專利名稱：自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水下運載器燃料電池系統，特別是一種能自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，屬于船舶相關設備的技術領域。
背景技術：
現有的水下運載器空氣隔絕的動力系統，雖然能完全不依賴空氣工作，以保持水下運載器的長期深潛狀態，卻存在操作復雜、廢料處理困難的缺陷和不足。閉式循環柴油機以柴油為燃料，燃燒廢氣含有二氧化碳和一氧化碳，必須經過復雜的處理過程才能將廢氣排出，同時，該循環要求吸入的新鮮氣體必須類似空氣的成分，故而在使用液氧系統提供的純氧外，進氣中還需混入固定比例的惰性氣體，燃燒后還須將廢氣中的惰性氣體分離出來回用，以致循環復雜、操作繁難，運轉成本昂貴；隔絕空氣的蒸汽輪機動力系統，也是應用常規的含碳燃料，燃燒產物包含二氧化碳，要使廢氣不留痕跡地排出，同樣為循環布置和運轉操作帶來困難；燃料電池與其他能源相比，有明顯的優點，如果燃料電池以氫氣作為燃料，排放的僅僅是水蒸氣；燃料電池工作過程中不涉及燃燒和熱機，不受卡諾循環效率的限制，總的熱效率最高可達80％，它的發電系統總體為模件結構，通過單電池堆疊構成電池組，沒有規模限制，同時，每個模件都能被更換，維修管理容易，可靠性高，它的電力系統供電可靠性高，即使是在額定輸出功率以下的部分負載運轉，效率變化也不大，對額定功率以上的過載也能忍耐，此外，響應速度也快，其性能特別有利于需要緊急啟動的運載器；但是，目前應用的氫燃料電池動力系統，以攜帶純氫為燃料，廢氣的處理是方便的，攜帶純氫燃料卻是昂貴的；由于純氫的易燃易爆性，使純氫的儲存和攜帶都十分危險，更由于純氫的體積過大，儲存空間大，使燃料的攜帶和存儲存在困難。
水下運載器由于本身工作環境的原因，對于空氣調節的要求十分嚴格，不得不安置專門的系統、耗費額外的能源以調節空氣的溫度和濕度，即使液氧的蒸發過程伴隨大量冷量的釋放，目前水下運載器對所釋放的冷源還不能回收利用，只能白白浪費。
發明內容
為了克服已有技術的不足和缺陷，本發明提供一種燃料攜帶安全而方便、燃料生成物處理簡單而經濟、適于水下運載器長期深潛、空氣隔絕的燃料電池與空氣調節聯合系統。該系統需要存儲的是常規的汽油燃料和液氧，便于儲存和攜帶；燃燒廢氣的成分是水蒸汽，只需冷凝就可以方便地排出。
本發明是通過下述技術方案實現的本發明包括汽油儲筒、分解釜、碳纖維收集器、氫燃料電池、配電站、海水冷凝器、液氧真空罐、低溫閥、回熱器、板式換熱器、回流閥、調節閥、出流閥、低溫儲槽、翅片管段、空調風扇、低溫液泵、氧氣儲筒、氫氣儲筒、電熱器件、截止閥、海水泵。在汽油儲筒內儲存著足夠的汽油，在低溫儲槽內存儲蓄冷劑。分解釜由于電熱器件的加熱作用，保持在383K的恒定溫度。分解釜內裝有外表噴涂金屬鎳的硅石填料。在噴鎳硅石的催化作用和383K的溫度條件下，汽油迅速分解為純氫和碳纖維。碳纖維的成分是汽油分解后除了純氫以外的全部組分的結合物，主體是碳，以松散的纖維組織為存在形態。汽油儲筒內儲存的汽油進入分解釜后，分解產生的純氫以氣體狀態經截止閥流入氫氣儲筒，分解釜下部的出口定期開啟，使固態的碳纖維落入碳纖維收集器，準備裝入密閉容器投入大海。
儲存于液氧真空罐中的液態氧，經低溫閥的控制和流量調節，由液氧真空罐抽出，經回熱器再經板式換熱器后，重新進入回熱器。然后，管道里部分蒸發的氧和液態氧的混合物再次流經液氧真空罐內的盤管后第二次經過板式換熱器充分吸熱蒸發，以氣態進入氧氣儲筒。
板式換熱器內氧的吸熱和蒸發，是依賴蓄冷劑的放熱。在低溫液泵的推動下，板式換熱器內吸收冷量后的蓄冷劑一部分流入低溫儲槽，蓄冷備用；一部分經低溫液泵的作用循環流動。當經過翅片管段時，由于空調風扇的攪動氣流作用和翅片管的強化散熱作用，將冷量大量散發給空氣流，用作水下運載器的空調冷源。當動力系統待機、液氧停止蒸發時，低溫儲槽內的蓄冷劑將繼續循環流動，發揮空調冷源的作用。
當燃料電池與空氣調節聯合動力系統工作時，氫氣儲筒和氧氣儲筒內的工質分別流向氫燃料電池中與負電極、正電極貼合的氣流通道板。氫燃料電池因此發電，用作水下運載器的動力源，同時產生水蒸氣。水蒸氣被引入海水冷凝器，經與冷海水換熱而凝結為水，與海水冷凝器流出的廢海水一起流入大海。
