一种氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池工作原理是：氢气或其他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。质子交换膜燃料电池的阳极反应气体一般为氢气或重整氢气，阴极氧化剂为纯氧或者空气，氢气通过导气板上的导气通道到达阳极，在阳极催化剂的作用下发生电极反应分解为氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜后到达阴极，电子通过外电路到达阴极，使用燃料电池一般就是利用电子在外电路产生电能的这一过程。在阴极端空气或纯氧通过导气板上导气通道到达阴极，氧分子在催化剂的作用下与到达阴极的氢离子和电子反应生成水并释放出热量，水通过电极随尾气排出。
3.其中，质子交换膜燃料电池按照阴极氧化剂的不同，可以细分为纯氧和空气两种，即所谓的氢空燃料电池和氢氧燃料电池，以上两种的技术路线的基本结构相同，但是内部设计会存在较大差异，整体来说，氢氧燃料电池电堆的总体设计难度要大于氢空燃料电池电堆。相对于氢空燃料电池电堆，氢氧燃料电池电堆的研究设计过程要考虑更高的氢氧利用率、更严格的密封要求、更安静的运行要求、更智能的自反馈调节能力。目前氢空燃料电池普遍在交通领域进行规模示范应用，而氢氧燃料电池基本还处于实验室研究阶段，因此氢空燃料电池的成熟度远高于氢氧燃料电池。
4.本实用新型专利主要利用成熟的氢空燃料电池产品，解决燃料电池技术在水陆两栖车辆中的应用。


技术实现要素：

5.本实用新型专利提供了一种氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统，实现了氢空燃料电池系统在水下或无氧的环境中的正常使用。
6.本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统，包括氢空燃料电池；
7.阳极供气模块，包括与氢空燃料电池阳极进气口相连的氢气储罐；
8.阴极陆上供气模块，包括按照气体进入方向依次连接的空气滤清器、空气压缩机、增湿器，所述增湿器出气口与氢空燃料电池阴极进气口相连；所述空气滤清器用于对空气进行过滤，去除有害物质；所述空气压缩机用于对空气进行增压，所述增湿器用于对增压后的气体进行降温以及增加湿度；
9.阴极水下供气模块，包括与氢空燃料电池阴极进气口相连的空气配比模块、与氢空燃料电池尾排出口相连的气液分离器、分别与空气配比模块相连的氧气储罐和氮气储罐，所述气液分离器气体出口与空气配比模块相连，所述空气配比模块用于对气液分离器
分离出的气体、氧气储罐中的氧气和氮气储罐的氮气进行配比以及将配比后的气体压力调整到氢空燃料电池工作所需压力。由于氮气和氧气气化后都是带压的，而气液分离器分离出的气体压力会下降，将气液分离器分离出的气体、氧气储罐中的氧气和氮气储罐的氮气混合后需要重新调整混合气体的压力以满足氢空燃料电池的工作要求。
10.本实用新型的有益效果：本实用新型利用成熟的氢空燃料电池系统，节省了开发成本并且能够推广应用，当氢空燃料电池系统处于水下和无氧条件下，由于无法吸收到空气，本实用新型设置阴极水下供气模块，利用空气配比模块对氧气储罐中的氧气和氮气储罐中的氮气进行配比和减压以满足氢空燃料电池阴极供气的需求；利用气液分离器对尾排的气液进行分离，将反应后的氮气和氧气进行回收再通过空气配比模块对其重新配比后进行再次利用，由于氮气不会参与氢空燃料电池内的反应，能够反复利用，减少了氮气携带量。
11.本实用新型的技术方案还有：所述空气滤清器进气口设置有水浸传感器，所述水浸传感器用于监测空气滤清器进气口与液面的位置关系以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否位于水下；
