專利名稱：適用auv的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃料電池，具體地說(shuō)是一種適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著能源問(wèn)題成為最主要的問(wèn)題，燃料電池作為一種新能源，被用于很多移動(dòng)設(shè) 備中。我國(guó)已經(jīng)成功地將燃料電池裝置用于汽車上，而國(guó)外已經(jīng)有很多將燃料電池裝置用 于AUV的成功案例。 上海神力公司已經(jīng)研制成功了燃料電池系統(tǒng)。中國(guó)專利申請(qǐng)請(qǐng)?zhí)枮?1239079. 8 的專利文件中公開(kāi)了燃料電池系統(tǒng)的水熱管理子系統(tǒng)。中國(guó)專利申請(qǐng)請(qǐng)?zhí)枮镃N 01113249. 3的專利文件中公開(kāi)了燃料電池的氣體供氣子系統(tǒng)和汽水回收子系統(tǒng)。但這些系 統(tǒng)不能適應(yīng)AUV的工作環(huán)境。 由于在AUV這個(gè)特殊的工作環(huán)境下，燃料電池系統(tǒng)需要滿足在有限的空間內(nèi)工 作；低噪聲；航行過(guò)程中不引起AUV姿態(tài)變化等條件。對(duì)于解決航行過(guò)程中不引起AUV姿 態(tài)變化這個(gè)問(wèn)題，由于燃料電池裝置內(nèi)有液態(tài)水生成，在AUV航行過(guò)程中，液態(tài)水水量會(huì) 發(fā)生變化，故引起AUV的姿態(tài)改變。對(duì)于解決有限工作空間這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有很多技術(shù) 用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一般都是將燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣回收利用，最有效的方法是US 10/300,479的專利文件中公開(kāi)的技術(shù)方案，將循環(huán)泵和電磁閥并聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的流 量或者電磁閥的開(kāi)關(guān)，在確保反應(yīng)電堆內(nèi)的氣體壓力達(dá)到設(shè)定值的同時(shí)，尾氣被重新利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音低，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)水水量變化基本不引 起AUV姿態(tài)改變的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 包括氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、汽水回收子系統(tǒng)和氮?dú)?br> 掃氣子系統(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)的去離子水罐放在AUV重心處，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氫
氣儲(chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的一邊，氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氧氣儲(chǔ)氣罐和氮?dú)鈷邭庾酉?br> 統(tǒng)的耐高壓氮?dú)鈨?chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的另一邊，水熱管理子系統(tǒng)管路中的去離子水輸
送到氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)和氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的加濕器中，給氣體加濕，汽水回收子系統(tǒng)的汽水
分離器中的液態(tài)水匯集到水熱管理子系統(tǒng)的水罐中，換熱器設(shè)置在頂部。 所述氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)由耐高壓氫氣罐11、氫氣側(cè)減壓閥12、氫氣側(cè)電磁閥13、氫
氣側(cè)流量調(diào)節(jié)閥14、第一加濕器17、電池陽(yáng)極側(cè)1連接組成，為燃料電池供應(yīng)燃料。 所述氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)由耐高壓氧氣罐31、氧氣側(cè)減壓閥32、氧氣側(cè)電磁閥34、氧
氣側(cè)流量調(diào)節(jié)閥35、第二加濕器42、電池陰極側(cè)1連接組成，為燃料電池供應(yīng)氧氣。 所述水熱管理子系統(tǒng)由水路背壓調(diào)節(jié)閥69、水泵67、板式換熱器64和燃料電池水
