cm2であり、アノードについては0.5mg/cm2が用いられる。滑らかで均一な層が、ピンホールなしで得られた。この層を、22℃で12時間乾燥し、次いで70℃で乾燥し、最後に310℃で焼結させる。得られたマトリックスは、約8mg/cm2の炭化ケイ素を含んでおり、厚さは50〜60ミクロンであった。乾燥層の電気抵抗率は、5×108ohm−cmであった。単一電極の気泡圧力を測定した。マトリックスでの仕上がり電極を、マトリックスの接着、酸移動及び電気化学的性能について試験した。安定性試験のため、電極から、40×40mmサイズのSiCコーティングマトリックスを鋭利な刃で3〜4ピース切り出し、その端部からダスト粒子を注意深く取り除いた。1000mlビーカー中に600mlの蒸留水を取り、1/4’’の垂直な細長い隙間分解ヘッド(vertical slotted disintegrating head)を有するSilversonミキサー(Model−L5M、Silverson Machines Ltd.、England)をビーカーに浸漬させた。試験ピースをミキサーのヘッドから1cmの距離で保持し、silversonミキサーの速度を6500rpmに設定した。電極をこの位置で5分間保持し、電極の表面及びビーカー中の水を、SiC層のチッピング、又はクラック及びSiC粒子についてチェックした。セットアップを図9示す。
ウォッシュコートありで圧縮なしのマトリックス:
95質量部の4〜5ミクロンサイズの炭化ケイ素(Electro Abrasives USAからの1200GW)、及び100質量部の2%のPEO懸濁液(PEO、40,0000−Aldrich)を、遊星型ミル中で1時間ボールミル粉砕した。この均一な混合スラリーに、5質量部のポリテトラフルオロエチレン(60%wt/wt、Hilfon Indiaから)を加え、5分間撹拌した。本発明のウォッシュコートのため、5質量部の炭化ケイ素スラリーを取り、湿潤剤(例えば、イソプロピルアルコール)及び水で10倍希釈した。希釈したスラリーを、黒鉛化触媒層表面上でのウォッシュコート塗布のために使用し、空気乾燥した。炭化ケイ素スラリーを、触媒層の厚さ変動に対応できるアダプター上に固定されたワイヤーバーコーターで、その電極の上にキャストした。滑らかで均一な層が、ピンホールなしで得られた。この層を、22℃で12時間乾燥し、次いで70℃で乾燥し、最後に310℃で焼結させる。得られたマトリックスは、約8mg/cm2の炭化ケイ素を含んでおり、厚さは50〜60ミクロンであった。この層の電気抵抗率は、5×108ohm−cmであった。試料の安定性試験、気泡圧力酸移動を、実施例−1で述べたようにして実施した。結果をTable 4(表4.a〜表4.c)に示す。安定性試験の間、剥離又は質量損失は観察されなかった。以下の表は、150℃/1atmで酸素及び空気を用いて、リン酸単位セル中で上記マトリックス及び電極を使用した性能を示す。
マトリックス−ウォッシュコート及び圧縮ありで:
質量で95部の炭化ケイ素及び100質量部の2%のPEO溶液を加え、遊星型ミル中で1時間ボールミル粉砕した。このスラリーに、5%のPTFE溶液(60%wt/wtのHiflon)を加え、数分間撹拌した。得られたスラリーをプレウォッシュコートされた黒鉛電極上にキャストした。マトリックスを、22℃で12時間乾燥し、次いで70℃で1/2時間乾燥した。次いで、緑色のマトリックスを、6kg/cm2で圧縮し、最後に310℃で焼結した。得られたマトリックスは、厚さ50ミクロンで親水性であり、50%の多孔率を有している。0.7Mpa下での前記マトリックスの気泡圧力及び酸移動を実施した。結果をTable 4(表4.a〜表4.c)に示す。前記のものは安定であり、質量損失及び剥離を示さなかった。上記のマトリックス構造を有するPAFCセルの性能をTable 3(表5)に示す。図5及び図6は、H2/O2及びH2/空気での3つの実施例の比較を示している。
電気的ネットワークは、以下に詳述するような2つのサブシステムに分けられる。
