一種基于海水的能量供應系統及其應用
【專利摘要】一種基于海水的能量供應系統，包括鋰電池系統、鎂海水電池系統、氫氧燃料電池系統和控制系統，其中，所述鎂海水電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置；所述氫氧燃料電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置；所述鋰電池系統電能端口根據負荷需求情況經控制器連接至用電裝置或供電裝置。以及提供該能量供應系統在海底動力系統中的應用。該能量供應系統將三種電池的優點結合于一體，其中氫氧燃料電池氫氣供應單元的氫氣部分來自所述鎂海水電池系統產生的氫氣，電池系統產熱可用于潛器生活艙內溫度保障或供應生活用熱等，實現了能的梯級利用，具有高能量密度、低成本等優勢，可應用于各種海底動力系統。
【專利說明】
一種基于海水的能量供應系統及其應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種能量供應系統，進一步涉及一種基于海水的能量供應系統，以及該能量供應系統在船舶、潛水器等海底動力系統中的應用。
【背景技術】
[0002]海洋占據著世界面積的71%，蘊藏著豐富的海底資源，同時也是最有發展潛力的戰略空間。隨著海洋開發技術的不斷發展，水下潛器、無人纜控深潛器、載人潛器等海洋工作潛器將在水下信息搜集、礦物探測及武器運載等領域中發揮著越來越重要的載體作用。能量動力系統作為海洋工作潛器的“心臟”，對續航時間、航行半徑、航速、水下作業量等有決定性的影響。其性能是衡量海洋工作潛器優劣的重要指標。
[0003]由于潛器使用環境的特殊性，電池成為其在水下的唯一動力來源。目前，在深潛器上應用比較成熟的電池有鉛酸電池、鎘鎳電池、鋅銀二次電池等傳統電池，但由于比能量和能量密度、成本、自放電效應、壽命等因素的限制，嚴重制約了水下深潛器發展；同時熱、生活用水、氧氣也是水下潛器等潛器維持生命系統所必需的資源。新一代水下空間站等潛器對電源的比能量的要求是120_150Wh/kg，未來要求更高，同時要求十分安全生命維持系統，而現行技術尚無綜合的解決方案。因此尋求一種具有高比能量、高比功率、低成本等優點，同時又可提供熱/水等能量的海底能量供應系統，成為海洋能量供應系統需要解決的重要問題。
【發明內容】
[0004]鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于海水的能量供應系統及將該能量供應系統應用于船舶、潛水器等海底動力系統。
[0005]根據本發明的一方面，提供一種基于海水的能量供應系統，其中該能量供應系統包括鋰電池系統、鎂海水電池系統、氫氧燃料電池系統和控制系統，其中，
[0006]所述鎂海水電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置；
[0007]所述氫氧燃料電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置；
[0008]所述鋰電池系統電能端口根據負荷需求情況經控制器連接至用電裝置或供電裝置。
[0009]優選的，所述鎂海水電池系統包括鎂海水電池單元，鎂海水電池單元的正極和負極作為鎂海水電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。
[0010]優選的，所述鎂海水電池系統還包括燃料及氧化劑供應系統，用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應所需燃料和氧化劑。
[0011]優選的，所述鎂海水電池系統還包括產物處理單元，產物處理單元包括氣/固/液分離器和第一余熱回收裝置，其中，
[0012]所述氣/固/液分離器連接所述鎂海水電池單元，對鎂海水電池所產生的氫氣、固體、液體排放物進行分離，分離得到氫氣；
[0013]所述第一余熱回收裝置連接并從氣/固/液分離器獲得熱量，所得熱量用于潛器生活艙內溫度保障或供應生活用熱，或者該熱量通過流動的海水循環利用。
[0014]優選的，所述氫氧燃料電池系統包括氫氧燃料電池單元，氫氧燃料電池單元的正極和負極作為氫氧燃料電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。
[0015]優選的，所述氫氧燃料電池系統還包括氫氣供應單元和氧化劑供應單元，用于為所述鎂氫氧燃料電池單元提供氫氣燃料和氧化劑，所述氫氣供應單元的氫氣部分來自所述鎂海水電池系統產生的氫氣。
[0016]優選的，所述氫氧燃料電池系統還包括第二余熱回收裝置，所述第二余熱回收裝置用于回收所述氫氧燃料電池系統的熱量。