冷側(cè)1連接組成，海水作為換熱器的冷卻水，第一加濕器17和第二加濕器42串聯(lián)在水熱管理子系統(tǒng)上。 所述汽水回收子系統(tǒng)由第一汽水分離罐24、第二汽水分離罐38、第八電磁閥23、 第九電磁閥37、第十電磁閥82、第i^一電磁閥81連接組成，第十電磁閥82、第i^一電磁閥 81定期將汽水分離罐中的水排放到去離子水罐中。 所述氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)由耐高壓氮?dú)夤?1、氮?dú)鈧?cè)減壓閥52、連個(gè)氮?dú)鈧?cè)電磁閥 56、57、燃料電池1連接組成。 本發(fā)明基于上海神力公司研制成功的燃料電池系統(tǒng)，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的水熱管理 子系統(tǒng)專利CN 01239079. 8，氣體供氣子系統(tǒng)和汽水回收子系統(tǒng)專利CN01113249. 3進(jìn)行改 進(jìn)。通過(guò)管路的重新設(shè)計(jì)和加濕器、換熱器的特殊選材，將本來(lái)相互分離開(kāi)的水熱管理子系 統(tǒng)與氣體子系統(tǒng)(氣體供氣子系統(tǒng)和汽水回收子系統(tǒng))連接在一起，簡(jiǎn)化了管路，更能適應(yīng) AUV的工作環(huán)境。 對(duì)于解決低噪聲這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明采用專利CN 1405912A，用一個(gè)傳感器、一個(gè)開(kāi) 關(guān)裝置和一個(gè)調(diào)節(jié)裝置代替氣體循環(huán)泵完成氧氣和氫氣的回收利用；本發(fā)明充分利用了 AUV在海水里航行這個(gè)優(yōu)勢(shì)，水熱管理子系統(tǒng)中特殊設(shè)計(jì)的換熱器，通過(guò)調(diào)節(jié)海水流量自動(dòng) 冷卻換熱器。另外，為了讓閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)熱量得到回收利用并且裝置體積 更小，本發(fā)明在管路的設(shè)計(jì)上有一些優(yōu)化改進(jìn)。 本發(fā)明正是在這個(gè)背景下解決了噪音低、液態(tài)水存儲(chǔ)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單且工作效果良好的適用于AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。 本發(fā)明根據(jù)已有的燃料電池系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種更適用于AUV的閉式循環(huán)燃料電池 系統(tǒng)，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音低，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)水水量變化基本不引起AUV姿態(tài)改變。
本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)中只有水熱管理子系統(tǒng)的水泵是主要的噪聲源，水泵是系統(tǒng)中 相對(duì)消耗能量最多的輔助設(shè)備，基本滿足系統(tǒng)低噪聲的要求。 本發(fā)明的水熱管理子系統(tǒng)選取大壓頭的水泵以確保去離子水克服阻力在管路中 流動(dòng)。本發(fā)明選用列管式的加濕器，列管內(nèi)通氣體，列管和外殼之間通去離子水給氣體加 濕，并將加濕器串聯(lián)在水熱管理子系統(tǒng)的管路上，將管路中攜帶有電堆反應(yīng)熱量的去離子 水給加濕器，為氣體加濕，而不需要再?gòu)娜ルx子水罐中抽取去離子水外部加熱后，再給加濕 器，電堆的反應(yīng)熱量得到回收利用。 本發(fā)明將汽水回收子系統(tǒng)的汽水分離罐放在水熱管理系統(tǒng)的去離子水罐的上面， 中間有一個(gè)電磁閥。每過(guò)一段時(shí)間，打開(kāi)電磁閥，讓汽水分離罐中的水匯集到去離子水罐 中。將水罐放在AUV的重心處，AUV在航行過(guò)程中，如果液態(tài)水水量變化了 ， AUV姿態(tài)基本不 改變。 本發(fā)明利用AUV在大海航行的優(yōu)勢(shì)，在水熱管理子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)特殊的 換熱器，安置在AUV的外耐壓殼體和水密耐壓殼體之間，將海水作為換熱器的冷卻水。在長(zhǎng) 方體形的換熱器的長(zhǎng)軸方向有很多水平放置的圓柱形的列管，在圓柱形的列管的兩個(gè)端口 都有控制列管開(kāi)啟閉合的閥門。去離子水在列管外側(cè)和長(zhǎng)方體殼之間流動(dòng)，如果兩個(gè)閥門 都開(kāi)啟，根據(jù)連通器原理，海水會(huì)自動(dòng)流進(jìn)圓柱形的列管內(nèi)，冷卻去離子水。根據(jù)海水的溫 度，通過(guò)控制打開(kāi)的圓柱形列管數(shù)調(diào)節(jié)冷卻水的流量，來(lái)控制換熱器的換熱程度，進(jìn)而控制 電堆進(jìn)口和出口的去離子水溫度。 本發(fā)明的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的噪音低，反應(yīng)熱量得到回收利用，AUV航行過(guò)程中，液態(tài)水水量變化不引起AUV姿態(tài)改變。


