一种燃料电池系统循环冷却水装置的制作方法

本发明属于能量再利用技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池系统的循环冷却水装置。

背景技术：

不依赖空气推进系统是指在不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。常规不依赖空气推进系统主要利用自身携带的氧气，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，提供航行所需的推进动力。不依赖空气推进系统主要有燃料电池、热气机、闭式循环汽轮机、闭式循环柴油机共四类。

目前，国内外技术较为成熟、已进入实用阶段的主要是燃料电池系统和斯特林热气机系统。相比而言，燃料电池系统主要有能量转换效率高、系统振动和噪声小、红外辐射低性、反应物清洁等优势。

不依赖空气推进燃料电池系统一般包括质子交换膜燃料电池模块、储氢装置、储氧装置、辅助装置和监控装置。在隔绝空气的密闭空间中，储氧装置一般采用液氧集中储存汽化技术；考虑到氢气极易泄露，在密封环境内通常采用制氢或合金储氢等安全性高的储氢技术。

质子交换膜燃料电池模块工作时会产生大量的热量，同时液氧汽化需要一定的热量，而且无论是金属储氢、甲醇重整制氢、有机液体脱氢也需要提供一定热量。

为了满足上述装置的换热需求，需要设计循环冷却水装置来传递热量。

有的燃料电池系统循环冷却水装置针对每个设备单独设计，循环冷却水管路复杂；有的燃料电池系统循环冷却水装置虽然能够针对每个设备的吸散热特性系统设计，但换热结构简单，尚有进一步优化的空间。

技术实现要素：

本发明的目的是充分利用燃料电池模块放热、储氧装置和储氢装置吸热的特性，设计一种燃料电池系统循环冷却水装置，可以实现分级换热，调节方便，热量阶梯利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池系统循环冷却水装置，包括进行三级热量传递和利用的纯水循环支路、淡水循环支路和外部冷却水循环支路；所述的纯水循环支路包括与质子交换膜燃料电池模块出口连接的调压膨胀水箱和去离子设备，所述的调压膨胀水箱出水口连接有纯水泵，所述的纯水泵引出两个支路，第一支路连接纯水/淡水换热器冷侧入口，第二支路与质子交换膜燃料电池模块进口连接，第二支路同时连接去离子设备，纯水/淡水换热器热侧出口与质子交换膜燃料电池模块进口连接；所述的淡水循环支路包括储水箱以及同时与储水箱入水口连接的储氢装置和储氧装置，储水箱通过淡水泵和流量传感器连接的淡水/外部冷却水换热器热侧入口，淡水/外部冷却水换热器的冷侧出口与纯水/淡水换热器介质入口连接，纯水/淡水换热器的介质出口通过温度传感器引出的三个支路，第一支路通过调节阀和流量传感器连接储氢装置，第二支路通过调节阀和流量传感器连接储氧装置，第三支路与储水箱连接；所述的外部冷却水循环支路包括同时与淡水/外部冷却水换热器的介质入口和介质出口连接的外部冷却水装置，所述的外部冷却水装置与淡水/外部冷却水换热器介质入口之间连接有调节阀。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其淡水/外部冷却水换热器与纯水/淡水换热器之间连接有温度传感器。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其调压膨胀水箱与纯水泵之间连接有压力传感器。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其纯水泵的两个支路通过温控阀引出。

进一步，所述纯水泵的第二支路依次通过电导率传感器、流量传感器、温度传感器和压力传感器与质子交换膜燃料电池模块进口连接。

进一步，所述纯水泵的第二支路通过调节阀连接去离子设备。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其纯水/淡水换热器的第三支路通过调节阀与储水箱连接。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其交换膜燃料电池模块出口与去离子设备之间依次设置有温度传感器和电导率传感器。

所述的一种燃料电池系统循环冷却水装置，其储水箱上设置有温度传感器。

本发明的有益效果在于：

1，充分利用燃料电池模块产生的热量，一部分用于储氧装置吸热释放氧气，一部分用于储氢装置吸热释放氢气，有效提高整个燃料电池系统的能力综合利用率；

2，根据燃料电池模块、储氢装置、储氧装置的热特性，循环水装置分三层设计，每层循环水温度区间不同，阶梯式利用热量，既能保证每个装置的换热要求，也能保证每个装置的换热稳定性；