[0017]優選的，所述熱量用于預熱氫氧燃料電池燃料及氧化劑，和/或用于提供生活用熱。
[0018]優選的，氫氧燃料電池系統的產物水用于艙內工作人員的飲用和生活用水，和/或用于加濕燃料電池。
[0019]根據本發明的另一方面，提供一種將上述任意一種系統應用于海底動力系統，優選的，所述海底動力系統為船舶或潛水器。
[0020]通過上述技術方案，可以看出本發明的有益效果在于:
[0021](I)該能量供應系統將鋰電池、鎂海水電池、氫氧燃料電池三者結合，提供水下潛器所需的電、熱、水和氣，滿足了新一代水下潛器對電能功率和容量、熱能功率和容量、水和氣的要求，實現了能的梯級利用，具有較高的能量轉化率；
[0022](2)該能量供應系統中鋰電池作為鎂海水電池和氫氧燃料電池的負荷平衡裝置，可確保其在額定工況附近工作，使系統能源效率提高，同時在負荷需求相同的情況下降低了鎂海水電池和氫氧燃料電池的容量，減小能量系統體積，有助于降低系統成本；
[0023](3)該系統應用前景廣闊，可作為我國船舶、潛器等海底動力系統的最佳候選電源。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明一實施例基于海水的能量供應系統示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0026]以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0027]圖1為本發明一實施例基于海水的能量供應系統示意圖。.根據本發明的基本構思，提供一種基于海水的能量供應系統，包括鋰電池系統、鎂海水電池系統、氫氧燃料電池系統和控制系統，其中，
[0028]所述鎂海水電池系統電能輸出端經所述經控制系統接連接用電裝置；
[0029]所述氫氧燃料電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置；
[0030]所述鋰電池系統電能端口根據負荷需求情況經控制器連接至用電裝置或供電裝置。[0031 ]以下將結合附圖1，對各組成系統進行詳細說明:
[0032]參見圖1，在本實施例中，對于鎂海水電池系統，其包括鎂海水電池單元、燃料和氧化劑供應系統、電解液供應系統，以及產物處理系統。
[0033]在鎂海水電池系統中，所述鎂海水電池單元，其正極(陰極)和負極(陽極)作為鎂海水電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。
[0034]對于鎂海水電池單元中陽極、陰極以及電解液材料的具體選擇，優選的，鎂海水電池單元陽極活性物質為鎂或鎂合金，陰極氧化劑可采用氧氣或過氧化氫。優選的，氧氣可直接來自海水，以減少制氧能耗。鎂海水電池單元電解過程中采用海水作為電解液，過氧化氫以及電解液通過液體栗栗入鎂海水電池單元中。
[0035]鎂海水電池反應過程中，陽極端的鎂或鎂合金失去電子，生成鎂離子，發生氧化反應；陰極端的氧氣或者過氧化氫得電子后還原為氧離子，電解液中的陰陽離子產生定向移動從而形成電流，產生電能后輸送至控制系統以給用電裝置供電。
[0036]在鎂海水電池系統中，所述燃料及氧化劑供應系統用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應所需燃料和氧化劑。其中氧氣為過氧化氫或者氧氣，燃料為鎂及其合金。
[0037]在鎂海水電池系統中，所述產物處理單元包括氣/固/液分離器和第一余熱回收裝置，氣/固/液分離器連接所述鎂海水電池單元，對鎂海水電池所產生的氫氣、固體、液體排放物進行分離，分離得到氫氣;所述第一余熱回收裝置連接并從氣/固/液分離器獲得熱量，所得熱量用于潛器生活艙內溫度保障或熱量供應，或者該熱量通過流動的海水循環利用。優選的，所述第一預熱回收裝置為換熱器，換熱器可以為單個形式存在或者多個組合形式。
[0038]參見圖1，在本實施例中，所述氫氧燃料電池系統包括氫氧燃料電池單元、氫氣供應系統、氧化劑供應系統、第二余熱回收裝置。
[0039 ]在氫氧燃料電池系統中，氫氧燃料電池單元的正極(陰極)和負極(陽極)作為氫氧燃料電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。
[0040]對于氫氧燃料電池單元中陽極、陰極以及電解液材料的具體選擇，氫氧燃料電池單元陽極活性物質為氫氣，優選的，部分氫氣來自于鎂海水電池陽極析出的氫氣，其余則通過氫氣儲罐或其他制氫方式獲取，陰極氧化劑可采用氧氣鋼瓶供氧氣、空氣。
[0041]為降低成本，優先選擇采用空氣作為氧化劑。
[0042]氫氧燃料電池反應過程中，陽極端燃料氫氣失去電子，成為氫離子，進入電解液，陰極端氧化劑氧氣或空氣同電解液中的氫離子吸收電子，生成水，產生電能后輸送至控制系統以給用電裝置供電。
