1.本發(fā)明屬于水下航行器動力推進領域，尤其涉及一種基于氫空電堆的水下航行器燃料電池動力系統(tǒng)。

背景技術：

2.無人水下潛航器(unmaned undersea vehicle，uuv)具有隱蔽性高、環(huán)境適應性強、自主性好等優(yōu)勢，在軍事、科技、經濟等領域有廣泛的應用前景。能源動力推進系統(tǒng)是uuv的心臟，通常占據潛航器1/2～2/3的體積和重量，需要在狹小空間內自身攜帶能源并實現不同功率輸出，同時盡可能減小振動噪聲。這些特殊需求使能源動力推進系統(tǒng)成為制約uuv發(fā)展的核心瓶頸問題。

3.目前大多數uuv采用鋰電池作為其動力推進裝置。但由于其安全性相對較差，能量密度提升空間有限，無法滿足未來uuv遠航程、長航時的動力需求。燃料電池系統(tǒng)具有能量密度及轉換效率高、振動噪聲低、無尾氣排放等優(yōu)勢，已成為未來uuv能源動力系統(tǒng)最主要的發(fā)展方向。

4.基于燃料電池技術的陸上動力系統(tǒng)發(fā)展較早，目前已有燃料電池汽車等成熟的商業(yè)化應用。然而，水下環(huán)境與陸上環(huán)境具有顯著不同，由于邊界條件和約束條件的改變，給水下燃料電池的安全高效平穩(wěn)運行帶來一系列新的挑戰(zhàn)。例如，陸上燃料電池通常以環(huán)境空氣作為氧氣源，而水下燃料電池需要自身攜帶氧氣，燃料電池在純氧環(huán)境下運行帶來膜電極氧化降解加速、陰極水淹加劇等問題；同時，陸上燃料電池通常處于開放環(huán)境中，而水下燃料電池則布置于有限密閉空間中，會帶來密閉容器內水蒸氣冷凝以及電堆冷卻困難等問題。

5.基于上述差異，現有水下燃料電池的電堆通常為特殊定制的氫氧電堆(陰極進氣為純氧)，與陸用燃料電池的氫空電堆(陰極進氣為空氣)相比，其膜電極通常采用更厚的強化膜以抑制氧化降解，陰極采用三維微型格子等特殊流場來抑制水淹發(fā)生，這大大增加了制造成本及設備通用性；同時，氫氧電堆技術成熟度低，給水下燃料電池能源動力系統(tǒng)的安全可靠平穩(wěn)運行造成嚴重威脅，已成為制約燃料電池技術在水下動力推進領域大規(guī)模應用的核心問題之一。因此，開發(fā)一套基于氫空電堆的水下燃料電池能源動力系統(tǒng)，可為解決上述問題提供一種全新思路，對燃料電池技術在水下能源動力推進領域的成功應用具有重要意義。

技術實現要素：

6.本發(fā)明的目的是為了克服基于氫/氧電堆的水下燃料電池能源動力系統(tǒng)經濟性、安全可靠性差的問題，通過在水下密閉空間內人工構建空氣氛圍，提出了一種基于氫空電堆的水下燃料電池能源動力系統(tǒng)，可以大大提升系統(tǒng)的安全性、可靠性以及經濟性。

7.為實現上述功能，本發(fā)明的技術方法是：

8.一種基于氫空電堆的水下燃料電池能源動力系統(tǒng)，包括氫空燃料電池堆、密閉容

器環(huán)境氛圍控制及陰極進氣系統(tǒng)、降溫除濕系統(tǒng)、陽極供氣及氫氣再循環(huán)系統(tǒng)，氫氣濃度監(jiān)測及消釋系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)。

