CN115966736A - 一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术在水下使用时外部水容易通过尾排管路进入发动机内部造成电堆漏水和相应零部件损坏的问题。该装置包括电堆、空气供应设备、氢气供应设备、分水件、排氢阀，以及可调阀门开度的单向膜瓣阀。单向膜瓣阀固定于水下航行器的尾排管道上，设于气液混排点之后的位置，其具有2片以上膜瓣，相邻膜瓣的侧边依次抵靠形成顶部朝向水侧的棱锥结构；相邻瓣膜的叠合处具有一定的间隙，瓣膜移动导致间隙扩张时阀门开启，瓣膜移动导致间隙收缩时阀门关闭。电堆的氢气入口接氢气供应设备，其氢气尾气出口依次经分水件、排氢阀后接水下航行器的尾排管道。

Description

一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池发动机，是将氢气的化学能转化为电能的发电装置。由于不经过燃烧，避免了卡诺循环的限制，能量利用率可达40％～60％，同时对环境十分友好。

在发动机运行过程中，阴极会产生大量的水，由于水的渗透与拖曳作用，部分水渗透至阳极，最后阴/阳极水经过系统的尾排管路排出。但在水下运行时，由于气体与压力降的原因，燃料电池发动机可能无法顺利地排出生产的水。特别是在水下运行关机过程中，外部的水会倒灌进尾排管路，从而影响发动机正常运行，也会导致燃料电池无法正常地排水排气。

水无法顺利排出，电堆会出现水淹现象，长时间运行对于电堆的性能和寿命会造成较大的不可逆损伤。零部件长时间积水运行时，性能与寿命同样会受到不可逆转的损伤。同时，倒灌的水不能及时排出，堆积在尾排管路中，在冬天会出现结冰粘连的现象，从而瘫痪整个发动机。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统，用以解决现有技术在水下使用时外部水容易通过尾排管路进入发动机内部造成电堆漏水和相应零部件损坏的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统，包括电堆、空气供应设备、氢气供应设备、分水件、排氢阀，以及可调阀门开度的单向膜瓣阀；其中，

单向膜瓣阀固定于水下航行器的尾排管道上，设于气液混排点之后的位置，其具有2片以上膜瓣，相邻膜瓣的侧边依次抵靠形成顶部朝向水侧的棱锥结构；相邻瓣膜的叠合处具有一定的间隙，瓣膜移动导致间隙扩张时阀门开启，瓣膜移动导致间隙收缩时阀门关闭；

电堆的空气入口接空气供应设备，其空气尾气出口接水下航行器的尾排管道，其空气入口接氢气供应设备，其氢气尾气出口依次经分水件的出水口、排氢阀后接水下航行器的尾排管道。

上述技术方案的有益效果如下：在尾排处增加了单向瓣膜阀，其具有单向阀的阀体结构，并且开度可控，在关闭状态下，能够有效防止外部水经尾排管道倒灌进燃料电池发动机内部。相比现有的单向阀，其采用膜瓣棱锥结构，该结构的特点是在尾排管道内流体压力大于外部水压时，间隙会自动扩张，能够顺利排水排气，并防止液体回流，在尾排管道内流体压力小于外部水压，间隙会自动收缩时使得单向膜瓣阀处于关闭状态。实用性广泛，操作简单。

基于上述系统的进一步改进，所述棱柱结构的顶部朝向与尾排管道的轴向方向一致。

进一步，所述单向膜瓣阀的瓣膜采用高可塑性材料制备或设置弹性复位机构，内部具有驱动其移动的电控驱动单元。

进一步，该燃料电池发动机系统还包括：

控制器，用于在水下航行器进行水下作业时，获取混排管道内的排气压力；以及，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀的开度；以及，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀关闭。

进一步，所述控制器包括：

数据采集单元，用于获取混排管道内的排气压力、外界水压；

数据处理与控制单元，用于在水下航行器进行水下作业时，燃料电池发动机启动后，获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀的开度，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀关闭；以及，在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀关闭。

进一步，所述数据采集单元包括：

液体压力传感器，布设于水下航行器的壳体表面，用于获取外界水压；

气体压力传感器，布设于混排管道的顶部内壁上，用于获取混排管道内的排气压力。

进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

在水下航行器进行水下作业时，定时识别燃料电池发动机的状态，当燃料电池发动机启动后，执行下一步，否则，控制单向膜瓣阀关闭；

通过气体压力传感器获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀开启，并执行下一步，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压时，控制单向膜瓣阀关闭；