燃料電池モジュール、25Nos.(各モジュール:N−11PAFCスタック)生出力直流電力を、本質的に制御された幅広い入力DC−DCスタビライザーである電力調整器システム(PCS)のアレー中に供給する。このシステムは、燃料電池発生電力を入力フィードに受け入れ、母線を介してプラットフォーム配電盤へ連結されている出力で、潜水艦品質に制御された直流電力を提供する。本発明の図3は、燃料電池出力からプラットフォーム電力センターへのPCSを介した電気的連結の主要スキームを示している。
AIPプラントの種々の装置は、冷却を必要とする。これは、脱塩冷却水ネットワークによって行われる。冷却水によって吸収される熱は、海水冷却ネットワークの海水交換器を介して海水へ放出される。脱塩水冷却ネットワークは、冷却水タンク、冷却水ポンプ、配管ネットワーク並びに関連するセンサー及び弁を含む。一般に、タンク中の冷却水は約40℃である。
海水冷却ネットワークは、船体貫通部(海水を取り入れ、海水を送り出すため)、海水熱交換器、海水循環ポンプ、海水配管並びに関連する弁及びセンサーを含む。海水は、第1の熱交換器を通って流れ、脱塩水冷却回路からの脱塩冷却水は、第2の熱交換器を通って流れる。詳細はプラットフォーム設計者によってなされることになる海水冷却ネットワークは、脱塩水冷却の要件にもとづく。
排気システムは、以下で詳述するように2つの部分に分けられる。
水素発生システムからの使用済み液は、海へ排出する必要がある。使用済み液溶液は、2つの使用済みバッファータンクのうちの1つへ移送される。一方のタンクは充填され、上流から隔てられている他方は、その液を海へ排出するための高圧ポンプと連結されている。バッファータンクは、外部海水圧に曝されても(ポンプ故障の場合)十分な強度がある。液でタンクが充填された後、排出要求が、液を海へ排出するポンプを稼働させるプラットフォームIPMSにもたらされる。
すべてのサブシステム、すなわち、燃料供給システム、水素発生システム、発電燃料電池プラント、酸素貯蔵及び供給分配システム等は、排気系による圧力蓄積/不純物蓄積防止プロセスを有する。この排気系は、触媒バーナーに連結されている。ループ内で過剰の水素又は酸素を感知すると、バーナー制御システムは、バーナーへの専用ラインを通して、水素発生器から水素を、又はLOXシステムから酸素を供給する。生成した水は凝縮し、燃料電池水バッファータンクへ供給される。
本発明の一実施形態では、そうした緊急時の場合に、加水分解反応を被毒させ、反応を低下/停止するために化学抑制剤を注入することによって、水素発生器内での水素過圧を防止するための方法を提供する。
制御及び監視システムは、AIPシステム全体の自動運転を可能にする包括的に分散されたコントローラーである。
− 前記搭載型水素システム(a)中で、燃料溶液及び触媒を含む原料フィードから水素を発生させる工程;
− 生成された水素及び酸素をPAFCスタック(c)に供給し、その供給された水素及び酸素が消費されて、未調節生直流電力を発生させる工程;
− 前記未調節生直流電力を電力調整システム(d)に提供して、調節直流電力を発生させる工程、
− 前記調節直流電力をプラットフォーム配電盤とインターフェースで連結して、プラットフォームへ電力を提供する工程、
− 脱塩水冷却回路で熱負荷を管理するための熱交換器のネットワークを提供する工程であって、前記脱塩水冷却回路が、冷却水タンク、冷却水タンク(複数)、冷却水ポンプ、配管ネットワーク、センサー手段及び弁手段並びに海水冷却ネットワークからなり、前記海水冷却ネットワークが、船体貫通部、海水熱交換器、海水循環ポンプ、海水配管ネットワーク並びにセンサー手段及び弁手段からなる工程、
− 使用済み液を追い出すための排出手段、及び前記システムの加熱及び冷却要件を実質的にバランスさせるガスのための主ベント手段を提供する工程、
− 好ましくは、
水素発生器を稼働させるためのPLC型コントローラー;
燃料電池からの電力が前記システムの電力需要に適合するように燃料電池スタック健全性を判定し、各スタックへの電流分布を最適化するためのアルゴリズムを有するモデル予測コントローラー;
全体的な制御、効能を監視し、不安定性を最少化するためにより低いパートのコントローラー設定点を調整するための節点コントローラー;
前記節点コントローラーが、電力需要を得、AIPパラメーターをオペレーターへ送るようにそれと相互作用する潜水艦コントローラー