12.所述空气滤清器进气口设置有第一氧气浓度传感器，所述第一氧气浓度传感器用于监测空气滤清器进气口处气体的含氧量以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否处于无氧环境。利用水浸传感器监测空气滤清器进气口与液面的位置关系以判断系统是否位于水下，如果空气滤清器进气口位于水下，则不满足阴极陆上供气模块的供气条件，需要转换成阴极水下供气模块对燃料电池阴极进行供气；利用第一氧气浓度传感器用于监测空气滤清器进气口处气体的含氧量以判断系统是否处于无氧环境，如果空气滤清器进气口处于无氧环境下，则不满足阴极陆上供气模块的供气条件，需要转换成阴极水下供气模块对燃料电池阴极进行供气。
13.本实用新型的技术方案还有：所述空气配比模块包括与氧气储罐连接的氧气输送管道、与氮气储罐连接的氮气输送管道、与氢空燃料电池阴极进气口相连的空气输送管道，所述氧气输送管道出口、所述氮气输送管道出口分别与所述空气输送管道入口连接；
14.所述氧气输送管道上设置有氧气控制阀、氧气输送泵，所述氮气输送管道上设置有氮气控制阀、氮气输送泵，所述空气输送管道上沿气流方向依次设置有第一压力传感器和减压阀。利用氧气控制阀、氧气输送泵控制氧气的输送量和压力值，利用氮气控制阀、氮气输送泵控制氮气的输送量和压力值，实现对氧气和氮气的配比和配比后气体的压力控制，保证减压阀进口处的气体压力值满足减压阀的工作要求，通过设置减压阀能够对混合气体进行减压并且使减压阀输出气体压力保持在设定值，以满足燃料电池的供气要求。
15.本实用新型的技术方案还有：所述空气配比模块还包括低温泵、气化器和缓冲罐，所述氧气储罐为液氧储罐，在氧气控制阀和氧气输送泵之间按照气流方向依次设置有低温泵、气化器和缓冲罐。将氧气以液态进行存储，有助于增大氧气携带量，提升燃料电池的续航里程，利用气化器将液氧转化成气态的氧，利用缓冲罐存储气态的氧，避免氧气输送中断。
16.本实用新型的技术方案还有：所述空气配比模块还包括第二氧气浓度传感器、第三氧气浓度传感器以及与气液分离器气体出口相连的空气循环泵，所述空气循环泵出口与空气输送管道入口相连，所述空气循环泵出口与空气输送管道入口之间设置有第三氧气浓
度传感器，所述空气输送管道在第一压力传感器前侧设置有第二氧气浓度传感器。通过设置空气循环泵将气液分离器分离出的气体回收重新参与配比，实现了氧气和氮气的回收利用，减少了氮气携带量，通过第三氧气浓度传感器监测回收气体的氧气浓度值，以判断补充氧气还是氮气，通过第二氧气浓度传感器监测配比后的气体氧气含量值是否满足燃料电池的工作要求。
17.本实用新型的技术方案还有：所述氢气储罐与氢空燃料电池之间按照氢气供给方向依次设置有二级减压阀和第二压力传感器。利用二级减压阀对氢气储罐中的氢气进行减压后提供给氢空燃料电池，利用第二压力传感器实时监测氢气的压力值。
18.本实用新型的技术方案还有：还包括与氢空燃料电池氢气出口相连的氢气循环泵，所述氢气循环泵出口与氢空燃料电池氢气入口相连。利用氢气循环泵将氢空燃料电池反应后剩余的氢气重新回收利用，有助于提升燃料电池的续航里程。
19.本实用新型的技术方案还有：还包括与氢空燃料电池散热口连接的散热系统，所述散热系统与气化器相连，所述散热系统用于对氢空燃料电池进行散热。气化器需要吸热实现将液氧转变成气态氧气的目的，散热系统将氢空燃料电池产生的热量传递给气化器，实现了能量的合理利用，减少了能源消耗。
20.上述氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统的控制方法，包括以下步骤：当系统处于陆上环境时或处于有氧环境时，启动空气滤清器、空气压缩机和增湿器，为氢空燃料电池阴极提供空气供给；
21.当系统处于水下环境时或处于无氧环境时，利用空气配比模块对氧气储罐中的氧气、氮气储罐的氮气进行配比并对配比后的气体进行减压后供给氢空燃料电池阴极；
22.当系统处于水下环境时，利用气液分离器对氢空燃料电池尾排出口的尾排物进行气液分离，空气配比模块对气液分离器分离出的气体进行重新配比和加压，返回到氢空燃料电池阴极进气口，实现氮气的循环利用，减少了氮气的携带量，有助于减轻重量和降低成本。
23.本实用新型的主要构思：
