一种水下能源与制氧消氢联调系统的制作方法

本实用新型属于能源技术领域，特别是一种水下能源与制氧消氢联调系统。

背景技术：

未来水下能源系统必须满足多种不同功能器设备的推进需求。它们包括水下的船只，尤其是无人船只(UUV)的需求。这些船只必须满足：功率需求：300瓦–30千瓦；高能量密度，长时间运行，快速响应时间；安全，无声。为了要长时间的运行耐力，能量的密度要求也非常高。无人船只对比功率和比能量的同时的需求，已远远超出了现代最先进的电池的能力.为了要满足无人船只的需求，必须寻找传统电池以外的能量系统。氢氧燃料电池具有较高比功率和比能量，成为水下混合能源的优先选择。

对于UUV混合能源系统而言，需要提供稳定、可靠的氢源和氧源。高压氧源控制系统简单，但是携带的氧量十分有限，不能满足长时间运行的需求。液氧由于具有较高的体密度而备受关注，国外也有UUV采用液氧系统供氧的报道，但是液氧存在日蒸发的问题，这给液氧的储存带来了较大的困难。固体储氧具有较高的氧密度，同时方便储存，氧气纯度高，成为水下混合能源系统供氧的可能。

氢氧燃料电池运行过程，电堆尾气需要经过处理，使系统基本不排出尾气或者只产生微量尾气。特殊情况下，排出的微量尾气中含有少量的氢气，长时间运行中存在氢气浓度积累升高的风险，需要控制密闭空间内氢气在安全浓度下，以达到长时间运行的目的。

技术实现要素：

本实用新型装置的目的在于提供一种水下能源与制氧消氢联调系统。

本实用新型解决上述问题的技术方案为：一种水下能源与制氧消氢联调系统，包括：封闭外壳，设置在封闭外壳中的燃料电池堆、蓄电池、消氢系统、以及与燃料电池堆连接的DC/DC转换器；

所述的燃料电池堆为氢氧燃料电池堆，包括氢氧燃料电池、固体氧罐组件、缓冲罐、供氧管道，以及储氢罐、供氢管道和水箱；所述固体氧罐组件经缓冲罐通过供氧管道连接氢氧燃料电池，所述储氢罐通过供氢管道连接氢氧燃料电池；所述水箱与氢氧燃料电池连接；所述固体氧罐组件包括多个布置在不锈钢承压壳体内的固体氧罐、用于分别控制每个固体氧罐的激发的电控激发器，所述固体氧罐组件中设有压力传感器；

所述消氢系统包括消氢器、风机和氢气传感器，所述风机根据氢气传感器的氢气检测浓度值 自动启停，所述消氢系统通过消氢器与水箱连接。

按上述方案，所述消氢器为强制对流型消氢器。

按上述方案，所述水下能源与制氧联调系统还包括用于控制固体氧罐的激发器工作状态的系统控制器。

按上述方案，所述水箱经过水气分离器和催化器与氢氧燃料电池连接。

按上述方案，所述水下能源与制氧消氢联调系统还设有氢气报警器和氧气报警器。

按上述方案，所述DC/DC转换器为可调DC/DC转换器。

按上述方案，所述水下能源与制氧消氢联调系统还包括用于给能源系统散热的水冷循环系统。

按上述方案，所述氢氧燃料电池还连接有温度传感器。

本实用新型装置带来的有益效果是：

1)系统氧气以固态形式存储，在保证高储氧密度下，延长氧源的存储期。提高混合能源系统氧源的安全性，为长时间运行供氧提供有力保障。

2)该混合能源系统可以放置于密闭舱段内，系统与外界没有物质交换。系统采用的纯氢/氧电堆及电堆尾气催化器使系统基本不排出尾气或者只产生微量尾气。特殊情况下，排出的微量氢气，积累到一定浓度，经由风机送入消氢器，通过催化燃烧将氢气浓度控制在安全范围内，从而保证长时间运行的安全性和可行性。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的装置的结构示意图；