3，针对不同质子交换膜燃料电池增湿和排水方案，燃料电池模块独立设计一层循环水，并设置调压膨胀水箱、温控阀和去离子设备，可满足其对冷却水压力、温度、电导率等参数的特殊要求。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图中标记对应的构件名称为：1—质子交换膜燃料电池模块，2—储氢装置，3—储氧装置，4—纯水泵，5/12/13/14/29—调节阀，6—调压膨胀水箱，7—去离子设备，8—纯水/淡水换热器，9—温控阀，10—淡水泵，11—淡水/外部冷却水换热器，15—储水箱，16/21—电导率传感器，17/22/25/26—流量传感器，18/20/23/24/27—温度传感器，19/28—压力传感器。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下：

实施例1

以储氧装置3采用液氧方案、储氢装置2采用合金储氢方案为例，再结合本发明结构、技术原理对本发明显著效果作进一步说明如下：

如图1所示，本发明的燃料电池系统循环冷却水装置包括进行三级热量传递和利用的纯水循环支路、淡水循环支路和外部冷却水循环支路。

其中质子交换膜燃料电池模块1、以水流方向顺序连接的调压膨胀水箱6、纯水泵4、纯水/淡水换热器8、温控阀9、调节阀5、去离子设备7、电导率传感器16、流量传感器17、温度传感器18、压力传感器19等主要零部件构成纯水循环支路。

所述纯水/淡水换热器8、以水流方向顺序连接的储水箱15、淡水泵10、淡水/外部冷却水换热器11、温度传感器24、调节阀13、储氢装置2、调节阀14、储氧装置3、流量传感器22、25、26等零部件构成淡水循环支路。

所述淡水/外部冷却水换热器11、调节阀12及外部冷却水装置构成外部冷却水循环支路。

其中储氢装置2适用于合金储氢、甲醇重整制氢、有机液储氢等吸热类储氢装置；储氧装置3适用于液氧汽化等吸热类储氧装置。

质子交换膜燃料电池模块1额定效率约60%，其产生的热量占氢燃料低位热值的40%，其中约占氢燃料低位热值3%的热量用于储氧装置3（液氧）吸热释放氧气，约占氢燃料低位热值14%的热量用于储氢装置2（合金储氢）吸热释放氢气，约占氢燃料低位热值23%的热量通过淡水/外部冷却水换热器11散发到外部冷却水循环装置，该装置可以有效提高整个燃料电池系统的能量综合利用率，可达77%以上。

纯水泵4驱动调压膨胀水箱6中的纯水对质子交换膜燃料电池模块1进行冷却，根据质子交换膜燃料电池模块1的热特性，纯水循环水支路的温度范围约70℃～80℃，其产生的热量通过纯水/淡水换热器8传递至淡水循环水支路。

淡水泵10驱动储水箱15中的淡水首先经过淡水/外部冷却水换热器11将整个系统的余热传递至外部冷却水循环支路；然后经过纯水/淡水换热器8吸收纯水循环水支路中产生的热量；然后分别经过储氢装置2和储氧装置3，根据合金储氢材料的热特性，淡水循环水温度范围约50℃～60℃，其中通过调节阀13和调节阀14控制经过储氢装置2和储氧装置3的加热水流量；最后返回储水箱15。整个系统的余热通过外部冷却水吸收，外部冷却水温度范围约4℃～38℃。根据燃料电池模块1、储氢装置2、储氧装置3的热特性，循环水装置分三层设计，每层循环水温度区间不同，阶梯式利用热量，既能保证每个装置的换热要求，也能保证每个装置的换热稳定性。

纯水循环水支路中的调压膨胀水箱6可用于控制进入质子交换膜燃料电池模块1冷却水的压力，进而满足其增湿或辅助排水的要求；纯水流经温控阀9可自动判断其温度是否超标，如超标则部分纯水进入纯水/淡水换热器8进行冷却，剩余的纯水通过旁路与上述冷却后的纯水混合后再进入质子交换膜燃料电池模块1进行冷却；当电导率传感器16判断纯水需要净化时，开启调节阀5，小部分纯水流经去离子设备7，降低其电导率，其中调节阀5还可以控制纯水电导率的降低速率。

本发明的循环冷却水装置的纯水循环支路利用纯水/淡水换热器8将热量传递至淡水循环支路，淡水循环支路通过淡水加热储氢装置2和储氧装置3，并将多余的热量通过淡水/外部冷却水换热器11传递至外部冷却水循环支路。

针对不同质子交换膜燃料电池增湿和排水方案，燃料电池模块独立设计一层循环水，并设置调压膨胀水箱、温控阀和去离子设备，可满足其对冷却水压力、温度、电导率等参数的特殊要求。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。