一種燃料電池發電系統的製作方法
2023-06-01 05:40:16 1
專利名稱：一種燃料電池發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池發電系統，特別涉及一種應用於水下隔絕空氣環境中的大功率質子交換膜燃料電池發電系統。
背景技術：
燃料電池是一種不經過燃燒過程的高效低汙染髮電裝置。燃料電池和傳統意義上的電池不同，它直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能按照電化學方式轉化為電能。燃料電池有很多類型，按電解質的不同可分為鹼性燃料電池，質子交換膜燃料電池，磷酸型燃料電池和固體氧化物燃料電池等。其中，質子交換膜燃料電池與其他類型的燃料電池相比，具有高功率密度、高能量轉換效率、低溫啟動、環境友好等優點，因此，其在交通、軍事、清潔能源系統等領域中有著廣泛的應用。
常規的質子交換膜燃料電池米用氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。氫氣多以高壓氣態或液態的方式儲存，氧氣則直接來自於大氣中的空氣。在陸地敞開環境中，這種供氫和供氧方式可以滿足質子交換膜燃料電池的需要。而在水下隔絕空氣的密閉空間中，首先不能直接利用空氣中的氧氣為氧化劑，其次，由於氫氣極易洩露，在通風條件差的有限空間中高壓儲氫方式存在很大的安全隱患。因此，常規的供氫和供氧方式並不能滿足要求。此外，大功率質子交換膜燃料電池工作時會放出大量的熱量，在陸地敞開環境中，這些熱量可以通過風冷或水冷系統逐步散發到燃料電池發電系統外。而在水下密閉空間中，常規的冷卻方式會使環境溫度不斷升高，導致燃料電池發電系統無法安全穩定的運行。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種不依賴外界空氣、特別適合於在水下隔絕空氣的密閉空間中工作的、氫氣洩露的隱患小、安全可靠、系統內部換熱過程簡單、直接、熱量循環效率高的大功率質子交換膜燃料電池發電系統。本發明的技術方案是一種燃料電池發電系統，包括質子交換膜燃料電池模塊，儲氫裝置，儲氧裝置，DC/DC變換單元，監控單元，恆溫熱水箱，冷水箱，熱交換器，水泵，閥，以及用於熱水循環支路、冷水循環支路和冷熱水平衡支路的循環水管；所述熱水循環支路包括恆溫熱水箱，循環熱水輸送水泵，質子交換膜燃料電池模塊，儲氫裝置，熱交換器；所述冷水循環支路包括冷水箱，循環冷水輸送水泵，DC/DC變換單元，儲氧裝置；所述冷熱水平衡支路，包括恆溫熱水箱，熱水控制閥，平衡熱水輸送水泵，冷水箱，冷水控制閥，平衡冷水輸送水泵；監控單元一端與恆溫熱水箱連接，另一端與冷水箱連接。所述的燃料電池發電系統，其熱水循環支路是從恆溫熱水箱的熱水出口起以水流方向順序連接循環熱水輸送水泵，質子交換膜燃料電池模塊，儲氫裝置，熱交換器，最後再連接恆溫熱水箱；所述冷水循環支路是從冷水箱的冷水出口起以水流方向順序連接循環冷水輸送水泵，DC/DC變換單元，儲氧裝置，最後再連接冷水箱。所述的燃料電池發電系統，其冷熱水平衡支路是從恆溫熱水箱的用於平衡的熱水出口起以水流方向順序連接熱水控制閥，平衡熱水輸送水泵，冷水箱，冷水控制閥，平衡冷水輸送水泵，最後再連接恆溫熱水箱。所述的燃料電池發電系統，其冷熱水平衡支路是從恆溫熱水箱的用於平衡的熱水出口起以水流方向順序連接平衡熱水輸送水泵，熱水控制閥，冷水箱，平衡冷水輸送水泵，冷水控制閥，最後再連接恆溫熱水箱。所述的燃料電池發電系統，其儲氫裝置中裝載有金屬氫化物。所述的燃料電池發電系統，其儲氧裝置中裝載有液氧。所述的燃料電池發電系統，其恆溫熱水箱上設置有溫度控制儀。所述的燃料電池發電系統，其冷水箱上設置有溫度表)、循環水排放閥和冷卻水注入閥。 所述的燃料電池發電系統，其監控單元還與冷水箱上循環水排放閥和冷卻水注入閥連接，用於監控循環水排出和冷卻水注入過程。本發明的有益效果在於