9.本發(fā)明提供了一種可保證氫空電堆安全平穩(wěn)高效運行的密閉容器環(huán)境氛圍控制系統(tǒng)，以保證密閉容器內氧氣濃度、濕度、溫度可控可調，以保證燃料電池系統(tǒng)以及電子元件和設備的安全可靠穩(wěn)定運行，系統(tǒng)包括氧氣儲罐、電磁閥、氧氣流量計、氧氣濃度傳感器、空氣流量計、空氣泵、中冷器、超聲波加濕器、溫度傳感器、壓力傳感器、背壓閥、汽水分離器、冷凝器、氫氣消釋器。首先在密閉容器內填充模擬空分氛圍的氮氣與氧氣的混合氣體；燃料電池運行過程中，來自氧氣儲罐的純氧不直接進入電堆，而是進入到密閉容器內作為氧氣補充；直接進入電堆的是密閉容器內模擬空氣組分的氮氣與氧氣的混合氣；儲氧氣瓶中的氧氣通過電磁閥進入密閉容器內以維持模擬空氣中氧氣組分濃度；模擬空氣經空壓機、中冷器、超聲波加濕器、溫濕度傳感器、壓力傳感器進入電堆；通過氧氣濃度傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器來獲取模擬空氣的氧氣濃度、溫濕度和壓力，通過調節(jié)電磁閥開度、空氣泵、中冷器、超聲波加濕器來控制模擬空氣的氧氣濃度、溫濕度和壓力；從電堆出來的反應氣含有大量的由于電堆內電化學反應產生的水，首先經過汽水分離器將反應生成水分離出來，然后經過降溫除濕系統(tǒng)降溫除濕后排到密閉容器內。

10.本發(fā)明中提供了一種與密閉容器環(huán)境氛圍控制系統(tǒng)相耦合的降溫除濕系統(tǒng)，以控制密閉容器內模擬空氣的溫度和濕度，系統(tǒng)包括陰極排氣尾部的冷凝器、密閉容器內的冷凝器、密閉容器外部的集水箱、板式換熱器以及循環(huán)泵。從電堆出來的高溫高濕尾氣經汽水分離器后進入冷凝器，降溫除濕之后再將尾氣排到密閉容器內；為控制密閉容器內模擬空氣的溫度和濕度，模擬空氣經鼓風機吹進另一個冷凝器進一步降溫除濕；冷凝后析出的液態(tài)水隨同汽水分離器分離出的液態(tài)水一同收集到容器外部的集水箱中，以平衡氫氧燃料消耗所導致浮力的變化；冷凝器中的循環(huán)工質通過循環(huán)泵以及板式換熱器向周圍海水換熱。

11.本發(fā)明提供了一種陽極供氣及氫氣再循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括儲氫氣瓶、電磁閥、氫氣流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、汽水分離器、氫氣循環(huán)泵、排氣閥、排水閥。電磁閥開啟，由氫氣瓶儲存的氫氣通過供氫管道通入電堆；氫氣經過溫度傳感器、壓力傳感器，獲取當前時刻的工作參數，通過控制電磁閥的開度得到想要的氫氣工作參數；從電堆出來后未反應的氫氣經過汽水分離器將生成水分離出來，未反應的氫氣通過氫氣循環(huán)泵重新進入電堆進行反應。

12.本發(fā)明中提供了一種氫氣濃度監(jiān)測及消釋系統(tǒng)，系統(tǒng)包括空氣出口尾部的氫氣消釋器、冷凝器出口的氫氣消釋器以及氫氣濃度檢測器。在電堆運行結束后，將陽極供氣側的排氣閥打開，未反應的氫氣通過排氣閥進入陰極排氣管路，與其管路中未反應的空氣進行混合，一起進入陰極排氣尾部的氫氣消釋器中進行氫氣消釋，隨后排入密閉容器內部；在電堆運行過程中，密閉容器內部的氫氣濃度傳感器將數值傳輸到控制端，通過控制鼓風機的開閉，將容器內氫氣含量超過設定值的空氣經冷凝器降溫后，吹入氫氣消釋器中進行消釋。