24.1、本实用新型利用成熟的氢空燃料电池系统，节省了开发成本并且能够推广应用，当氢空燃料电池系统处于水下和无氧条件下，由于无法吸收到空气，本实用新型设置阴极水下供气模块，利用空气配比模块对氧气储罐中的氧气和氮气储罐中的氮气进行配比和减压以满足氢空燃料电池阴极供气的需求；利用氢气储罐向氢空燃料电池阳极供气，不受无氧环境和水下环境的影响；
25.2、为了降低氮气和氧气的携带量，利用气液分离器对尾排中的气液进行分离，将反应后剩余的氮气和氧气进行回收再通过空气配比模块对其重新配比后进行再次利用，由于氮气不会参与氢空燃料电池内的反应，因此不会被消耗而能够反复利用，从而能够减少氮气携带量，并且氧气采用液氧形式存储，增加了氢空燃料电池系统的续航里程；
26.3、本实用新型在设置阴极水下供气模块的基础上，利用常用的空气供应系统作为阴极陆上供气模块，在陆地使用空气供应系统直接利用空气对氢空燃料电池阴极进行供气，在水下或无氧环境下使用阴极水下供气模块对氢空燃料电池阴极进行供气，提升了系统整体的续航里程。
27.目前氢空燃料电池普遍在交通领域进行规模示范应用，而氢氧燃料电池基本还处
于实验室研究阶段，因此，氢空燃料电池的成熟度远高于氢氧燃料电池。采用本发明系统能够实现成熟的氢空燃料电池系统在水下或无氧环境中使用，使燃料电池产品满足更大范围的运用。
附图说明
28.图1为本实用新型所述氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统的结构示意图；
29.图2为本实用新型所述氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统的供气控制流程图；
30.图中，1氢空燃料电池、2氢气储罐、3空气滤清器、31水浸传感器、32第一氧气浓度传感器；
31.4空气压缩机、5增湿器、6气液分离器、7氧气储罐、8氮气储罐；
32.9氧气输送管道、91氧气控制阀、92氧气输送泵；
33.10氮气输送管道、101氮气控制阀、102氮气输送泵；
34.11空气输送管道、110减压阀、111第一压力传感器、112第二氧气浓度传感器；
35.12低温泵、13气化器、14缓冲罐、15第三氧气浓度传感器、16空气循环泵、17氢气控制阀、18二级减压阀、19第二压力传感器、20氢气循环泵、21散热系统；
36.71氧气单向阀、81氮气单向阀、161空气循环单向阀、201氢气循环单向阀。
具体实施方式
37.下面结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围，本实用新型实施例中设置控制模块主要是为了实现自动化控制功能，本实用新型通过人为控制同样能够实现系统的基本功能。
38.如图1所示，一种氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统，包括：
39.氢空燃料电池1。
40.阳极供气模块，包括与氢空燃料电池1阳极进气口相连的氢气储罐2。
41.阴极陆上供气模块，包括按照气体进入方向依次连接的空气滤清器3、空气压缩机4、增湿器5，所述增湿器5出气口与氢空燃料电池1阴极进气口相连。
42.阴极水下供气模块，包括与氢空燃料电池1阴极进气口相连的空气配比模块、与氢空燃料电池1尾排出口相连的气液分离器6、分别与空气配比模块相连的氧气储罐7和氮气储罐8，所述气液分离器6气体出口与空气配比模块相连，所述空气配比模块用于对气液分离器6分离出的气体、氧气储罐7中的氧气和氮气储罐8的氮气进行配比以及将配比后的气体压力调整到氢空燃料电池1工作所需压力。
43.控制模块，用于当系统处于水下环境时或处于无氧环境时，控制阴极水下供气模块对氢空燃料电池1阴极进行供气；用于当系统处于陆上环境时或处于有氧环境时，控制阴极陆上供气模块对氢空燃料电池1阴极进行供气。
44.所述空气滤清器3进气口设置有水浸传感器31，所述水浸传感器31用于监测空气
滤清器3进气口与液面的位置关系以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否位于水下。
45.所述空气滤清器3进气口设置有第一氧气浓度传感器32，所述第一氧气浓度传感器32用于监测空气滤清器3进气口处气体的含氧量以判断所述的适应于水陆两栖工况的氢空燃料电池系统是否处于无氧环境。