を含む、コントローラー構成によって、
AIPシステム全体及び前記システムの個々のコンポーネントの自動運転のため、及び前記システムでの電力需要に従ってそれを調節するための、制御及び監視手段を提供する工程;
を含む方法を提供する。
Claims (19)
- 潜水艦のための大気非依存型推進(AIP)システムであって、
a.コンパクトベッセル中で水素を発生させるための燃料溶液及び触媒を含む搭載型水素発生システム;
b.液体酸素(LOX)貯蔵及び供給分配システム;
c.水素及び酸素を消費して、未調節直流電力を発生させるリン酸型燃料電池(PAFC)システム;
d.未調節直流PAFC電力を適応させ、調節電圧制御された直流電力に変換する電力調整器システム;
e.プラットフォームの動的負荷要件での稼働及び統合を制御するプラグ管理システム;
f.反応抑制システム;
g.水素ループ、合成空気ループ及び加圧水システム(PWS)を含む燃料電池バランスオブプラント(BoP)配置
を含むシステム。 - 前記搭載型水素発生システム(a)における燃料溶液が、水素化ホウ素亜鉛(ZnBH4)、水素化ホウ素カリウム(KBH4)、水素化ホウ素カルシウム(CaBH4)、水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)、トリメトキシ水素化ホウ素ナトリウム(NaBH(OCH3)3)又は水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムから選択される、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記搭載型水素発生システム(a)における燃料溶液が、メチルパラベン又はプロピルパラベンから選択される結晶化抑制剤、及び安定剤を更に含む、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記搭載型水素発生システム(a)における触媒が、NiCl2又はCoCl2の水溶液から選択される、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記酸素貯蔵及び供給分配システム(b)が、極低温タンク及びLOX気化器熱交換器を含む、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記LOX気化器熱交換器が、グリコール−水閉ループシステムを含む、請求項5に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記リン酸型燃料電池システム(c)が、未調節直流電力を発生させるために、水素及び液体酸素をリン酸型燃料電池のスタックに供給する、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記反応抑制システム(f)が、水素発生器中に、ポリアクリル酸ナトリウム、好ましくはメタクリル酸ナトリウムを注入することによって、水素発生を停止又は遅延させる、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記メタクリル酸ナトリウムが、触媒毒ポット中に貯蔵されており、水素発生器に投入されて、加水分解反応を停止/遅延させる、請求項8に記載の反応抑制システム。
- 前記燃料電池バランスオブプラント(g)中の水素ループが、PAFCセルスタックに供給され、電極中へ拡散して水素を発生させる湿潤水素を含む、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 燃料電池バランスオブプラント(g)中の前記合成空気ループが、PAFCセルスタックに供給されて酸素を発生させる合成空気を含む、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記燃料電池バランスオブプラント(g)中の加圧水システムが、デュアルモードで動作し、前記加圧水システムが、加圧水タンク(T−1)からの、加圧形態の熱水を再循環させて、PAFCスタック中の組み込まれた熱交換器を介してループ中での沸騰を回避することにより温度を維持し、温度が上昇した場合、加圧水冷却器(HE−5)からの冷却水が加圧熱水を冷却する、請求項1に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 前記搭載型水素発生システムが、水素を発生させるために、燃料タンク、触媒タンク、内蔵式熱交換器を有するコンパクトベッセル、中間タンク、使用済み貯蔵タンク、圧力制御手段を含み、水素を発生させる方法が、