13.本發(fā)明提供了一種可用于水下燃料電池電堆冷卻的熱管理系統(tǒng)，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、板式換熱器、電磁閥、去離子器、離心泵。所述的熱管理系統(tǒng)以低溫去離子水作為冷卻液，首先由去離子器進行處理，后由離心泵送入電堆帶走電堆廢熱；離開電堆的高溫冷卻水流經溫度傳感器，經由板式換熱器向周圍海水換熱冷卻；放熱后的低溫冷卻水再次通過離心泵送入電堆進行冷卻循環(huán)；通過溫度傳感器，獲取離開電堆的高溫冷卻水

的溫度，通過離心泵調節(jié)冷卻水流量來控制電堆運行溫度。

14.本發(fā)明結構簡單，具有很強的實用性、經濟性和安全性?？梢栽谒碌蜏?、高壓、強腐蝕性的密閉環(huán)境條件下穩(wěn)定運行，通過人為創(chuàng)造空氣氛圍，可精準有效控制氛圍中氣體組分，并有效解決了有限密閉空間內水蒸氣冷凝、電堆冷卻以及惰性氣體積聚等問題，攻克了由于采用氫氧電堆所導致的水下燃料電池系統(tǒng)經濟成本高、運行危險性大的技術難題。

15.本發(fā)明提出的基于氫空電堆的水下燃料電池動力系統(tǒng)采用成熟的氫空電堆代替常規(guī)水下燃料電池所采用的氫氧電堆，氫空電堆技術成熟度較高且無須定制，可大大提升水下燃料電池動力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經濟性。在實際使用過程中，由于氫空電堆陰極氧氣分壓僅為氫氧電堆氧氣分壓的1/5，削弱了膜電極的氧化降解速率，增強了質子膜的使用壽命；由于密閉箱體內氣體所占空間與傳統(tǒng)水下氫氧燃料電池系統(tǒng)內陰極氣體緩沖罐內空間相比較大，在可實現陰極氧氣濃度的精準調控的同時，箱體內的濕度和溫度也得到了有效的控制。提升了系統(tǒng)陰極氣體濃度控制的靈敏度和效率，增強了系統(tǒng)正常運行的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的基于氫氧電堆的水下燃料電池動力系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的寄生能耗降低15％，綜合效率提升30％，能量密度提升25％，成本下降50％，使用壽命預期提升80％。

附圖說明

16.圖1為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池系統(tǒng)的結構示意圖；

17.圖2為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池系統(tǒng)部件的控制流程圖；

18.圖3為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池系統(tǒng)氫氣消釋器的內部結構示意圖。

具體實施方式

19.以下結合附圖，通過具體實施例對本技術做進一步闡述。實施例用于說明本發(fā)明而不限制本發(fā)明的范圍，部分參數可根據實際應用和部件的工作特性做相應的匹配和調整。下面將給出整個水下燃料電池系統(tǒng)的具體布置，并且對系統(tǒng)的構成方法進行詳細介紹。

20.圖1為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池總系統(tǒng)的結構示意圖；其由氫氣儲罐1、氧氣儲罐2、第一電磁閥3、第二電磁閥4、氧氣流量計5、氫氣循環(huán)泵6、第一汽水分離器7、第一排水閥8、第二排水閥9、第二汽水分離器10、氫氣排氣閥11、集水箱12、氫氣流量計13、第一冷凝器14、第一氫氣消釋器15、第二氫氣消釋器16、第二冷凝器17、鼓風機18、氧氣濃度傳感器19、空氣泵20、空氣流量計21、tl62b-32d中冷器22、超聲波加濕器23、背壓閥24、冷卻水流量計25、萱柯氫能xk-cr-001去離子器26、冷卻水泵27、冷卻水水箱28、第一板式換熱器29、安全閥30、氫空燃料電池電堆31、第一氫氣濃度傳感器32、第二氫氣濃度傳感器33、第一壓力傳感器34、第一溫度傳感器35、第二壓力傳感器36、第二溫度傳感器37、第三壓力傳感器38、第三溫度傳感器39、第一濕度傳感器40、第四壓力傳感器41、第四溫度傳感器42、密閉容器43、第一水泵44、第二水泵45、第二濕度傳感器46、第二板式換熱器47、第三板式換熱器48組成。具體結構為：密閉容器43外部的氫氣儲罐1通過氫氣進氣管路依次與第一電磁閥3、氫氣流量計13、第三壓力傳感器38、第三溫度傳感器39、密閉容器43箱體內部腔室氫空燃料電池電堆31的氫氣入口相連接；氫空燃料電池電堆31的氫氣出口通過管路依次與第一汽水分離器7、氫氣循環(huán)泵6相連并連接到密閉容器43內部的氫氣進氣管路上形成閉合回路；密閉容器43外部的氧氣儲罐2通過管路依次與第二電磁閥4、氧氣流量計5相連接進入密閉容