46.所述空气配比模块包括与氧气储罐7连接的氧气输送管道9、与氮气储罐8连接的氮气输送管道10、与氢空燃料电池1阴极进气口相连的空气输送管道11，所述氧气输送管道9出口、所述氮气输送管道10出口分别与所述空气输送管道11入口连接。
47.所述氧气输送管道9上设置有氧气控制阀91、氧气输送泵92，所述氮气输送管道10上设置有氮气控制阀101、氮气输送泵102，所述空气输送管道11上沿气流方向依次设置有第一压力传感器111和减压阀110。
48.所述空气配比模块还包括低温泵12、气化器13和缓冲罐14，所述氧气储罐7为液氧储罐，在氧气控制阀91和氧气输送泵92之间按照气流方向依次设置有低温泵12、气化器13和缓冲罐14。
49.所述空气配比模块还包括第二氧气浓度传感器112、第三氧气浓度传感器15以及与气液分离器6气体出口相连的空气循环泵16，所述空气循环泵16出口与空气输送管道11入口相连，所述空气循环泵16出口与空气输送管道11入口之间设置有第三氧气浓度传感器15，所述空气输送管道11在第一压力传感器111前侧设置有第二氧气浓度传感器112。
50.所述氢气储罐2与氢空燃料电池1之间按照氢气供给方向依次设置有氢气控制阀17、二级减压阀18和第二压力传感器19，利用氢气控制阀17控制氢气储罐2输出氢气的流量和通断。
51.所述的氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统还包括与氢空燃料电池1氢气出口相连的氢气循环泵20，所述氢气循环泵20出口与氢空燃料电池1氢气入口相连。
52.所述的氢空燃料电池适应于水陆两栖工况的供气系统还包括与氢空燃料电池1散热口连接的散热系统21，所述散热系统21与气化器13相连，所述散热系统21用于对氢空燃料电池1进行散热。
53.为了防止氧气储罐7、氮气储罐8中进入水汽，在氧气储罐7出口、氮气储罐8出口分别设置有氧气单向阀71、氮气单向阀81；为防止循环气体的倒流，空气循环泵16出口和氢气循环泵20出口分别设置有空气循环单向阀161、氢气循环单向阀201。
54.工作原理：在水下环境，如图1和图2所示，利用水浸传感器31监测空气滤清器3进气口与液面的位置关系。
55.当空气滤清器3进气口位于液面之上时，启动空气滤清器3、空气压缩机4和增湿器5，为氢空燃料电池1提供空气供给。
56.当空气滤清器3进气口位于液面之下时，分别控制氧气控制阀91的开启程度和氮气控制阀101的开启程度将氧气储罐7中的氧气和氮气储罐8中的氮气按照设定比例进行配比，并利用氧气输送泵92、氮气输送泵102对配比后的气体的压力进行调整以满足减压阀110的输入端的气体压力要求，然后利用减压阀110对混合气体减压稳压后供给氢空燃料电池1。
57.当空气滤清器3进气口位于液面之下时，利用气液分离器6对氢空燃料电池1尾排
出口的尾排物进行气液分离，将分离出的气体通过空气循环泵16返回到氢空燃料电池1阴极进气口，实现氮气的循环利用，并利用第三氧气浓度传感器15实时监测分离出的气体中的氧气含量，根据监测到的氧气含量，开启氧气储罐7补充氧气或开启氮气储罐8补充氮气，利用第二氧气浓度传感器112实时监测配比后的氧气浓度是否满足氢空燃料电池1的工作要求，同时根据第一压力传感器111监测到减压阀110的输入端的气体压力，利用氧气输送泵92、氮气输送泵102对减压阀110的输入端的混合气体的压力进行调节，然后通过减压阀110减压以保证输送给氢空燃料电池1的气体保持在一定压力范围内以满足氢空燃料电池1的工作需求。
58.在无氧环境下，利用水浸传感器31监测空气滤清器3进气口与液面的位置关系同时利用第一氧气浓度传感器32监测空气滤清器3进气口处气体的氧气含量；当空气滤清器3进气口位于液面之上，同时空气滤清器3进气口处气体的氧气含量低于设定氧气浓度阈值时，分别控制氧气控制阀91的开启程度和氮气控制阀101的开启程度将氧气储罐7中的氧气和氮气储罐8中的氮气按照设定比例进行配比，并利用氧气输送泵92、氮气输送泵102和减压阀110对配比后的气体进行压力调整后供给氢空燃料电池1。