获取所述排气压力与所述外界水压的压差，调整单向膜瓣阀的开度至所述压差对应的设定开度；

在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀关闭。

进一步，所述空气供应设备包括依次连接的空气过滤器、空压机、中冷器、进气节气门、加湿器。

进一步，所述氢气供应设备包括高压氢瓶、三通阀、电磁阀、气体循环泵；其中，

三通阀的输入端一接高压氢瓶，其输入端二依次经电磁阀、气体循环泵接分水件的出气口，其输出端接电堆的氢气入口。

进一步，该燃料电池发动机系统还包括旁通阀；其中，

旁通阀的输入端接空气供应设备的输出端，其输出端接水下航行器的尾排管道。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、为燃料电池发动机在尾排子系统涉水环境下运行提供了一种可行性办法，填补了空白，防止外部水由于压力的关系经过尾排管路中倒灌进入燃料电池发动机内部，造成电堆漏水，对相应零部件与电堆造成污染和损害。

2、避免现有的单向阀因为正面流阻较大，导致空/氢气入堆压力过高，燃料电池系统处于高负荷工作状态，造成电堆氢空串漏的现象。

3、通过监控混排管道内的排气压力和外界水压能够准确得知燃料电池发动机是否可以排气，通过程序编写，控制器控制，控制单向阀的膜瓣，准确控制其开度，保障整个系统的顺利运行。

4、减少了人工控制开度带来的人为误差因素。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1用于水下航行器的燃料电池发动机系统组成示意图；

图2示出了实施例1单向膜瓣阀的结构以及原理示意图；

图3示出了实施例1单向膜瓣阀的开启过程示意图；

图4示出了实施例1单向膜瓣阀的关闭过程示意图；

图5示出了实施例2用于水下航行器的燃料电池发动机系统组成示意图；

图6示出了实施例2用于水下航行器的燃料电池发动机系统控制电路示意图。

附图标记：

1-空气过滤器；2-空压机；3-中冷器；4-旁通阀；5-进气节气门；6-加湿器；7-尾排节气门；8-单向膜瓣阀；9-电堆；10-分水件；11-氢气循环泵；12-排氢阀；13-三通阀；14-电磁阀；15-高压氢瓶；16-控制器；17-流量计(含温度测点)。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统，如图1所示，包括电堆9、空气供应设备、氢气供应设备、分水件10、排氢阀12，以及可调阀门开度的单向膜瓣阀8。

单向膜瓣阀8固定于水下航行器的尾排管道上，设于气液混排点之后的位置，其具有2片以上膜瓣，相邻膜瓣的侧边依次抵靠形成顶部朝向水侧的棱锥结构，如图2～4所示。相邻瓣膜的叠合处具有一定的间隙(间隙可以进行扩张和收缩)，瓣膜移动导致间隙扩张时阀门开启(即从全闭到设定开度的过程，如图3所示)，瓣膜移动导致间隙收缩时阀门关闭(从设定开度到全闭的过程，如图4所示)。

单向膜瓣阀8的开度调整通过膜瓣移动实现，可用于关机吹扫阶段控制水汽混合物的流向，隔绝燃料电池系统与外部环境，以及发动机启动后的排水排气控制，输出水汽混合物。

电堆9的空气入口接空气供应设备，其空气尾气出口接水下航行器的尾排管道，其空气入口接氢气供应设备，其氢气尾气出口依次经分水件10的出水口、排氢阀12后接水下航行器的尾排管道。

与现有技术相比，本实施例提供的在尾排处增加了单向瓣膜阀，其具有单向阀的阀体结构，并且开度可控，在关闭状态下，能够有效防止外部水经尾排管道倒灌进燃料电池发动机内部。相比现有的单向阀，其采用膜瓣棱锥结构，该结构的特点是在尾排管道内流体压力大于外部水压时，间隙会自动扩张，能够顺利排水排气，并防止液体回流，在尾排管道内流体压力小于外部水压，间隙会自动收缩时使得单向膜瓣阀8处于关闭状态。实用性广泛，操作简单。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，所述棱柱结构的顶部朝向与尾排管道的轴向方向一致，即保证介质流动方向垂直于瓣膜开闭方向，以实现较高频率响应，防止阀门开启延迟导致无法正常开机。