1、氫燃料通過金屬氫化物儲存，氧化劑以液氧方式儲存，燃料電池發電系統在水下密閉空間中工作時，既不依賴外界的空氣，又降低了氫氣洩露的隱患；
2、採用熱水循環支路A和冷水循環支路B雙循環冷卻方式進行燃料電池發電系統內的熱量循環，可以快速傳遞大功率燃料電池模塊和DC/DC變換單元產生的熱量，保證儲氫裝置和儲氧裝置的熱量供應，減小熱交換器的功率等級，從而有效提高整個系統的熱量循環效率；
3、通過冷熱水平衡支路C的恆溫熱水箱和冷水箱中熱、冷循環水混合的方式進行熱水循環支路A和冷水循環支路B之間的熱量交換，不僅進一步減小了熱水循環支路A中熱交換器的功率等級，而且省去了冷水循環支路B中的輔助加熱設備，整個換熱過程簡單、直接、有效。
圖I是本發明的系統結構示意圖。圖中標記對應的構件名稱為
A 一熱水循環支路，B 一冷水循環支路，C 一冷熱水平衡支路，I 一質子交換膜燃料電池模塊，2 —儲氫裝置，3 —熱交換器，4 一恆溫熱水箱，4. I 一溫度控制儀，4. 2 一熱水控制閥，4. 3 一平衡熱水輸送水泵，5 —冷水箱，5. I 一溫度表，5. 2 一冷水控制閥，5. 3 一平衡冷水輸送水泵，5. 4 一循環水排放閥，5. 5 一冷卻水注入閥，6 —監控單元，7 — DC/DC變換單元，8 —儲氧裝置，9 一循環水管路，9. I 一循環熱水輸送水泵，9. 2 一循環冷水輸送水泵。
具體實施例方式結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明如下
實施例I:
如圖I所示，是本發明的基本實施例。一種燃料電池發電系統，包括質子交換膜燃料電池模塊1，儲氫裝置2，儲氧裝置8，DC/DC變換單元7，監控單元6，恆溫熱水箱4，冷水箱5，熱交換器3，水泵，閥，以及用於熱水循環支路A、冷水循環支路B和冷熱水平衡支路C的循環水管9 ;所述熱水循環支路A包括恆溫熱水箱4，循環熱水輸送水泵9. I，質子交換膜燃料電池模塊I，儲氫裝置2，熱交換器3 ;所述冷水循環支路B包括冷水箱5，循環冷水輸送水泵9. 2，DC/DC變換單元7，儲氧裝置8 ;所述冷熱水平衡支路C，包括恆溫熱水箱4，熱水控制閥
4.2，平衡熱水輸送水泵4. 3，冷水箱5，冷水控制閥5. 2，平衡冷水輸送水泵5. 3 ;監控單元6一端與恆溫熱水箱4連接，另一端與冷水箱5連接，用於監控熱水循環支路A和冷水循環支路B之間的熱量交換過程。所述的熱水循環支路A是從恆溫熱水箱4的熱水出ロ起以水流方向順序連接循環熱水輸送水泵9. 1，質子交換膜燃料電池模塊1，儲氫裝置2，熱交換器3，最後再連接恆溫熱水箱4 ;所述冷水循環支路B是從冷水箱5的冷水出ロ起以水流方向順序連接循環冷水輸送水泵9. 2，DC/DC變換單元7，儲氧裝置8，最後再連接冷水箱5。所述的冷熱水平衡支路C是從恆溫熱水箱4的用於平衡的熱水出ロ起以水流方向順序連接熱水控制閥4. 2，平衡熱水輸送水泵4. 3，冷水箱5，冷水控制閥5. 2，平衡冷水輸送水泵5. 3，最後再連接恆溫熱水箱4。所述的儲氫裝置2中裝載有金屬氫化物。儲氧裝置8中裝載有液氧。恆溫熱水箱4上設置有溫度控制儀4. I。冷水箱5上設置有溫度表5. I、循環水排放閥