器43箱體內部腔室；密閉容器43箱體內部腔室的氧氣濃度傳感器19、空氣泵20、空氣流量計21、tl62b-32d中冷器22、超聲波加濕器23、第四溫度傳感器42、第四壓力傳感器41、第一濕度傳感器40通過進氣空氣管路依次相連接并連接到氫空燃料電池電堆31的空氣入口；氫空燃料電池電堆31的空氣出口與第二汽水分離器10、背壓閥24、第一冷凝器14、第一氫氣消釋器通過管路相連接；氫空燃料電池電堆31的氫氣出口管路和空氣出口管路相連接并在其連接管路上安置氫氣排氣閥11；密閉容器43外部的去離子水箱通過管路依次與冷卻水泵27、萱柯氫能xk-cr-001去離子器26、冷卻水流量計25相連接進入密閉容器43內部腔室并繼續(xù)通過管路依次與第二溫度傳感器37、第二壓力傳感器36、氫空燃料電池電堆31冷卻水入口相連接；氫空燃料電池電堆31冷卻水出口通過管路依次與第一溫度傳感器35、第一壓力傳感器34相連接進入密閉容器43外部并繼續(xù)通過管路依次與第一板式換熱器29、冷卻水水箱28相連接；第一汽水分離器7通過管路依次與第一排水閥8、密閉容器43外部的集水箱12相連接；第二汽水分離器10通過管路依次與第二排水閥9、密閉容器43外部的集水箱12相連接；第二冷凝器17的冷卻液進口經第一水泵44通過管路與第二板式換熱器47的待冷卻液出口相連接，第二板式換熱器47的待冷卻液進口通過管路與第二冷凝器17的冷卻液出口相連接；鼓風機18的出風口通過管路與第二冷凝器17的進氣口、第二冷凝器17的出氣口經第二氫氣消釋器16依次與密閉容器43內部腔室相連通，第二冷凝器17的液體出口通過管路經第二排水閥9與置于密閉容器43外部的集水箱12相連接；第一冷凝器14的冷卻液進口經第二水泵45通過管路與第三板式換熱器48的待冷卻液出口相連接；第三板式換熱器48的待冷卻液進口通過管路與第一冷凝器14的冷卻液出口相連接；第一冷凝器14的液體出口通過管路經第二排水閥9與置于密閉容器43外部的集水箱12相連接；密閉容器43的側壁面設置有排氣口，于排氣口處設置有安全閥30；密閉容器43內部的腔體頂部左右二側分別設置有第一氫氣濃度傳感器32、第二氫氣濃度傳感器33；密閉容器43內部設置有第二濕度傳感器46。