[0043]在氫氧燃料電池系統中，所述氫氣供應單元和氧化劑供應單元，用于為所述鎂氫氧燃料電池單元提供氫氣燃料和氧化劑，所述氫氣供應單元的氫氣部分來自所述鎂海水電池系統產生的氫氣。
[0044]在氫氧燃料電池系統中，所述第二余熱回收裝置包括換熱器，用于回收所述氫氧燃料電池系統的熱量。換熱器可以為單個形式存在或者多個組合形式。優選的，所述熱量用于預熱氫氧燃料電池燃料及氧化劑，和/或用于提供生活用熱。
[0045]優選的，氫氧燃料電池系統的產物水用于艙內工作人員的飲用和生活用水，和/或用于加濕燃料電池。
[0046]參見圖1，在本實施例中，鋰電池作為鎂海水電池和氫氧燃料電池的負荷平衡裝置，確保其在額定工況附近工作，使系統能源效率提高，即當鎂海水電池與氫氧燃料電池額定供電量高于用電需求時，鋰電池為蓄能裝置，鎂海水電池與氫氧燃料電池經多余電量經控制器輸出至鋰電池，直至充滿，反之，鋰電池為釋能裝置，與鎂海水電池及氫氧燃料電池一起供電至用電裝置。
[0047]根據本發明的同一構思，還提供一種將以上所述能量供應系統應用于海底動力系統。
[0048]優選的，所述海底動力系統為船舶或潛水器。
[0049]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于海水的能量供應系統，其特征在于，包括鋰電池系統、鎂海水電池系統、氫氧燃料電池系統和控制系統，其中， 所述鎂海水電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置； 所述氫氧燃料電池系統電能輸出端經所述控制系統連接用電裝置； 所述鋰電池系統電能端口根據負荷需求情況經控制器連接至用電裝置或供電裝置。2.根據權利要求1所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述鎂海水電池系統包括鎂海水電池單元，鎂海水電池單元的正極和負極作為鎂海水電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。3.根據權利要求1所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述鎂海水電池系統還包括燃料及氧化劑供應系統，用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應所需燃料和氧化劑。4.根據權利要求2所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述鎂海水電池系統還包括產物處理單元，產物處理單元包括氣/固/液分離器和第一余熱回收裝置，其中， 所述氣/固/液分離器連接所述鎂海水電池單元，對鎂海水電池所產生的氫氣、固體、液體排放物進行分離，分離得到氫氣； 所述第一余熱回收裝置連接并從氣/固/液分離器獲得熱量，所得熱量用于潛器生活艙內溫度保障或供應生活用熱，或者該熱量通過流動的海水循環利用。5.根據權利要求1所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統包括氫氧燃料電池單元，氫氧燃料電池單元的正極和負極作為氫氧燃料電池系統電能輸出端經控制系統連接用電裝置。6.根據權利要求5所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統還包括氫氣供應單元和氧化劑供應單元，用于為所述鎂氫氧燃料電池單元提供氫氣燃料和氧化劑，所述氫氣供應單元的氫氣部分來自所述鎂海水電池系統產生的氫氣。7.根據權利要求5所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統還包括第二余熱回收裝置，所述第二余熱回收裝置用于回收所述氫氧燃料電池系統的熱量。8.根據權利要求7所述的基于海水的能量供應系統，其特征在于，所述熱量用于預熱氫氧燃料電池燃料及氧化劑，和/或用于提供生活用熱。9.根據權利要求1所述的一種基于海水的能量供應系統，其特征在于，氫氧燃料電池系統的產物水用于艙內工作人員的飲用和生活用水，和/或用于加濕燃料電池。10.將權利要求1-9任意一項所述能量供應系統應用于海底動力系統，優選的，所述海底動力系統為船舶或潛水器。
【文檔編號】H02J15/00GK106059095SQ201610382264
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】賀鳳娟, 徐玉杰, 郭叢, 汪翔, 陳海生
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所