5.4和冷卻水注入閥5. 5 ;該溫度表5. I可以是指針式或電子數字顯示式。監控單元6還與 冷水箱5上循環水排放閥5. 4和冷卻水注入閥5. 5連接，用於監控循環水排出和冷卻水注入過程。結合本發明結構、技術原理對本發明顯著效果作進一步說明如下
本發明所述儲氧裝置8中裝載有液氧，儲氫裝置2中裝載有金屬氫化物，液氧氣化後直接產生氧氣，金屬氫化物受熱後才釋放氫氣。這樣所述燃料電池發電系統在水下密閉空間中工作吋，既不依賴外界的空氣，又降低了氫氣洩露的隱患。本發明所述燃料電池發電系統通過熱水循環支路A和冷水循環支路B，以及冷熱水平衡支路C進行熱量的交換和循環，循環水分別流經熱水循環支路A和冷水循環支路B ;熱水循環支路A中存儲在恆溫熱水箱4中的循環水可注入冷水箱5，冷水循環支路B中存儲在冷水箱5中的循環水可注入恆溫熱水箱4，熱水循環支路A和冷水循環支路B之間通過冷熱水平衡支路C實現冷、熱循環水以混合的方式進行熱量的交換。所述熱水循環支路A中燃料電池模塊I產生的熱量既可用於儲氫裝置2中金屬氫化物脫氫，也可用於提高冷水箱5中循環水的水溫，多餘的熱量通過熱量交換器3輸出；所述冷水循環支路B中儲氧裝置8裝載的液氧氣化所需的熱量既來自於DC/DC變換單元7產生的熱量，也來自於恆溫熱水箱4和冷水箱5熱交換帶來的熱量。這種以熱水循環支路A和冷水循環支路B雙循環冷卻方式可以快速傳遞大功率燃料電池模塊I和DC/DC變換單元7產生的熱量，保證儲氫裝置2和儲氧裝置8的熱量供應，減小熱交換器3的功率等級，從而有效提高整個系統的熱量循環效率。所述監控単元6對熱水循環支路A和冷水循環支路B之間的熱量交換過程以及冷水箱5中循環水排出和冷卻水注入過程進行監控。當恆溫熱水箱4中的水溫低於預設值時，溫度控制儀4. I開始加熱恆溫熱水箱4中存儲的循環水，直至恆溫熱水箱4的水溫達到預設溫度；當恆溫熱水箱4中的水溫高於預設值時，冷水控制閥5. 2開啟，平衡冷水輸送水泵5. 3開始工作，冷水循環支路B中存儲在冷水箱5中的循環水注入恆溫熱水箱4，直至恆溫熱水箱4的水溫達到預設溫度。當冷水箱5中的水溫低於預設值時，熱水控制閥4. 2開啟，平衡熱水輸送水泵4. 3開始工作，熱水循環支路A中存儲在恆溫熱水箱4中的循環水注入冷水箱5，直至冷水箱5的水溫達到預設溫度；當冷水箱5中的水溫高於預設值時，循環水排出閥5. 4和冷卻水注入閥5. 5同時開啟，冷水箱5中的循環水排出，同時等量的外部冷卻水注入，直至冷水箱5的水溫達到預設溫度。上述換熱過程簡單、直接、有效，還省去了冷水循環支路B中的輔助加熱設備。實施例2
與實施例I不同的是，所述的冷熱水平衡支路C是從恆溫熱水箱4的 用於平衡的熱水出口起以水流方向順序連接平衡熱水輸送水泵4. 3，熱水控制閥4. 2，冷水箱5，平衡冷水輸送水泵5. 3，冷水控制閥5. 2，最後再連接恆溫熱水箱4。本發明的權利要求保護範圍不限於上述實施例。
權利要求
1.一種燃料電池發電系統，其特徵在於，包括質子交換膜燃料電池模塊(1)，儲氫裝置(2),儲氧裝置(8)，DC/DC變換單元(7)，監控單元(6)，恆溫熱水箱(4)，冷水箱(5)，熱交換器(3)，水泵，閥，以及用於熱水循環支路(A)、冷水循環支路(B)和冷熱水平衡支路(C)的循環水管(9);所述熱水循環支路(A)包括恆溫熱水箱(4)，循環熱水輸送水泵(9. 1)，質子交換膜燃料電池模塊(1)，儲氫裝置(2)，熱交換器(3);所述冷水循環支路(B)包括冷水箱(5 )，循環冷水輸送水泵(9.2)，DC/DC變換單元(7 )，儲氧裝置(8 );所述冷熱水平衡支路(C)，包括恆溫熱水箱(4)，熱水控制閥(4. 2)，平衡熱水輸送水泵(4. 3)，冷水箱(5)，冷水控制閥(5. 2)，平衡冷水輸送水泵(5. 3);監控單元(6) —端與恆溫熱水箱(4)連接，另一端與冷水箱(5)連接。
