专利名称：一种燃料电池发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池发电系统，特别涉及一种应用于水下隔绝空气环境中的大功率质子交换膜燃料电池发电系统。
背景技术：
燃料电池是一种不经过燃烧过程的高效低污染发电装置。燃料电池和传统意义上的电池不同，它直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能按照电化学方式转化为电能。燃料电池有很多类型，按电解质的不同可分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，磷酸型燃料电池和固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池与其他类型的燃料电池相比，具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，因此，其在交通、军事、清洁能源系统等领域中有着广泛的应用。
常规的质子交换膜燃料电池米用氢气为燃料，氧气为氧化剂。氢气多以高压气态或液态的方式储存，氧气则直接来自于大气中的空气。在陆地敞开环境中，这种供氢和供氧方式可以满足质子交换膜燃料电池的需要。而在水下隔绝空气的密闭空间中，首先不能直接利用空气中的氧气为氧化剂，其次，由于氢气极易泄露，在通风条件差的有限空间中高压储氢方式存在很大的安全隐患。因此，常规的供氢和供氧方式并不能满足要求。此外，大功率质子交换膜燃料电池工作时会放出大量的热量，在陆地敞开环境中，这些热量可以通过风冷或水冷系统逐步散发到燃料电池发电系统外。而在水下密闭空间中，常规的冷却方式会使环境温度不断升高，导致燃料电池发电系统无法安全稳定的运行。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种不依赖外界空气、特别适合于在水下隔绝空气的密闭空间中工作的、氢气泄露的隐患小、安全可靠、系统内部换热过程简单、直接、热量循环效率高的大功率质子交换膜燃料电池发电系统。本发明的技术方案是一种燃料电池发电系统，包括质子交换膜燃料电池模块，储氢装置，储氧装置，DC/DC变换单元，监控单元，恒温热水箱，冷水箱，热交换器，水泵，阀，以及用于热水循环支路、冷水循环支路和冷热水平衡支路的循环水管；所述热水循环支路包括恒温热水箱，循环热水输送水泵，质子交换膜燃料电池模块，储氢装置，热交换器；所述冷水循环支路包括冷水箱，循环冷水输送水泵，DC/DC变换单元，储氧装置；所述冷热水平衡支路，包括恒温热水箱，热水控制阀，平衡热水输送水泵，冷水箱，冷水控制阀，平衡冷水输送水泵；监控单元一端与恒温热水箱连接，另一端与冷水箱连接。所述的燃料电池发电系统，其热水循环支路是从恒温热水箱的热水出口起以水流方向顺序连接循环热水输送水泵，质子交换膜燃料电池模块，储氢装置，热交换器，最后再连接恒温热水箱；所述冷水循环支路是从冷水箱的冷水出口起以水流方向顺序连接循环冷水输送水泵，DC/DC变换单元，储氧装置，最后再连接冷水箱。所述的燃料电池发电系统，其冷热水平衡支路是从恒温热水箱的用于平衡的热水出口起以水流方向顺序连接热水控制阀，平衡热水输送水泵，冷水箱，冷水控制阀，平衡冷水输送水泵，最后再连接恒温热水箱。所述的燃料电池发电系统，其冷热水平衡支路是从恒温热水箱的用于平衡的热水出口起以水流方向顺序连接平衡热水输送水泵，热水控制阀，冷水箱，平衡冷水输送水泵，冷水控制阀，最后再连接恒温热水箱。所述的燃料电池发电系统，其储氢装置中装载有金属氢化物。所述的燃料电池发电系统，其储氧装置中装载有液氧。所述的燃料电池发电系统，其恒温热水箱上设置有温度控制仪。所述的燃料电池发电系统，其冷水箱上设置有温度表)、循环水排放阀和冷却水注入阀。 所述的燃料电池发电系统，其监控单元还与冷水箱上循环水排放阀和冷却水注入阀连接，用于监控循环水排出和冷却水注入过程。本发明的有益效果在于
1、氢燃料通过金属氢化物储存，氧化剂以液氧方式储存，燃料电池发电系统在水下密闭空间中工作时，既不依赖外界的空气，又降低了氢气泄露的隐患；
2、采用热水循环支路A和冷水循环支路B双循环冷却方式进行燃料电池发电系统内的热量循环，可以快速传递大功率燃料电池模块和DC/DC变换单元产生的热量，保证储氢装置和储氧装置的热量供应，减小热交换器的功率等级，从而有效提高整个系统的热量循环效率；
3、通过冷热水平衡支路C的恒温热水箱和冷水箱中热、冷循环水混合的方式进行热水循环支路A和冷水循环支路B之间的热量交换，不仅进一步减小了热水循环支路A中热交换器的功率等级，而且省去了冷水循环支路B中的辅助加热设备，整个换热过程简单、直接、有效。
图I是本发明的系统结构示意图。图中标记对应的构件名称为