圖1是閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)在AUV中的具體實(shí)施圖；
圖2是閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的外部控制原理圖；
圖3是系統(tǒng)裝置在AUV內(nèi)的擺放位置；
圖4是系統(tǒng)裝置在AUV內(nèi)的放大圖；
圖5是換熱器的主視圖；
圖6是換熱器的左視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 結(jié)合圖l，本發(fā)明的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)有五個(gè)輔助子系統(tǒng)。氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)， 包括耐高壓氫氣罐11、氫氣側(cè)減壓閥12、氫氣側(cè)電磁閥13、氫氣側(cè)流量調(diào)節(jié)閥14、加濕器 17、電池陽(yáng)極側(cè)l，為燃料電池供應(yīng)燃料；氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)，包括耐高壓氧氣罐31、氧氣側(cè)減 壓閥32、氧氣側(cè)電磁閥34、氧氣側(cè)流量調(diào)節(jié)閥35、加濕器42、電池陰極側(cè)l，為燃料電池供 應(yīng)氧氣；水熱管理子系統(tǒng)依次包括氫氧加濕器1742、水路背壓調(diào)節(jié)閥69、水泵67、板式換熱 器64和燃料電池水冷側(cè)l，海水作為換熱器的冷卻水，將加濕器串聯(lián)在水熱管理子系統(tǒng)上， 電堆反應(yīng)熱量得到回收利用；汽水回收子系統(tǒng)依次包括汽水分離罐23、38和電磁閥08、09、 82、81，電磁閥08、09代替了氣體背壓閥的作用，保證氣體壓力達(dá)到設(shè)定值，電磁閥82、81定 期將汽水分離罐中的水排放到去離子水罐中；氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)依次包括耐高壓氮?dú)夤?1、 氮?dú)鈧?cè)減壓閥52、氮?dú)鈧?cè)電磁閥56、57、燃料電池1和系統(tǒng)中別的管路。整個(gè)系統(tǒng)中只有水 熱管理子系統(tǒng)的水泵是主要的噪聲源，水泵是系統(tǒng)中相對(duì)消耗能量最多的輔助設(shè)備。
在AUV下水之前對(duì)整個(gè)閉式循環(huán)燃料電池裝置進(jìn)行掃氣，關(guān)閉電磁閥14、34，依次 打開(kāi)電磁閥22、39，減壓閥52、過(guò)濾器54、電磁閥55、56、57，掃氣開(kāi)始，當(dāng)壓力傳感器21、40 為最高限值時(shí)，掃氣停止。 發(fā)明所采用的對(duì)閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的控制策略是通過(guò)閉環(huán)控制使氫氣/氧 氣/循環(huán)水回路的壓力18、43、71維持在設(shè)定值，且氫氧壓差小于±0. 5bar，循環(huán)水回路背 壓小于氫氧回路壓力。當(dāng)氫/氧壓差大于士0.5bar時(shí)，氫氧回路壓力21、40較高的一方聯(lián) 鎖用PID控制器的輸出控制燃料電池進(jìn)口的調(diào)節(jié)閥15、35，直到壓力恢復(fù)正常范圍內(nèi)時(shí)關(guān) 閉燃料電池進(jìn)口的調(diào)節(jié)閥15、35。當(dāng)循環(huán)水的壓力71高于氫/氧壓力時(shí)，將氫氧回路壓力 21、40較小的一方作為循環(huán)水路背壓控制的設(shè)定值直到壓力恢復(fù)正常。汽水回收子系統(tǒng)，壓 力傳感器21、40的值大于設(shè)定的最大值時(shí)，電磁閥24開(kāi)啟；當(dāng)壓力傳感器21、40的值小于 設(shè)定的最小值時(shí)，電磁閥37關(guān)閉。水熱管理子系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)海水的流量控制進(jìn)入電堆的 去離子水溫度61，以保證電堆出口的去離子水溫度70為設(shè)定值。 結(jié)合圖2，水面計(jì)算機(jī)200給出控制信號(hào)，通過(guò)聲學(xué)傳感器202將信號(hào)傳給AUV， AUV控制單元203根據(jù)速度信號(hào)和檢測(cè)到的海水溫度信號(hào)解算得到燃料電池系統(tǒng)的進(jìn)氣壓 力信號(hào)和換熱器海水流量信號(hào)，燃料電池控制單元根據(jù)進(jìn)氣壓力信號(hào)和海水流量信號(hào)控制 燃料電池系統(tǒng)206，而蓄電池單元包括蓄電池208、超級(jí)電容204和DC/DC轉(zhuǎn)換器205配合