在每次氫燃料電池工作結束準備斷路前，都應保證氫氣儲筒和氧氣儲筒內有足夠壓力的氣體儲備，以滿足下一次氫燃料電池開始工作的需要。氫燃料電池正常運轉后，所提供的電流可以保證電熱器件的工作，使分解釜處于需要的溫度狀態，連續生產氫氣。
本發明的有益效果是，氫燃料電池動力系統所攜帶的不再是易燃易爆的氫氣，而是攜帶安全、性質穩定、體積緊湊的汽油，排出的是碳纖維和水蒸氣，都是容易處理和方便排出的。同時，系統無償利用了液氧蒸發時產生的冷量，為運載器的空氣調節提供了經濟、有效的冷源。整個系統運轉經濟，操作簡便，使水下運載器可以長期深潛海中，是一個經濟、可靠、高效、操作方便的動力系統，有顯著的經濟效益和社會效益。
圖1是本發明的系統結構原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施做進一步描述。
如圖1所示，本發明包括汽油儲筒1，分解釜2，碳纖維收集器3，氫燃料電池4，配電站5，海水冷凝器6，液氧真空罐7，低溫閥8，回熱器9，板式換熱器10，回流閥11，調節閥12，出流閥13，低溫儲槽14，翅片管段15，空調風扇16，低溫液泵17，氧氣儲筒18，氫氣儲筒19，電熱器件20，截止閥21，海水泵22。
汽油儲筒1的出口與分解釜2的進口相連，分解釜2的下端出口與碳纖維收集器3的進口連接，分解釜2的氣體出口通過截止閥21與氫氣儲筒19的進口連接。氫氣儲筒的出口與氫燃料電池4中和負電極貼合的氣流通道板連接。
液氧真空罐7的出口通過低溫閥8、回熱器9的一個管組與板式換熱器10的第一通道進口端連接，第一通道的出口端通過回熱器9的另一管組與液氧真空罐7內的盤管進口端連接，該盤管的出口端與板式換熱器10的第二通道進口端連接，第二通道的出口端與氧氣儲筒18的進口相連接，氧氣儲筒18的出口與氫燃料電池4中和正電極貼合的氣流通道板連接。
低溫液泵17的出口與板式換熱器10的蓄冷劑通道的進口連接，蓄冷劑通道的出口通過回流閥11與低溫儲槽14的進口連接，低溫儲槽14的出口通過出流閥13與翅片管段15的一端連接。翅片管段15的另一端與低溫液泵17的進口連接。翅片管段15的側面設置了空調風扇16。調節閥12安裝在回流閥11的進口端和出流閥13的出口端之間，以形成通道的旁路。在低溫儲槽14內存儲的蓄冷劑是三氟氯甲烷(R-13)，由于三氟氯甲烷具有較低的凝固溫度，熱容量大，有利于環境保護，適合用作蓄冷劑。
氫燃料電池4的正負電極分別與配電站5的兩輸入端電連接，配電站5的一個輸出端與電熱器件20電連接。
氫燃料電池4的水蒸汽出口與海水冷凝器6的管程進口連接，海水冷凝器6的殼程進口經海水泵22與海水的吸入口連接，海水冷凝器6的殼程出口與海水冷凝器6的管程出口匯合后，與大海相通。
分解釜2與電熱器件20緊密貼合以減少加熱時的傳熱熱阻，電分解釜2由于電熱器件20的加熱作用，保持在383K的恒定溫度。分解釜2內裝有外表噴涂金屬鎳的硅石填料。在噴鎳硅石的催化作用和383K的溫度條件下，汽油儲筒1內流出的汽油迅速分解為純氫和碳纖維。純氫以氣體狀態經截止閥21流入氫氣儲筒19，分解釜2下部的出口定期開啟，使固態的碳纖維落入碳纖維收集器3，準備裝入密閉容器投入大海。
儲存于液氧真空罐7中的液態氧，經低溫閥8的控制和流量調節，由液氧真空罐7抽出，經回熱器9再經板式換熱器10后，重新進入回熱器9。然后，管道里部分蒸發的氧和液態氧的混合物再次流經液氧真空罐7內的盤管，放熱后第二次經過板式換熱器10充分吸熱蒸發，以氣態進入氧氣儲筒18。
板式換熱器10內氧的吸熱和蒸發，是依賴蓄冷劑的放熱。在低溫液泵17的推動下，板式換熱器10內吸收冷量后的蓄冷劑一部分流入低溫儲槽14，蓄冷備用；另一部分經低溫液泵17的作用循環流動，當經過翅片管段15時，由于空調風扇16的攪動氣流作用和翅片管段15的強化散熱作用，將冷量大量散發給空氣流，用作水下運載器的空調冷源。當動力系統待機、液氧停止蒸發時，低溫儲槽14內的蓄冷劑將繼續循環流動，發揮空調冷源的作用。
本發明中的氫燃料電池采用質子交換膜類型燃料電池。當氫燃料電池動力系統工作時，氫氣儲筒19和氧氣儲筒18內的工質分別流向氫燃料電池5中與負電極、正電極貼合的氣流通道板。氫燃料電池5因此發電，用作水下運載器的動力源，同時產生水蒸氣。水蒸氣被引入海水冷凝器6，經與冷海水換熱而凝結為水，與海水冷凝器6流出的廢海水一起流入大海。
