一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用
【專利摘要】一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，包括鋰電池系統(tǒng)、鎂海水電池系統(tǒng)、氫氧燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，所述鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置；所述氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置；所述鋰電池系統(tǒng)電能端口根據(jù)負(fù)荷需求情況經(jīng)控制器連接至用電裝置或供電裝置。以及提供該能量供應(yīng)系統(tǒng)在海底動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用。該能量供應(yīng)系統(tǒng)將三種電池的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合于一體，其中氫氧燃料電池氫氣供應(yīng)單元的氫氣部分來(lái)自所述鎂海水電池系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣，電池系統(tǒng)產(chǎn)熱可用于潛器生活艙內(nèi)溫度保障或供應(yīng)生活用熱等，實(shí)現(xiàn)了能的梯級(jí)利用，具有高能量密度、低成本等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于各種海底動(dòng)力系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】
一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種能量供應(yīng)系統(tǒng)，進(jìn)一步涉及一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，以及該能量供應(yīng)系統(tǒng)在船舶、潛水器等海底動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋占據(jù)著世界面積的71%，蘊(yùn)藏著豐富的海底資源，同時(shí)也是最有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略空間。隨著海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，水下潛器、無(wú)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(cè)及武器運(yùn)載等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的載體作用。能量動(dòng)力系統(tǒng)作為海洋工作潛器的“心臟”，對(duì)續(xù)航時(shí)間、航行半徑、航速、水下作業(yè)量等有決定性的影響。其性能是衡量海洋工作潛器優(yōu)劣的重要指標(biāo)。
[0003]由于潛器使用環(huán)境的特殊性，電池成為其在水下的唯一動(dòng)力來(lái)源。目前，在深潛器上應(yīng)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(tǒng)電池，但由于比能量和能量密度、成本、自放電效應(yīng)、壽命等因素的限制，嚴(yán)重制約了水下深潛器發(fā)展；同時(shí)熱、生活用水、氧氣也是水下潛器等潛器維持生命系統(tǒng)所必需的資源。新一代水下空間站等潛器對(duì)電源的比能量的要求是120_150Wh/kg，未來(lái)要求更高，同時(shí)要求十分安全生命維持系統(tǒng)，而現(xiàn)行技術(shù)尚無(wú)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又可提供熱/水等能量的海底能量供應(yīng)系統(tǒng)，成為海洋能量供應(yīng)系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)及將該能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于船舶、潛水器等海底動(dòng)力系統(tǒng)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其中該能量供應(yīng)系統(tǒng)包括鋰電池系統(tǒng)、鎂海水電池系統(tǒng)、氫氧燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，
[0006]所述鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置；
[0007]所述氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置；
[0008]所述鋰電池系統(tǒng)電能端口根據(jù)負(fù)荷需求情況經(jīng)控制器連接至用電裝置或供電裝置。
[0009]優(yōu)選的，所述鎂海水電池系統(tǒng)包括鎂海水電池單元，鎂海水電池單元的正極和負(fù)極作為鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。
[0010]優(yōu)選的，所述鎂海水電池系統(tǒng)還包括燃料及氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)，用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應(yīng)所需燃料和氧化劑。
[0011]優(yōu)選的，所述鎂海水電池系統(tǒng)還包括產(chǎn)物處理單元，產(chǎn)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(duì)鎂海水電池所產(chǎn)生的氫氣、固體、液體排放物進(jìn)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(nèi)溫度保障或供應(yīng)生活用熱，或者該熱量通過(guò)流動(dòng)的海水循環(huán)利用。
[0014]優(yōu)選的，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)包括氫氧燃料電池單元，氫氧燃料電池單元的正極和負(fù)極作為氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。
[0015]優(yōu)選的，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)還包括氫氣供應(yīng)單元和氧化劑供應(yīng)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(yīng)單元的氫氣部分來(lái)自所述鎂海水電池系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣。
[0016]優(yōu)選的，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)的熱量。
[0017]優(yōu)選的，所述熱量用于預(yù)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(yōu)選的，氫氧燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)物水用于艙內(nèi)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(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種將上述任意一種系統(tǒng)應(yīng)用于海底動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述海底動(dòng)力系統(tǒng)為船舶或潛水器。
[0020]通過(guò)上述技術(shù)方案，可以看出本發(fā)明的有益效果在于:
[0021](I)該能量供應(yīng)系統(tǒng)將鋰電池、鎂海水電池、氫氧燃料電池三者結(jié)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(duì)電能功率和容量、熱能功率和容量、水和氣的要求，實(shí)現(xiàn)了能的梯級(jí)利用，具有較高的能量轉(zhuǎn)化率；
[0022](2)該能量供應(yīng)系統(tǒng)中鋰電池作為鎂海水電池和氫氧燃料電池的負(fù)荷平衡裝置，可確保其在額定工況附近工作，使系統(tǒng)能源效率提高，同時(shí)在負(fù)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(tǒng)體積，有助于降低系統(tǒng)成本；
[0023](3)該系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，可作為我國(guó)船舶、潛器等海底動(dòng)力系統(tǒng)的最佳候選電源。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0027]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)示意圖。.根據(jù)本發(fā)明的基本構(gòu)思，提供一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，包括鋰電池系統(tǒng)、鎂海水電池系統(tǒng)、氫氧燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，
[0028]所述鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述經(jīng)控制系統(tǒng)接連接用電裝置；
[0029]所述氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置；