5燃料電池系統(tǒng)一起給推進(jìn)器和舵209供電。 水面計(jì)算機(jī)200給出控制信號(hào)要求AUV啟動(dòng)，閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)也啟動(dòng)，水熱 管理機(jī)構(gòu)依次打開(kāi)水泵66、水路背壓閥69和氫氧加濕器17、42。同時(shí)，氫氣供氣機(jī)構(gòu)和氧 氣供氣機(jī)構(gòu)依次打開(kāi)減壓閥12、32、電磁閥14、34。汽水回收機(jī)構(gòu)打開(kāi)汽水分離罐23、38。 汽水分離罐和去離子水罐之間的電磁閥，每隔一段時(shí)間之后開(kāi)啟，將汽水分離罐中的水流 入去離子水罐中。 當(dāng)水面計(jì)算機(jī)200給出控制信號(hào)要求AUV改變速度，氣體調(diào)節(jié)閥15、35和水路背 壓閥69根據(jù)協(xié)調(diào)AUV功率匹配的控制策略和燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的控制策略作出相應(yīng)的動(dòng) 作。 當(dāng)水面計(jì)算機(jī)200給出控制信號(hào)要求AUV停車，或者閉式循環(huán)燃料電池遇到緊急
報(bào)警要求停車，水泵66、氫氣電磁閥14和氧氣電磁閥55立刻同時(shí)關(guān)閉。 結(jié)合圖3，系統(tǒng)裝置305放在AUV的中間位置，控制單元304和蓄電池單元303配
合閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)一起工作。控制單元包括AUV控制單元和燃料電池控制單元，水
面計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)給出速度指令，AUV控制單元負(fù)責(zé)速度到氣體壓力和冷卻水流量的解算，工業(yè)
以太網(wǎng)與燃料電池控制單元連接，燃料電池控制單元負(fù)責(zé)為電磁閥、調(diào)節(jié)閥、水泵、循環(huán)泵
等提供工作信息，采集工作信息，并且通過(guò)PID控制氣體壓力、水路壓力和水路進(jìn)堆溫度。
換熱器301安置在水密耐壓殼體306和AUV外耐壓殼體307之間，用殼體之間的海水作為
換熱器的冷卻水，打開(kāi)換熱器兩端的閥門310、309后，海水經(jīng)由管路308流入，換熱后，經(jīng)由
管路302流出。 結(jié)合圖4，為了平衡AUV重量，去離子水罐405放在AUV重心處，耐高壓氫氣儲(chǔ)氣罐 411在裝置的左邊，耐高壓氧氣儲(chǔ)氣罐412和耐高壓氮?dú)鈨?chǔ)氣罐413在裝置的右邊。水熱管 理子系統(tǒng)管路中的去離子水輸送到氣體供應(yīng)子系統(tǒng)的加濕器406、407中，給氣體加濕。汽 水回收子系統(tǒng)的汽水分離器中的液態(tài)水匯集到水熱管理子系統(tǒng)的水罐中。換熱器401安置 在裝置的頂部。 結(jié)合圖5和圖6，在長(zhǎng)方體型的換熱器的長(zhǎng)軸方向有很多水平放置的圓柱形的列 管，在圓柱形的列管的兩個(gè)端口都有控制開(kāi)啟閉合的閥門501。去離子水在列管外側(cè)和長(zhǎng) 方體殼之間流動(dòng)，如果兩個(gè)端口閥門都開(kāi)啟，海水就進(jìn)入列管，冷卻去離子水。根據(jù)海水溫 度，通過(guò)控制打開(kāi)的圓柱形列管數(shù)，來(lái)控制換熱器的換熱程度，進(jìn)而控制進(jìn)入電堆的去離子 水溫度。
權(quán)利要求
一種適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是包括氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、汽水回收子系統(tǒng)和氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)的去離子水罐放在AUV重心處，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氫氣儲(chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的一邊，氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氧氣儲(chǔ)氣罐和氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