21.其具體實施步驟如下：

22.圖2為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池系統(tǒng)部件的控制流程圖；控制端的控制器(其為一電腦)采集通過導線與其連接的來自氧氣流量計5、氫氣流量計13、氧氣濃度傳感器19、空氣流量計21、冷卻水流量計25、第一氫氣濃度傳感器32、第二氫氣濃度傳感器33、第一壓力傳感器34、第一溫度傳感器35、第二壓力傳感器36、第二溫度傳感器37、第三壓力傳感器38、第三溫度傳感器39、第一濕度傳感器40、第四壓力傳感器41、第四溫度傳感器42、第二濕度傳感器46的數值經過計算比對將執(zhí)行信號輸出給通過導線與其連接的第一電磁閥3、第二電磁閥4、氫氣循環(huán)泵6、第一排水閥8、第二排水閥9、鼓風機18、超聲波加濕器23、背壓閥24、第一水泵44、第二水泵45。

23.圖3為本發(fā)明基于氫空電堆的水下燃料電池系統(tǒng)氫氣消釋器的內部結構示意圖；其由篩板49、消氫催化劑床層50組成。消氫催化劑床層50中的催化劑載體為氧化鋁陶瓷粉末，活性組分為鉑，鉑的負載量為載體質量的1.5％。含有氫氣的空氣從入口進入經過篩板49的分流作用在消氫催化劑床層50進行氫氣消釋，反應后生成的水伴隨著空氣從出口排出。

24.當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，氫氣儲罐1外部的第一電磁閥3開啟釋放氫氣并調節(jié)開度來達到設定的供氫壓力。從氫空燃料電池電堆31反應出來的氫氣經過第一汽水分離器7將生成水分離出來，當生成水達到一定液位，打開第一排水閥8將水排放到集

水箱12。未反應的氫氣被氫氣循環(huán)泵6使其重新進入供氫管路進入氫空燃料電池電堆31參加反應。在氫空燃料電池電堆31運行結束后，將陽極供氣側的氫氣排氣閥11打開，未反應的氫氣通過氫氣排氣閥11進入陰極排氣管路，與其管路中未反應的空氣進行混合，一起進入陰極排氣尾部的第一氫氣消釋器15中進行氫氣消釋，隨后排入密閉容器43內部。第一電磁閥3的開閉由控制端的控制器來控制，第一電磁閥3與氫氣流量計13相連，第一電磁閥3的開度調節(jié)由控制器從第三壓力傳感器38收集到的氫氣壓力值是否達到設定的供氫壓力進行控制，第一排水閥8的開閉由控制器從第一汽水分離器7收集到的液位高度來進行控制。

25.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，氧氣儲罐2外部的第二電磁閥4和氧氣流量計5開啟釋放氧氣并調節(jié)開度來控制進入密閉容器內的氧氣流量以維持空氣組分，空氣經空氣泵20、tl62b-32d中冷器22、超聲波加濕器23進入氫空燃料電池電堆31。第二電磁閥4的開閉由控制端的控制器來控制，第二電磁閥4的開度調節(jié)由控制器從氧氣濃度傳感器19收集到的氧氣濃度數值是否達到設定的氧氣濃度進行控制。第一濕度傳感器40、第四壓力傳感器41、第四溫度傳感器42將空氣的溫濕度和壓力上傳到控制器，通過調節(jié)空氣泵20、空氣流量計21、tl62b-32d中冷器22、超聲波加濕器23來將空氣溫濕度和壓力達到設定值。

26.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，從電堆出來的未反應陰極尾氣經過第二汽水分離器10將反應生成水分離出來，當生成水達到一定液位，打開第二排水閥9將水排放到集水箱12。未反應氣經第一冷凝器14和背壓閥24降溫除濕后排到密閉容器43內。第二排水閥9的開閉由控制端的控制器從第二汽水分離器10收集到的液位高度來進行控制。

27.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，低溫冷卻水經冷卻水泵27由冷卻水水箱28進入到萱柯氫能xk-cr-001去離子器26處理后，經由冷卻水流量計25、第二壓力傳感器36、第二溫度傳感器37之后送入氫空燃料電池電堆帶走電堆廢熱。出堆的高溫冷卻水流經第一板式換熱器29與外部海水進行熱量交換，放熱后的低溫冷卻水重新回到冷卻水水箱28，再次通過冷卻水泵27送入氫空燃料電池電堆31進行冷卻循環(huán)。從第一溫度傳感器35和第二溫度傳感器37收集到的溫度數值傳送到控制端的控制器，控制器通過調節(jié)冷卻水泵27的轉速來調節(jié)換熱過程中低溫冷卻水的流量，從而達到設定的電堆溫度。