现有单向阀的正面流阻较大，导致空/氢气入堆压力过高，燃料电池发动机处于高负荷工作状态，容易造成电堆9氢空串漏的现象，而采用上述棱柱结构，并保证介质流动方向垂直于瓣膜开闭方向后，可有效避免电堆9氢空串漏的现象。

优选地，单向膜瓣阀8的瓣膜采用高可塑性材料制备，或设置弹性复位结构(弹性复位机构的结构参见现有专利CN202120369955.X，保证无需排气时阀体自动复位至关闭状态)。瓣膜内部具有驱动其移动的电控驱动单元(驱动单元的结构以及驱动方式可参见现有专利CN201510388040.2)。在气体压力低或无需排气时，单向膜瓣阀8可自动复位至关闭状态。

优选地，该燃料电池发动机系统还包括控制器16。

控制器16，用于在水下航行器进行水下作业时，获取混排管道内的排气压力；以及，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀8开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀8的开度，实现精准控制；以及，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀8关闭，提示该系统不支持开机，防止水倒流进入尾排。

压差对应单向膜瓣阀8的开度，可模拟不同工作场景下外界水压进行标定设置，保证满足排气需求，实现系统的涉水环境正常工作。

控制器16的输出端分别接单向膜瓣阀8、空气供应设备、氢气供应设备、排氢阀12的控制端。燃料电池发动机的所有零部件均通过控制器16进行控制，或上传至上位机进行控制。

优选地，控制器16进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

数据采集单元，用于获取混排管道内的排气压力、外界水压，以及燃料电池发动机的其他状态参数。

数据处理与控制单元，用于在水下航行器进行水下作业时，燃料电池发动机启动后，获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀8开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀8的开度，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀8关闭；以及，在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀8关闭。

优选地，数据采集单元进一步包括液体压力传感器、气体压力传感器。

液体压力传感器，布设于水下航行器的壳体表面，用于获取外界水压。

气体压力传感器，布设于混排管道的顶部内壁上，用于获取混排管道内的排气压力。

优选地，数据处理与控制单元执行如下程序：

S1.在水下航行器进行水下作业时，定时识别燃料电池发动机的状态，当燃料电池发动机启动后，执行步骤S2，否则，控制单向膜瓣阀8关闭；

S2.通过气体压力传感器获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀8开启，并执行步骤S3，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压时，控制单向膜瓣阀8关闭；

S3.获取所述排气压力与所述外界水压的压差，调整单向膜瓣阀8的开度至所述压差对应的设定开度；其中，具体的设定开度可在实验室进行标定，一个压差对应一个设定开度，可模拟不同工作场景(不同盐度等)下外界水压进行标定设置，以充分满足排水需求；

S4.在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀8关闭。

通过添加气体压力传感器与单向膜瓣阀8，防止关机过程中与停机过程中，外部水经过尾排管路倒灌进入燃料电池发动机内部，具有良好的防污染效果。

优选地，空气供应设备包括依次连接的空气过滤器1、空压机2、中冷器3、进气节气门5、加湿器6，如图5～6所示。

优选地，该燃料电池发动机系统还包括尾排节气门7，如图2～3所示。

优选地，空气供应设备还包括流量计17(含温度测点)。根据流量计17数值，可调整空压机2的功率。

优选地，空气供应设备还包括温度-压力一体传感器。温度-压力一体传感器设于进气节气门5的输入端，用于获取入堆空气的温度和压力。

优选地，氢气供应设备包括高压氢瓶15、三通阀13、电磁阀14、氢气循环泵11。其中，三通阀13的输入端一接高压氢瓶15，其输入端二依次经电磁阀14、氢气循环泵11接分水件10的出气口，其输出端接电堆9的氢气入口。

优选地，氢气供应设备还包括高压传感器和低压传感器。其中，高压传感器设于三通阀13的输入端一，低压传感器设于三通阀13的输入端二，其配合使用，可用于调整电磁阀14的开度。

优选地，该燃料电池发动机系统还包括旁通阀4。其中，旁通阀4的输入端接空气供应设备的输出端，其输出端接水下航行器的尾排管道。

优选地，电堆9的壳体表面设有通风入口和通风出口，用于对电堆9内侧的单片电池进行吹扫。

实施时，单向膜瓣阀8的开度或开关采用电控驱动的方式，通过刷写程序来实现，控制器16刷写与标定单向膜瓣阀8的实际开度，通过液体压力传感器反馈外界水压，可选择性地控制单向控制阀的开度。