图2是本实用新型一个供氧系统实施例结构示意图；

图1中：1-第一压力传感器、2-二级减压阀、3-第一调节阀、4-第一电磁阀、5-第二压力传感器、6-温度传感器、7-蓄电池、8-储氢罐、9-第三压力传感器、10-缓冲罐、11-第二调节阀、12-第二电磁阀、13-氧气压力传感器、14-系统控制器、15-催化器、16-DC/DC、17-水箱、18-水气分离器、19-风机、20-消氢器、21-燃料电池、22-电控激发器、23-不锈钢承压壳体、24-固体氧罐、25-内胆、26-氢气报警器、27-氧气报警器、28-第四压力传感器、29-第三电磁阀、30-高压气泵、31-第一单向阀、32第二单向阀、33、减压阀、34、安全阀。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种水下能源与制氧联调系统，包括封闭外壳，和设置在一个封闭的内胆25的燃料电池堆、磷酸铁锂动力蓄电池7和DC/DC转换器16；DC/DC转换器16为可调DC/DC转换器，燃料电池堆和DC/DC转换器16连接；燃料电池堆为氢氧燃料电池堆，包括氢氧燃料电池21、固体氧罐组件22、缓冲罐10、及供氧管道、方形的储氢罐8及供氢管道和长方形的水箱17；固体氧罐组件经缓冲罐10通过供氧管道连接氢氧燃料电池，缓冲罐上设置有第三压力传感器9，如图2所示，多个固体氧罐24布置在不锈钢承压壳体23内，电控激发器22可以分别控制每个固体氧罐的激发；从氢氧燃料电池至缓冲罐的供氧管道上依次设有电磁阀12和氧气压力传感器13以及减压调节阀11；储氢罐8通过供氢管道连接氢氧燃料电池21；水箱17与氢氧燃料电池连接，从储氢罐8至氢氧燃料电池的供氢管道依次设有第一压力传感器1、二级减压阀2、第一调节阀3、第二压力传感器5和电磁阀41；

水箱17设置在燃料电池下方，与氢氧燃料电池21连接，水箱经过水气分离器18和催化器15与氢氧燃料电池21连接。

水下能源与制氧联调系统还包括用于控制固体氧罐的激发器工作状态的系统控制器14。

水下能源与制氧联调系统布置有消氢系统，所述消氢系统包括消氢器20、风机19和氢气传感器，风机根据氢气传感器的氢气检测浓度值自动启停。

进一步的，混合能源系统还包括氢气报警器26和氧气报警器27，用于监测报警。

氢氧燃料电池21还可连接有温度传感器6，用于检测氢氧燃料电池的温度。

混合能源系统通过电线接口和通讯接口向负载输出电能。

如图2所示，为一个供氧系统实施例及结构示意图：以1KW燃料电池系统运行为例，额定工况运行需氧量为5L/min，单个固体氧罐供氧平均流量5L/min，流量范围4-6L/min，氧气纯度99.8％以上，CO浓度＜3ppm。不锈钢承压壳体设计压力＜2bar，氧气缓冲罐设计压力＜12bar。运行过程中，电控激发器22根据不锈钢承压壳体23内的压力传感器28监测的压力值控制氧罐24的激发情况，产生的氧气根据缓冲罐10的氧气压力选择不同路径进入缓冲罐，最后通过缓冲罐末端的减压阀33和第二调节阀11提供稳定、连续的氧气供给。

激发供氧后，低压时，压力传感器9＜1.5bar，第三电磁阀29关闭，氧气通过第二单向阀32进入氧气缓冲罐。

若1.5bar＞压力传感器9检测压力＞0.5bar，可正常为燃料电池系统供氧，燃料电池 系统正常运行。

若压力传感器28检测压力＞1.5bar，此时产氧速率较快，第三电磁阀29开启，同时高压气泵30开始工作，氧气通过第一单向阀31进入氧气缓冲罐，多余氧气可以储存在缓冲罐，燃料电池系统正常运行。

当压力传感器9检测压力＞8bar，此时产氧速率较快，第三电磁阀29开启，同时高压气泵30开始工作，氧气通过第一单向阀31进入氧气缓冲罐，多余氧气可以储存在缓冲罐。燃料电池系统在峰值功率1.2KW运行，需氧气量为6L/min，大于平均产氧速率，从而降低氧气缓冲罐压力。富余功率可以给系统供电或锂电池充电。当压力传感器9检测压力＞10bar，安全阀34开启，向封闭舱段内排放少量氧气，确保系统安全。

当压力传感器28检测压力连续低于＜0.5bar，时间超过3min，则单个氧罐消耗完，激发器激发下个氧罐。从功能上保障供氧系统的连续性、可调性和稳定性。

第一单向阀31和第二单向阀32能有效保障不锈钢承压壳体内的氧气单向流入氧气缓冲罐，并能有防止氧气反向流。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。