28.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，從氫空燃料電池電堆31出來的高溫尾氣經第二汽水分離器10后進入第一冷凝器14，通過降溫除濕減少尾氣的含水量，之后再將尾氣排到密閉容器43內。密閉容器43內的第二濕度傳感器46收集到的濕度輸送給控制端的控制器，若高于設定的空氣濕度，控制器將會打開鼓風機18使得密閉容器43內的空氣經鼓風機18吹進第二冷凝器17進行進一步降溫除濕，再一次減少密閉容器43內空氣的含水量，防止出現冷凝現象。冷凝后析出的液態(tài)水隨同第二汽水分離器10分離出的液態(tài)水一同收集到容器外部的集水箱12中。第一冷凝器14和第二冷凝器17需要的低溫冷凝水由第一水泵44和第二水泵45輸送進去。完成冷凝后的冷凝水通過外部第二板式換熱器47和第三板式換熱器48將熱量散到周圍海水中。

29.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，密閉容器43內部的第一氫氣濃度傳感器32和第二氫氣濃度傳感器33將數值傳輸到控制端的控制器。如超過設定的氫氣濃度值，控制器會通過控制鼓風機18的開閉，將密閉容器43內氫氣濃度超過設定值的空氣經

第二冷凝器17降溫后，吹入第二氫氣消釋器16中進行氫氣消釋。

30.進一步，當氫空燃料電池電堆31處于運行狀態(tài)時，第一氫氣濃度傳感器32、第二氫氣濃度傳感器33、第一壓力傳感器34、第一溫度傳感器35、第二壓力傳感器36、第二溫度傳感器37、第三壓力傳感器38、第三溫度傳感器39、第一濕度傳感器40、第四壓力傳感器41、第四溫度傳感器42、第二濕度傳感器46將收集的數據上傳到控制端的控制器，一旦滿足設定的危險警報或緊急停機條件，控制器會立刻執(zhí)行設定好的緊急預案。

31.本發(fā)明實施例中，例如水下燃料電池在運行過程中，采用的燃料電池堆由63片單電池組成。額定功率為10kw。電堆開始運行后，氫氣從氫氣儲罐1流出，實時流量為50lpm。氧氣實時流量為25lpm。系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，控制水泵的轉速為79.81r/min，將冷卻水送入電堆。同時由第二溫度傳感器37獲取的冷卻液出堆溫度t1＝75.1℃。此時電堆實時產熱量為5600j/s。流量為26.3lpm的高溫冷卻液流進第一板式換熱器29進行散熱，放熱后的低溫冷卻液溫度為69.7℃，送入氫空燃料電池電堆31。電堆穩(wěn)定運行15min后，可測得電堆實時輸出功率9.1kw，實時輸出電壓為43.7v，實時輸出電流為196.6a。

32.經測試在水下燃料電池運行過程中，密閉容器43內氧氣濃度從20％可以以最慢每秒0.01％的速率提升或下降，溫度和濕度的調節(jié)通過控制器下達指令均可以在10s內達到設定值，可實現箱體內氧氣濃度的精準調節(jié)和溫濕度的快速控制，效率均高于其他類型的水下燃料電池動力系統(tǒng)。

33.經測試在水下燃料電池運行過程中，當箱體內氫氣濃度達到3％時，控制端的控制器通過對氫氣消釋器下達啟動信號可以在10s內將氫氣濃度降到1％以內，效率均高于其他類型的水下燃料電池動力系統(tǒng)。