A 一热水循环支路，B 一冷水循环支路，C 一冷热水平衡支路，I 一质子交换膜燃料电池模块，2 —储氢装置，3 —热交换器，4 一恒温热水箱，4. I 一温度控制仪，4. 2 一热水控制阀，4. 3 一平衡热水输送水泵，5 —冷水箱，5. I 一温度表，5. 2 一冷水控制阀，5. 3 一平衡冷水输送水泵，5. 4 一循环水排放阀，5. 5 一冷却水注入阀，6 —监控单元，7 — DC/DC变换单元，8 —储氧装置，9 一循环水管路，9. I 一循环热水输送水泵，9. 2 一循环冷水输送水泵。
具体实施例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I:
如图I所示，是本发明的基本实施例。一种燃料电池发电系统，包括质子交换膜燃料电池模块1，储氢装置2，储氧装置8，DC/DC变换单元7，监控单元6，恒温热水箱4，冷水箱5，热交换器3，水泵，阀，以及用于热水循环支路A、冷水循环支路B和冷热水平衡支路C的循环水管9 ;所述热水循环支路A包括恒温热水箱4，循环热水输送水泵9. I，质子交換膜燃料电池模块I，储氢装置2，热交換器3 ;所述冷水循环支路B包括冷水箱5，循环冷水输送水泵9. 2，DC/DC变换单元7，储氧装置8 ;所述冷热水平衡支路C，包括恒温热水箱4，热水控制阀
4.2，平衡热水输送水泵4. 3，冷水箱5，冷水控制阀5. 2，平衡冷水输送水泵5. 3 ;监控单元6一端与恒温热水箱4连接，另一端与冷水箱5连接，用于监控热水循环支路A和冷水循环支路B之间的热量交换过程。所述的热水循环支路A是从恒温热水箱4的热水出ロ起以水流方向顺序连接循环热水输送水泵9. 1，质子交換膜燃料电池模块1，储氢装置2，热交換器3，最后再连接恒温热水箱4 ;所述冷水循环支路B是从冷水箱5的冷水出ロ起以水流方向顺序连接循环冷水输送水泵9. 2，DC/DC变换单元7，储氧装置8，最后再连接冷水箱5。所述的冷热水平衡支路C是从恒温热水箱4的用于平衡的热水出ロ起以水流方向顺序连接热水控制阀4. 2，平衡热水输送水泵4. 3，冷水箱5，冷水控制阀5. 2，平衡冷水输送水泵5. 3，最后再连接恒温热水箱4。所述的储氢装置2中装载有金属氢化物。储氧装置8中装载有液氧。恒温热水箱4上设置有温度控制仪4. I。冷水箱5上设置有温度表5. I、循环水排放阀
5.4和冷却水注入阀5. 5 ;该温度表5. I可以是指针式或电子数字显示式。监控单元6还与 冷水箱5上循环水排放阀5. 4和冷却水注入阀5. 5连接，用于监控循环水排出和冷却水注入过程。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
本发明所述储氧装置8中装载有液氧，储氢装置2中装载有金属氢化物，液氧气化后直接产生氧气，金属氢化物受热后才释放氢气。这样所述燃料电池发电系统在水下密闭空间中工作吋，既不依赖外界的空气，又降低了氢气泄露的隐患。本发明所述燃料电池发电系统通过热水循环支路A和冷水循环支路B，以及冷热水平衡支路C进行热量的交換和循环，循环水分别流经热水循环支路A和冷水循环支路B ;热水循环支路A中存储在恒温热水箱4中的循环水可注入冷水箱5，冷水循环支路B中存储在冷水箱5中的循环水可注入恒温热水箱4，热水循环支路A和冷水循环支路B之间通过冷热水平衡支路C实现冷、热循环水以混合的方式进行热量的交換。所述热水循环支路A中燃料电池模块I产生的热量既可用于储氢装置2中金属氢化物脱氢，也可用于提高冷水箱5中循环水的水温，多余的热量通过热量交換器3输出；所述冷水循环支路B中储氧装置8装载的液氧气化所需的热量既来自于DC/DC变换单元7产生的热量，也来自于恒温热水箱4和冷水箱5热交换带来的热量。这种以热水循环支路A和冷水循环支路B双循环冷却方式可以快速传递大功率燃料电池模块I和DC/DC变换单元7产生的热量，保证储氢装置2和储氧装置8的热量供应，减小热交換器3的功率等级，从而有效提高整个系统的热量循环效率。所述监控単元6对热水循环支路A和冷水循环支路B之间的热量交換过程以及冷水箱5中循环水排出和冷却水注入过程进行监控。当恒温热水箱4中的水温低于预设值时，温度控制仪4. I开始加热恒温热水箱4中存储的循环水，直至恒温热水箱4的水温达到预设温度；当恒温热水箱4中的水温高于预设值时，冷水控制阀5. 2开启，平衡冷水输送水泵5. 3开始工作，冷水循环支路B中存储在冷水箱5中的循环水注入恒温热水箱4，直至恒温热水箱4的水温达到预设温度。当冷水箱5中的水温低于预设值时，热水控制阀4. 2开启，平衡热水输送水泵4. 3开始工作，热水循环支路A中存储在恒温热水箱4中的循环水注入冷水箱5，直至冷水箱5的水温达到预设温度；当冷水箱5中的水温高于预设值时，循环水排出阀5. 4和冷却水注入阀5. 5同时开启，冷水箱5中的循环水排出，同时等量的外部冷却水注入，直至冷水箱5的水温达到预设温度。上述换热过程简单、直接、有效，还省去了冷水循环支路B中的辅助加热设备。实施例2