在每次氫燃料電池5工作結束準備斷路前，都應保證氫氣儲筒19和氧氣儲筒18內有足夠壓力的氣體儲備，以滿足下一次氫燃料電池開始工作的需要。
權利要求
1.一種自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，包括汽油儲筒(1)，分解釜(2)，碳纖維收集器(3)，氫燃料電池(4)，配電站(5)，海水冷凝器(6)，液氧真空罐(7)，低溫閥(8)，回熱器(9)，板式換熱器(10)，回流閥(11)，調節閥(12)，出流閥(13)，低溫儲槽(14)，翅片管段(15)，空調風扇(16)，低溫液泵(17)，氧氣儲筒(18)，氫氣儲筒(19)，電熱器件(20)，截止閥(21)，海水泵(22)；其特征在于汽油儲筒(1)的出口與分解釜(2)的進口相連，分解釜(2)的下端出口與碳纖維收集器(3)的進口連接，分解釜(2)的氣體出口通過截止閥(21)與氫氣儲筒(19)的進口連接；氫氣儲筒的出口與氫燃料電池(4)中和負電極貼合的氣流通道板連接；液氧真空罐(7)的出口通過低溫閥(8)、回熱器(9)的一個管組與板式換熱器(10)的第一通道進口端連接，第一通道的出口端通過回熱器(9)的另一管組與液氧真空罐(7)的管程進口端連接，液氧真空罐(7)的管程出口端與板式換熱器(10)的第二通道進口端連接，第二通道的出口端與氧氣儲筒(18)的進口相連接，氧氣儲筒(18)的出口與氫燃料電池(4)中和正電極貼合的氣流通道板連接，低溫液泵(17)的出口與板式換熱器(10)的蓄冷劑通道的進口連接，蓄冷劑通道的出口通過回流閥(11)與低溫儲槽(14)的進口連接，低溫儲槽(14)的出口通過出流閥(13)與翅片管段(15)的一端連接；翅片管段(15)的另一端與低溫液泵(17)的進口連接，氫燃料電池(4)的正負電極分別與配電站(5)的兩輸入端電連接，配電站(5)的輸出端與電熱器件(20)電連接，電熱器件(20)與分解釜(2)緊密貼合；氫燃料電池(4)的水蒸汽出口與海水冷凝器(6)的管程的進口連接，海水冷凝器(6)的殼程進口經由海水泵(22)與海水的吸入口連接，海水冷凝器(6)的殼程出口與海水冷凝器(6)管程的出口匯合后，與大海相通；低溫儲槽(14)內裝載有蓄冷劑；分解釜(2)內裝有外表噴涂金屬鎳的硅石填料，分解釜(2)經電熱器件(20)的加熱作用保持在383K的恒定溫度。
2.根據權利要求1所述的自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，其特征是所述的低溫儲槽(14)內裝載的蓄冷劑是三氟氯甲烷；氫燃料電池采用質子交換膜類型燃料電池。
3.根據權利要求1所述的自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，其特征是在回流閥(11)的進口端和出流閥(13)的出口端之間安裝調節閥(12)。
4.根據權利要求1所述的自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，其特征是在翅片管段(15)的側面設置空調風扇(16)。
全文摘要
自產氫氣的水下運載器燃料電池與空氣調節聯合系統，屬于船舶相關設備技術領域。儲存的汽油進入分解釜后，分解產生純氫，氫氣儲筒和氧氣儲筒內的工質分別流向氫燃料電池中與正、負電極貼合的氣流通道板。氫燃料電池發電，用作水下運載器的動力源。氧在由液態變成氣態的循環過程中，吸收大量蓄冷劑熱量，蓄冷劑將冷量大量散發給空氣流，用作空氣調節的冷源。該系統所攜帶的不再是易燃易爆的氫氣，而是安全、性質穩定、體積緊湊的汽油，排出的是易處理的碳纖維和水蒸氣。同時，系統無償利用了液氧蒸發時產生的冷量，為運載器的空氣調節提供了經濟、有效的冷源。系統運轉經濟，操作簡便，使水下運載器可以長期深潛海中，有顯著的經濟效益和社會效益。
文檔編號C01B3/26GK1808750SQ20051011180
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月22日 優先權日2005年12月22日
發明者馬捷, 倪園芳, 陳峻, 杜樂樂, 孫磊, 高陽 申請人:上海交通大學