34.經測試本發(fā)明提出的基于氫空電堆的水下燃料電池動力系統(tǒng)運行效率為62％，系統(tǒng)能量密度為295wh/kg，均高于其他類型水下燃料電池動力系統(tǒng)的效率及能量密度。

35.本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較優(yōu)實施例而已，并對本發(fā)明任何形式上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。技術特征：

1.一種基于氫空電堆的水下燃料電池能源動力系統(tǒng)，包括氫空燃料電池電堆、中空的密閉容器所述氫空燃料電池電堆(31)置于密閉容器(43)內；其特征在于：置于密閉容器(43)外部的氧儲罐(2)通過管路與密閉容器(43)內部腔室相連通；置于密閉容器(43)內部的空氣泵(20)的出氣口通過管路與電堆的空氣入口相連；電堆的空氣出口第二汽水分離器(10)、第一氫氣消釋器(15)與密閉容器(43)內部腔室相連通；置于密閉容器(43)外部的氫氣儲罐(1)通過管路與電堆的氫氣入口相連；電堆的氫氣出口經第一汽水分離器(7)、氫氣循環(huán)泵(6)與氫氣儲罐(1)與電堆的氫氣入口之間的管路相連；置于密閉容器(43)外部的冷卻水水箱(28)通過管路經冷卻水泵(27)與電堆的冷卻水入口相連；電堆的冷卻水出口流出的冷卻水通過管路于密閉容器(43)外部的第一板式換熱器(29)換熱后與冷卻水水箱(28)相連通。2.按照權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于：置于密閉容器(43)外部的氧氣儲罐(2)通過管路經第二電磁閥(4)、氧氣流量計(5)與密閉容器(43)內部腔室相連通；置于密閉容器(43)內部的空氣泵(20)的出氣口通過管路經空氣流量計(21)、tl62b-32d中冷器(22)、超聲波加濕器(23)、第一濕度傳感器(40)、第四壓力傳感器(41)、第四溫度傳感器(42)與電堆的空氣入口相連；于空氣泵(20)的進氣口處或進氣管路上設置有氧氣濃度傳感器(19)；電堆的空氣出口設有第二汽水分離器(10)、背壓閥(24)、第一冷凝器(14)、第一氫氣消釋器(15)，與密閉容器(43)內部腔室相連通；置于密閉容器(43)外部的氫氣儲罐(1)通過管路經第一電磁閥(3)、氫氣流量計(13)第三壓力傳感器(38)、第三溫度傳感器(39)與電堆的氫氣入口相連；電堆的氫氣出口經第一汽水分離器(7)、氫氣循環(huán)泵(6)與氫氣儲罐(1)與電堆的氫氣入口之間的管路相連；置于密閉容器(43)外部的冷卻水水箱(28)通過管路經冷卻水泵(27)、冷卻水流量計(25)、去離子器(26)、第二壓力傳感器(36)、第二溫度傳感器(37)與電堆的冷卻水入口相連；電堆的冷卻水出口流出的冷卻水通過管路經第一壓力傳感器(34)、第一溫度傳感器(35)、置于密閉容器(43)外部的第一板式換熱器(29)換熱后與冷卻水水箱(28)相連通。3.按照權利要求1或2所述系統(tǒng)，其特征在于：第一汽水分離器(7)和第二汽水分離器(10)的液體出口分別通過管路經第一排水閥(8)、第二排水閥(9)與置于密閉容器(43)外部的集水箱(12)相連通。4.按照權利要求1或2所述系統(tǒng)，其特征在于：于密閉容器(43)外部設置有第二板式換熱器(47)，于密閉容器(43)內部設置有第二冷凝器(17)和鼓風機(18)，第二冷凝器(17)的冷卻液進口經第一水泵(44)通過管路與第二板式換熱器(47)的待冷卻液出口相連，第二板式換熱器(47)的待冷卻液進口通過管路與第二冷凝器(17)的冷卻液出口相連；鼓風機(18)的出風口面向第二冷凝器(17)的進氣口，第二冷凝器(17)的出氣口經第二氫氣消釋器(16)與密閉容器(43)內部腔室相連通，第二冷凝器(17)的液體出口通過管路經第二排水閥(9)與置于密閉容器(43)外部的集水箱(12)相連通。5.按照權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于：第一冷凝器(14)的冷卻液進口經第二水泵(45)通過管路與第三板式換熱器(48)的待