)的耐高壓氮?dú)鈨?chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的另一邊，水熱管理子系統(tǒng)管路中的去離子水輸送到氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)和氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的加濕器中，給氣體加濕，汽水回收子系統(tǒng)的汽水分離器中的液態(tài)水匯集到水熱管理子系統(tǒng)的水罐中，換熱器設(shè)置在頂部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是所述氫氣供 應(yīng)子系統(tǒng)由耐高壓氫氣罐[11]、氫氣側(cè)減壓閥[12]、氫氣側(cè)電磁閥[13]、氫氣側(cè)流量調(diào)節(jié) 閥[14]、第一加濕器[17]、電池陽(yáng)極側(cè)[1]連接組成，為燃料電池供應(yīng)燃料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是所述氧氣供 應(yīng)子系統(tǒng)由耐高壓氧氣罐[31]、氧氣側(cè)減壓閥[32]、氧氣側(cè)電磁閥[34]、氧氣側(cè)流量調(diào)節(jié) 閥[35]、第二加濕器[42]、電池陰極側(cè)[1]連接組成，為燃料電池供應(yīng)氧氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是所述水熱管 理子系統(tǒng)由水路背壓調(diào)節(jié)閥[69]、水泵[67]、板式換熱器[64]和燃料電池水冷側(cè)[1]連接 組成，海水作為換熱器的冷卻水，第一加濕器[17]和第二加濕器[42]串聯(lián)在水熱管理子系 統(tǒng)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是所述汽水 回收子系統(tǒng)由第一汽水分離罐[24]、第二汽水分離罐[38]、第八電磁閥[23]、第九電磁閥 [37]、第十電磁閥[82]、第十一電磁閥[81]連接組成，第十電磁閥[82]、第十一電磁閥[81] 定期將汽水分離罐中的水排放到去離子水罐中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征是所述氮?dú)鈷?氣子系統(tǒng)由耐高壓氮?dú)夤轠51]、氮?dú)鈧?cè)減壓閥[52]、連個(gè)氮?dú)鈧?cè)電磁閥[56、57]、燃料電池 [1]連接組成。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種適用AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。包括氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、汽水回收子系統(tǒng)和氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)，水熱管理子系統(tǒng)的去離子水罐放在AUV重心處，氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氫氣儲(chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的一邊，氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的耐高壓氧氣儲(chǔ)氣罐和氮?dú)鈷邭庾酉到y(tǒng)的耐高壓氮?dú)鈨?chǔ)氣罐設(shè)置在去離子水罐的另一邊，水熱管理子系統(tǒng)管路中的去離子水輸送到氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)和氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)的加濕器中，給氣體加濕，汽水回收子系統(tǒng)的汽水分離器中的液態(tài)水匯集到水熱管理子系統(tǒng)的水罐中，換熱器設(shè)置在頂部。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音低，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)水水量變化基本不引起AUV姿態(tài)改變。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101740796SQ20091007344
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者嚴(yán)浙平, 吳越媛, 張偉, 張新玉, 李舉鋒 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)