[發明專利]一種用于水下潛航器的空氣進氣型燃料電池混合動力系統

在審

• 申請號: 202210230286.7
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114771292A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 馬松松;秦江;修心巖;王思博;李成杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B60L50/75
• 分類號: B60L50/75;B63C11/52;H01M8/0662;H01M8/04082;B01D49/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 李恩慶

本發明提出了一種用于水下潛航器的空氣進氣型燃料電池混合動力系統，屬于燃料電池領域。高壓氫氣瓶和高壓氧氣瓶設置在潛航器主體倉的外側，燃料電池陽極入口與高壓氫氣瓶連通，高壓氧氣瓶與潛航器主體倉內部相連通，燃料電池的陰極入口與潛航器主體倉內部相連通，燃料電池電力輸出端通過DCDC轉換器與能量管理模塊輸入端相連，鋰電池輸出端與能量管理模塊輸入端相連，能量管理模塊用于向外輸出電能，尾氣處理組件與燃料電池的出口連通，尾氣處理組件設置在潛航器主體倉內用于處理燃料電池尾氣。能夠解決水下燃料電池在反應過程中空氣不足的問題。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，特別是涉及一種用于水下潛航器的空氣進氣型燃料電池混合動力系統。

背景技術

目前水下潛航器航程普遍在百公里量級，需要母船搭載至任務區域，無法實現自主出港執行遠海任務，其航程受阻力、推進和能源三個方面影響，而能源系統起到了決定性作用，水下潛航器能源形式主要包括一次電池、二次電池和燃料電池等；一次電池主要包括堿性電池和鋰電池，其中堿性電池結構簡單、安全、成本低，缺點是能量密度低，目前已經基本棄用；一次鋰電池是當前比較合適的選擇，能量密度可突破300Wh/kg，天津大學“海燕”系列水下滑翔機采用鋰-亞硫酰氯一次電池，二次鋰電池能夠多次充放電，反復使用，其中鉛酸電池、鎘、鎳電池是最早應用的二次電池，缺點是能量密度低；鎳氫電池曾用于HUGIN3000UUV的備用電池，銀鋅電池的比能量相對較高、安全性好，缺點是成本高、循環次數少，“蛟龍號”載人潛水器采用銀鋅電池；鋰離子電池的能量密度和循環次數較其他二次電池具有綜合優勢，能量密度能夠接近或達到200Wh/kg，是目前使用最廣泛的能源形式，Bluefin、Remus系列UUV均采用二次鋰電池；

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉變成電能的發電裝置，燃料電池的能量轉換效率較高，結合高比能量的氫氧燃料，即使考慮輔助設備如儲罐、泵閥等，其比能量仍高于鋰電池，可有效滿足無人潛航器的未來發展要求，因此，燃料電池潛航器是水下動力的理想動力裝置之一；

目前成熟的燃料燃料電池均為氫氣和空氣的進氣條件，而潛航器的水下環境中空氣稀缺，氫氧燃料電池是較為理想的應用方案，但是氫氧燃料電池對于膜、水管理等技術要求很高，必須進行定向研發，成本較高，且燃料電池尾氣中含有微量的氫氣殘余，對于長航時潛航器來說存在較大的安全隱患，也難以直接應用于水下潛航器，因此需要綜合解決氫空氣燃料電池的進氣、排氣以及熱管理等問題，實現長航時氫燃料電池潛航器。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種用于水下潛航器的空氣進氣型燃料電池混合動力系統,以解決水下燃料電池在反應過程中空氣不足的問題。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種用于水下潛航器的空氣進氣型燃料電池混合動力系統，包括燃料電池、高壓氫氣瓶、高壓氧氣瓶、DCDC轉換器、能量管理模塊、鋰電池、潛航器主體倉和尾氣處理組件，燃料電池、DCDC轉換器、能量管理模塊和鋰電池設置在潛航器主體倉內，高壓氫氣瓶和高壓氧氣瓶設置在潛航器主體倉的外側，燃料電池陽極入口與高壓氫氣瓶連通，高壓氧氣瓶與潛航器主體倉內部相連通，燃料電池的陰極入口與潛航器主體倉內部相連通，燃料電池電力輸出端通過DCDC轉換器與能量管理模塊輸入端相連，鋰電池輸出端與能量管理模塊輸入端相連，能量管理模塊用于向外輸出電能，尾氣處理組件與燃料電池的出口連通，尾氣處理組件設置在潛航器主體倉內用于處理燃料電池尾氣。

更進一步的，所述高壓氧氣瓶向潛航器主體倉內輸入純氧的釋放速率等于其消耗速率。

更進一步的，所述潛航器主體倉內還設置有鼓風機，所述燃料電池陰極入口與鼓風機相連。

更進一步的，所述能量管理模塊的輸出端連接有用于驅動潛航器的負載。

更進一步的，所述燃料電池和鋰電池同時給負載供電。