冷卻液出口相連，第三板式換熱器(48)的待冷卻液進口通過管路與第一冷凝器(14)的冷卻液出口相連；第一冷凝器(14)的液體出口通過管路經第二排水閥(9)與置于密閉容器(43)外部的集水箱(12)相連通。6.按照權利要求1或2所述系統(tǒng)，其特征在于：于密閉容器(43)的側壁面設置有排氣口，于排氣口處設置有安全閥(30)；于密閉容器(43)內部的腔體頂部左右二側分別設置有第一氫氣濃度傳感器(32)、第二氫氣濃度傳感器(33)；于密閉容器(43)內部設置有第二濕度傳感器(46)。7.按照權利要求1或2所述系統(tǒng)，其特征在于：電堆的空氣出口和氫氣出口通過管路經氫氣排氣閥(11)相連；電堆有正負極通過導線與密閉容器(43)外部的用電裝置相連，為用電裝置提供電力。8.按照權利要求1或2或4所述系統(tǒng)，其特征在于：氫氣消釋器為一左端帶有氣體入口、右端帶有氣體出口的容器，于容器內裝置有消氫催化劑，于氣體入口與消氫催化劑床層(50)之間設有篩板(49)。9.按照權利要求1-8任一所述系統(tǒng)，其特征在于：還包括控制器，控制器采集來自采集信號的部件氧氣流量計(5)、氫氣流量計(13)、氧氣濃度傳感器(19)、空氣流量計(21)、冷卻水流量計(25)、第一氫氣濃度傳感器(32)、第二氫氣濃度傳感器(33)、第一壓力傳感器(34)、第一溫度傳感器(35)、第二壓力傳感器(36)、第二溫度傳感器(37)、第三壓力傳感器(38)、第三溫度傳感器(39)、第一濕度傳感器(40)、第四壓力傳感器(41)、第四溫度傳感器(42)、第二濕度傳感器(46)的信號，同時將執(zhí)行信號輸出給執(zhí)行信號的部件第一電磁閥(3)、第二電磁閥(4)、氫氣循環(huán)泵(6)、第一排水閥(8)、第二排水閥(9)、鼓風機(18)、超聲波加濕器(23)、背壓閥(24)、第一水泵(44)、第二水泵(45)。10.按照權利要求9所述系統(tǒng)，其特征在于：所述控制器為電腦或單片機，其通過導線與采集信號和執(zhí)行信號的部件相連接。

技術總結

本發(fā)明涉及一種基于氫空電堆的水下航行器燃料電池動力系統(tǒng)，其中包括氫空燃料電池電堆、中空的密閉容器，外部的氧氣儲罐和氫氣儲罐通過管路與密閉容器內部腔室相連通，置于密閉容器內部的空氣泵的出氣口通過管路與電堆的空氣入口相連，電堆的氫氣出口經第一汽水分離器、置于密閉容器外部的冷卻水水箱通過管路經冷卻水泵與電堆的冷卻水入口相連。本發(fā)明提出的基于氫空電堆的水下燃料電池動力系統(tǒng)采用成熟的氫空電堆代替常規(guī)水下燃料電池所采用的氫氧電堆，氫空電堆技術成熟度較高且無須定制，可大大提升水下燃料電池動力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經濟性?？煽啃院徒洕?。可靠性和經濟性。

技術研發(fā)人員：葛坤 孟令通 王佳琪 高波 應玥 李彥軍

受保護的技術使用者：哈爾濱工程大學

技術研發(fā)日：2022.11.15

技術公布日：2023/3/7