[0030]所述鋰電池系統(tǒng)電能端口根據(jù)負(fù)荷需求情況經(jīng)控制器連接至用電裝置或供電裝置。[0031 ]以下將結(jié)合附圖1，對(duì)各組成系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0032]參見(jiàn)圖1，在本實(shí)施例中，對(duì)于鎂海水電池系統(tǒng)，其包括鎂海水電池單元、燃料和氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)、電解液供應(yīng)系統(tǒng)，以及產(chǎn)物處理系統(tǒng)。
[0033]在鎂海水電池系統(tǒng)中，所述鎂海水電池單元，其正極(陰極)和負(fù)極(陽(yáng)極)作為鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。
[0034]對(duì)于鎂海水電池單元中陽(yáng)極、陰極以及電解液材料的具體選擇，優(yōu)選的，鎂海水電池單元陽(yáng)極活性物質(zhì)為鎂或鎂合金，陰極氧化劑可采用氧氣或過(guò)氧化氫。優(yōu)選的，氧氣可直接來(lái)自海水，以減少制氧能耗。鎂海水電池單元電解過(guò)程中采用海水作為電解液，過(guò)氧化氫以及電解液通過(guò)液體栗栗入鎂海水電池單元中。
[0035]鎂海水電池反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極端的鎂或鎂合金失去電子，生成鎂離子，發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極端的氧氣或者過(guò)氧化氫得電子后還原為氧離子，電解液中的陰陽(yáng)離子產(chǎn)生定向移動(dòng)從而形成電流，產(chǎn)生電能后輸送至控制系統(tǒng)以給用電裝置供電。
[0036]在鎂海水電池系統(tǒng)中，所述燃料及氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應(yīng)所需燃料和氧化劑。其中氧氣為過(guò)氧化氫或者氧氣，燃料為鎂及其合金。
[0037]在鎂海水電池系統(tǒng)中，所述產(chǎn)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(duì)鎂海水電池所產(chǎn)生的氫氣、固體、液體排放物進(jìn)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(nèi)溫度保障或熱量供應(yīng)，或者該熱量通過(guò)流動(dòng)的海水循環(huán)利用。優(yōu)選的，所述第一預(yù)熱回收裝置為換熱器，換熱器可以為單個(gè)形式存在或者多個(gè)組合形式。
[0038]參見(jiàn)圖1，在本實(shí)施例中，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)包括氫氧燃料電池單元、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)、第二余熱回收裝置。
[0039 ]在氫氧燃料電池系統(tǒng)中，氫氧燃料電池單元的正極(陰極)和負(fù)極(陽(yáng)極)作為氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。
[0040]對(duì)于氫氧燃料電池單元中陽(yáng)極、陰極以及電解液材料的具體選擇，氫氧燃料電池單元陽(yáng)極活性物質(zhì)為氫氣，優(yōu)選的，部分氫氣來(lái)自于鎂海水電池陽(yáng)極析出的氫氣，其余則通過(guò)氫氣儲(chǔ)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(yōu)先選擇采用空氣作為氧化劑。
[0042]氫氧燃料電池反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極端燃料氫氣失去電子，成為氫離子，進(jìn)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(chǎn)生電能后輸送至控制系統(tǒng)以給用電裝置供電。
[0043]在氫氧燃料電池系統(tǒng)中，所述氫氣供應(yīng)單元和氧化劑供應(yīng)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(yīng)單元的氫氣部分來(lái)自所述鎂海水電池系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣。
[0044]在氫氧燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)的熱量。換熱器可以為單個(gè)形式存在或者多個(gè)組合形式。優(yōu)選的，所述熱量用于預(yù)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(yōu)選的，氫氧燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)物水用于艙內(nèi)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(jiàn)圖1，在本實(shí)施例中，鋰電池作為鎂海水電池和氫氧燃料電池的負(fù)荷平衡裝置，確保其在額定工況附近工作，使系統(tǒng)能源效率提高，即當(dāng)鎂海水電池與氫氧燃料電池額定供電量高于用電需求時(shí)，鋰電池為蓄能裝置，鎂海水電池與氫氧燃料電池經(jīng)多余電量經(jīng)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(jù)本發(fā)明的同一構(gòu)思，還提供一種將以上所述能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于海底動(dòng)力系統(tǒng)。
[0048]優(yōu)選的，所述海底動(dòng)力系統(tǒng)為船舶或潛水器。
[0049]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，包括鋰電池系統(tǒng)、鎂海水電池系統(tǒng)、氫氧燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中， 所述鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置； 所述氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)所述控制系統(tǒng)連接用電裝置； 所述鋰電池系統(tǒng)電能端口根據(jù)負(fù)荷需求情況經(jīng)控制器連接至用電裝置或供電裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述鎂海水電池系統(tǒng)包括鎂海水電池單元，鎂海水電池單元的正極和負(fù)極作為鎂海水電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述鎂海水電池系統(tǒng)還包括燃料及氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)，用于為所述鎂海水電池單元提供燃料電池反應(yīng)所需燃料和氧化劑。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述鎂海水電池系統(tǒng)還包括產(chǎn)物處理單元，產(chǎn)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(duì)鎂海水電池所產(chǎn)生的氫氣、固體、液體排放物進(jìn)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(nèi)溫度保障或供應(yīng)生活用熱，或者該熱量通過(guò)流動(dòng)的海水循環(huán)利用。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)包括氫氧燃料電池單元，氫氧燃料電池單元的正極和負(fù)極作為氫氧燃料電池系統(tǒng)電能輸出端經(jīng)控制系統(tǒng)連接用電裝置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)還包括氫氣供應(yīng)單元和氧化劑供應(yīng)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(yīng)單元的氫氣部分來(lái)自所述鎂海水電池系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氧燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)的熱量。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱量用于預(yù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于海水的能量供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，氫氧燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)物水用于艙內(nèi)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(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用于海底動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述海底動(dòng)力系統(tǒng)為船舶或潛水器。
【文檔編號(hào)】H02J15/00GK106059095SQ201610382264
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】賀鳳娟, 徐玉杰, 郭叢, 汪翔, 陳海生
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所