与实施例I不同的是，所述的冷热水平衡支路C是从恒温热水箱4的 用于平衡的热水出口起以水流方向顺序连接平衡热水输送水泵4. 3，热水控制阀4. 2，冷水箱5，平衡冷水输送水泵5. 3，冷水控制阀5. 2，最后再连接恒温热水箱4。本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
1.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池模块(1)，储氢装置(2),储氧装置(8)，DC/DC变换单元(7)，监控单元(6)，恒温热水箱(4)，冷水箱(5)，热交换器(3)，水泵，阀，以及用于热水循环支路(A)、冷水循环支路(B)和冷热水平衡支路(C)的循环水管(9);所述热水循环支路(A)包括恒温热水箱(4)，循环热水输送水泵(9. 1)，质子交换膜燃料电池模块(1)，储氢装置(2)，热交换器(3);所述冷水循环支路(B)包括冷水箱(5 )，循环冷水输送水泵(9.2)，DC/DC变换单元(7 )，储氧装置(8 );所述冷热水平衡支路(C)，包括恒温热水箱(4)，热水控制阀(4. 2)，平衡热水输送水泵(4. 3)，冷水箱(5)，冷水控制阀(5. 2)，平衡冷水输送水泵(5. 3);监控单元(6) —端与恒温热水箱(4)连接，另一端与冷水箱(5)连接。
2.如权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述热水循环支路(A)是从恒温热水箱(4)的热水出口起以水流方向顺序连接循环热水输送水泵(9. 1)，质子交换膜燃 料电池模块(I)，储氢装置(2 )，热交换器(3 )，最后再连接恒温热水箱(4 );所述冷水循环支路(B)是从冷水箱(5)的冷水出口起以水流方向顺序连接循环冷水输送水泵(9. 2)，DC/DC变换单元(7 )，储氧装置(8 )，最后再连接冷水箱(5 )。
3.如权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述冷热水平衡支路(C)是从恒温热水箱(4)的用于平衡的热水出口起以水流方向顺序连接热水控制阀(4. 2)，平衡热水输送水泵(4. 3)，冷水箱(5)，冷水控制阀(5. 2)，平衡冷水输送水泵(5. 3)，最后再连接恒温热水箱(4)。
4.如权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述冷热水平衡支路(C)是从恒温热水箱(4)的用于平衡的热水出口起以水流方向顺序连接平衡热水输送水泵(4. 3)，热水控制阀(4. 2)，冷水箱(5)，平衡冷水输送水泵(5. 3)，冷水控制阀(5. 2)，最后再连接恒温热水箱(4)。
5.如权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述储氢装置(2)中装载有金属氢化物。
6.按权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述储氧装置(8)中装载有液氧。
7.按权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述恒温热水箱(4)上设置有温度控制仪(4. I)。
8.按权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述冷水箱(5)上设置有温度表(5. I)、循环水排放阀(5. 4)和冷却水注入阀(5. 5)。
9.按权利要求I所述的燃料电池发电系统，其特征在于所述监控单元(6)还与冷水箱(5)上循环水排放阀(5.4)和冷却水注入阀(5. 5)连接，用于监控循环水排出和冷却水注入过程。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池发电系统，特别是水下隔绝空气环境中的大功率质子交换膜燃料电池发电系统，包括质子交换膜燃料电池模块，储氢、氧装置，DC/DC变换单元，监控单元，热交换器，水箱，水泵，阀，以及循环水管；热水循环支路包括恒温热水箱，循环热水输送水泵，质子交换膜燃料电池模块，储氢装置，热交换器；冷水循环支路包括冷水箱，循环冷水输送水泵，DC/DC变换单元，储氧装置；冷热水平衡支路，包括恒温热水箱，热水控制阀，平衡热水输送水泵，冷水箱，冷水控制阀，平衡冷水输送水泵；监控单元一端与恒温热水箱连接，另一端与冷水箱连接。本发明优点是不依赖外界空气，安全可靠，系统内部换热过程简单、直接，热量循环效率高。
文档编号H01M8/04GK102800882SQ20121032788
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者范晶, 彭元亭, 管道安, 胡梅, 袁斌 申请人:湖北长海新能源科技有限公司