a.燃料タンクから燃料溶液及び苛性溶液を、触媒タンクから触媒を、内蔵式熱交換器を有するコンパクトベッセルへポンプ輸送する工程;
b.前記コンパクトベッセルにおいて、触媒の存在下で、燃料溶液中のホウ化水素を加水分解して、必要とされるよりも高い速度で水素を発生させる工程;
c.工程bにおいて副産物として生成した得られたホウ砂溶液を、断続的に中間タンクへ放出する工程であって、ホウ砂溶液中の微量のホウ化水素を水素に変換させ、次いで、得られた残留水素を主水素ラインと一緒にし、残りを使用済み貯蔵タンクへ放出する工程;
d.工程bにおける加水分解反応が圧力の増大をもたらし;それが、圧力制御手段を活性化して、工程aにおける燃料溶液供給を停止させる工程;
e.水素がリン酸型燃料電池(c)によって消費されるのにしたがって、コンパクトベッセル中の圧力が低下し、それによって、燃料溶液供給を再スタートさせる工程;
f.前記コンパクトベッセルに、熱の除去及び反応物混合のための共形型熱交換器を提供する工程;
g.前記コンパクトベッセルに、生成物水素を冷却するための頂部に搭載される熱交換器を提供する工程;
h.前記コンパクトベッセルに、ホウ酸塩液を循環させるシェル側及び脱塩水を循環させるチューブ側を含む、熱の除去及び反応器温度維持のための非従来型の熱交換器コイルを提供する工程
を含む、請求項1に記載の大気非依存型推進システム。 - リン酸電解質をキャスティングする前に黒鉛電極構造物上にウォッシュコートを塗布することによって、リン酸型燃料電池(PAFC)スタックシステム中でのリン酸電解質ホルダーの黒鉛電極構造物への接着強度が増大されている、請求項1に記載の大気非依存型推進システム。
- 前記リン酸型燃料電池(PAFC)スタックシステムが、90〜97質量%の炭化ケイ素、2質量%のポリエチレンオキシド及び3〜10質量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含む前記ウォッシュコートを含む、請求項14に記載の潜水艦のための大気非依存型推進システム。
- 多重金属チューブが組み込まれた黒鉛熱交換器プレートであって、
a)1つの側面に燃料電池カソードチャンネルを有する高密度の伝導性黒鉛の溝付きプレート中に組み込まれた異なる経路構成を有する多重の蛇行金属チューブであって、チューブと黒鉛壁の間に剥離状黒鉛粉末及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を含む成形混合物を使用することによって、前記金属チューブが溝付きプレート中に組み込まれている金属チューブ、及び
b)薄い接着組成物を塗布することによってそこから金属チューブがフィットされている、高密度黒鉛プレートの溝付き側面に取り付けられた高温の酸に耐性のある薄い、電気伝導性シート
を含む黒鉛熱交換器プレートを、リン酸型燃料電池(PAFC)スタックシステムが含む、請求項1に記載の大気非依存型推進システム。 - 前記成形混合物が、前記溝付きプレートにリン酸型燃料電池(PAFC)スタック熱交換器システムの金属チューブを組み込むために、70〜80質量%の量の剥離状黒鉛粉末及び30〜20質量%の量のPTFEを含む、請求項16に記載の大気非依存型推進システム。
- 前記剥離状黒鉛粉末が、220ミクロン〜1400ミクロンの範囲の粒径を有する、請求項17に記載の大気非依存型推進システム。
- 前記接着組成物が、リン酸型燃料電池(PAFC)スタックシステムの金属チューブをフィットするために、80〜95質量%の微細な天然黒鉛粉末及び5〜20質量%のフェノール系樹脂を含む、請求項16に記載の大気非依存型推進システム。
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