与现有技术相比，本实施例用于水下航行器的燃料电池发动机系统具有如下有益效果：

1、为燃料电池发动机在尾排子系统涉水环境下运行提供了一种可行性办法，填补了空白，防止外部水由于压力的关系经过尾排管路中倒灌进入燃料电池发动机内部，造成电堆9漏水，对相应零部件与电堆9造成污染和损害。

2、避免现有的单向阀因为正面流阻较大，导致空/氢气入堆压力过高，燃料电池系统处于高负荷工作状态，造成电堆9氢空串漏的现象。

3、通过监控混排管道内的排气压力和外界水压能够准确得知燃料电池发动机是否可以排气，通过程序编写，控制器16控制，控制单向阀的膜瓣，准确控制其开度，保障整个系统的顺利运行。

4、减少了人工控制开度带来的人为误差因素。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，包括电堆(9)、空气供应设备、氢气供应设备、分水件(10)、排氢阀(12)，以及可调阀门开度的单向膜瓣阀(8)；其中，

单向膜瓣阀(8)固定于水下航行器的尾排管道上，设于气液混排点之后的位置，其具有2片以上膜瓣，相邻膜瓣的侧边依次抵靠形成顶部朝向水侧的棱锥结构；相邻瓣膜的叠合处具有一定的间隙，瓣膜移动导致间隙扩张时阀门开启，瓣膜移动导致间隙收缩时阀门关闭；

电堆(9)的空气入口接空气供应设备，其空气尾气出口接水下航行器的尾排管道，其空气入口接氢气供应设备，其氢气尾气出口依次经分水件(10)的出水口、排氢阀(12)后接水下航行器的尾排管道。

2.根据权利要求1所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述棱柱结构的顶部朝向与尾排管道的轴向方向一致。

3.根据权利要求1或2所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述单向膜瓣阀(8)的瓣膜采用高可塑性材料制备或设置弹性复位机构，内部具有驱动其移动的电控驱动单元。

4.根据权利要求3所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，还包括：

控制器(16)，用于在水下航行器进行水下作业时，获取混排管道内的排气压力；以及，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀(8)开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀(8)的开度；以及，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀(8)关闭。

5.根据权利要求4所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述控制器(16)进一步包括：

数据采集单元，用于获取混排管道内的排气压力、外界水压；

数据处理与控制单元，用于在水下航行器进行水下作业时，燃料电池发动机启动后，获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀(8)开启，并根据排气压力与外界水压的压差调整单向膜瓣阀(8)的开度，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压，控制单向膜瓣阀(8)关闭；以及，在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀(8)关闭。

6.根据权利要求5所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：

液体压力传感器，布设于水下航行器的壳体表面，用于获取外界水压；

气体压力传感器，布设于混排管道的顶部内壁上，用于获取混排管道内的排气压力。

7.根据权利要求6所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

在水下航行器进行水下作业时，定时识别燃料电池发动机的状态，当燃料电池发动机启动后，执行下一步，否则，控制单向膜瓣阀(8)关闭；

通过气体压力传感器获取混排管道内的排气压力，监测到混排管道内的排气压力大于外界水压时，控制单向膜瓣阀(8)开启，并执行下一步，监测到混排管道内的排气压力小于等于外界水压时，控制单向膜瓣阀(8)关闭；

获取所述排气压力与所述外界水压的压差，调整单向膜瓣阀(8)的开度至所述压差对应的设定开度；

在燃料电池发动机关闭后，控制单向膜瓣阀(8)关闭。

8.根据权利要求1、2、4、5、6、7任一项所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述空气供应设备包括依次连接的空气过滤器(1)、空压机(2)、中冷器(3)、进气节气门(5)、加湿器(6)。

9.根据权利要求1、2、4、5、6、7任一项所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述氢气供应设备包括高压氢瓶(15)、三通阀(13)、电磁阀(14)、氢气循环泵(11)；其中，

三通阀(13)的输入端一接高压氢瓶(15)，其输入端二依次经电磁阀(14)、氢气循环泵(11)接分水件(10)的出气口，其输出端接电堆(9)的氢气入口。

10.根据权利要求1、2、4、5、6、7任一项所述的用于水下航行器的燃料电池发动机系统，其特征在于，还包括旁通阀(4)；其中，

旁通阀(4)的输入端接空气供应设备的输出端，其输出端接水下航行器的尾排管道。

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