2.如權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述熱水循環支路(A)是從恆溫熱水箱(4)的熱水出口起以水流方向順序連接循環熱水輸送水泵(9. 1)，質子交換膜燃 料電池模塊(I)，儲氫裝置(2 )，熱交換器(3 )，最後再連接恆溫熱水箱(4 );所述冷水循環支路(B)是從冷水箱(5)的冷水出口起以水流方向順序連接循環冷水輸送水泵(9. 2)，DC/DC變換單元(7 )，儲氧裝置(8 )，最後再連接冷水箱(5 )。
3.如權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述冷熱水平衡支路(C)是從恆溫熱水箱(4)的用於平衡的熱水出口起以水流方向順序連接熱水控制閥(4. 2)，平衡熱水輸送水泵(4. 3)，冷水箱(5)，冷水控制閥(5. 2)，平衡冷水輸送水泵(5. 3)，最後再連接恆溫熱水箱(4)。
4.如權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述冷熱水平衡支路(C)是從恆溫熱水箱(4)的用於平衡的熱水出口起以水流方向順序連接平衡熱水輸送水泵(4. 3)，熱水控制閥(4. 2)，冷水箱(5)，平衡冷水輸送水泵(5. 3)，冷水控制閥(5. 2)，最後再連接恆溫熱水箱(4)。
5.如權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述儲氫裝置(2)中裝載有金屬氫化物。
6.按權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述儲氧裝置(8)中裝載有液氧。
7.按權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述恆溫熱水箱(4)上設置有溫度控制儀(4. I)。
8.按權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述冷水箱(5)上設置有溫度表(5. I)、循環水排放閥(5. 4)和冷卻水注入閥(5. 5)。
9.按權利要求I所述的燃料電池發電系統，其特徵在於所述監控單元(6)還與冷水箱(5)上循環水排放閥(5.4)和冷卻水注入閥(5. 5)連接，用於監控循環水排出和冷卻水注入過程。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池發電系統，特別是水下隔絕空氣環境中的大功率質子交換膜燃料電池發電系統，包括質子交換膜燃料電池模塊，儲氫、氧裝置，DC/DC變換單元，監控單元，熱交換器，水箱，水泵，閥，以及循環水管；熱水循環支路包括恆溫熱水箱，循環熱水輸送水泵，質子交換膜燃料電池模塊，儲氫裝置，熱交換器；冷水循環支路包括冷水箱，循環冷水輸送水泵，DC/DC變換單元，儲氧裝置；冷熱水平衡支路，包括恆溫熱水箱，熱水控制閥，平衡熱水輸送水泵，冷水箱，冷水控制閥，平衡冷水輸送水泵；監控單元一端與恆溫熱水箱連接，另一端與冷水箱連接。本發明優點是不依賴外界空氣，安全可靠，系統內部換熱過程簡單、直接，熱量循環效率高。
文檔編號H01M8/04GK102800882SQ20121032788
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者範晶, 彭元亭, 管道安, 胡梅, 袁斌 申請人:湖北長海新能源科技有限公司