用于无人驾驶的水面交通工具的燃料电池电力系统技术方案

公开了一种用于无人驾驶水面交通工具的电力系统。在一个示例中，电力系统包括燃料电池、燃料储存器和空气管理系统。燃料电池包括燃料电池组。燃料电池组包括燃料入口、空气进气口和排气出口。燃料储存器包括流体连接到燃料电池组的燃料入口的至少一个燃料储存模块。燃料储存模块为燃料电池的能量源。空气管理系统流体连接到燃料电池的空气入口和排气出口。空气通气管为空气管理系统的一部分，并且当无人驾驶水面交通工具被部署在水体表面上时，空气通气管提供空气以操作燃料电池。空气通气管包括进气口和排气口。

Fuel Cell Power System for Unmanned Surface Vehicles

An electric power system for unmanned surface vehicles is disclosed. In one example, the power system includes fuel cells, fuel storage devices and air management systems. Fuel cells include fuel cell packs. Fuel cell group includes fuel inlet, air inlet and exhaust outlet. The fuel storage device includes at least one fuel storage module connected to the fuel inlet of the fuel cell group by a fluid. Fuel storage module is the energy source of fuel cell. The air management system fluid is connected to the air inlet and exhaust outlet of the fuel cell. Air vents are part of an air management system and provide air to operate fuel cells when unmanned surface vehicles are deployed on water surfaces. The air ventilation pipe includes an intake port and an exhaust port.

【技术实现步骤摘要】
用于无人驾驶的水面交通工具的燃料电池电力系统
所公开的系统涉及用于无人驾驶的水面交通工具的电力系统，并且更具体地涉及包括燃料电池和作为燃料电池的能量源的燃料储存器的电力系统。
技术介绍
无人驾驶的水面交通工具也可以被称为自主水面交通工具，其在水体表面上运行。无人驾驶水面交通工具可以用于勘探、长期监测、民用和国防安全应用以及监督和勘查，并且有时候用于恶劣条件以及海洋的偏远区域。因此，无人驾驶水面交通工具需要能够支持长持续时间的任务的高能量电力源。例如，一些类型的无人驾驶水面交通工具可能会跨越广阔的海域进行长达一年的勘测。能量装置如电池、太阳能或内燃发动机通常用作在操作期间向无人驾驶水面交通工具提供电力的能量装置。然而，这些能量装置可能具有缺点，或者无法长时间提供操作无人驾驶水面交通工具所需的能量。电池缺乏足够的能量密度来提供长持续时间的任务所需的能量。此外，太阳能电池也可能不是一个可行的选项，因为在冬季较高纬度地区的太阳辐照度会降低。内燃发动机很容易加注燃料并且具有快速的周转时间。然而，内燃发动机是需要日常维护的复杂机构，并且具有限制其长时间无人值守操作的实用性的约束。内燃发动机还会产生显著的噪声，并且会造成许多无人驾驶水面交通工具任务的不良情况。
技术实现思路
在一个示例中，公开了一种用于无人驾驶水面交通工具的电力系统。电力系统包括燃料电池、燃料储存器和空气管理系统。燃料电池包括燃料电池组。燃料电池组包括燃料入口、进气口和排气口。燃料储存器包括流体连接到燃料电池组的燃料入口的至少一个燃料储存模块。燃料储存模块为燃料电池的能量源。空气管理系统流体地连接到燃料电池的进气口和排气口。空气通气管为空气管理系统的一部分，并且当无人驾驶水面交通工具被部署在水体表面上时，空气通气管提供空气来操作燃料电池。空气通气管包括用于接收供应到燃料电池组的环境空气的进气口和用于排出由燃料电池组产生的排出空气和排出水蒸汽的排气口。在另一个示例中，公开了一种用于无人驾驶水面交通工具的电力系统。该电力系统包括燃料电池、燃料储存器以及燃料和热管理系统。该燃料电池包括燃料电池组。燃料电池组包括燃料入口。燃料储存器包括流体连接到燃料电池组的燃料入口的至少一个燃料储存模块。燃料储存模块为燃料电池的能量源。燃料和热管理系统流体连接到燃料电池组的燃料入口。燃料和热管理系统包括热交换器、流量阀、压力调节器和导管。热交换器与燃料电池组热连通以便去除在操作期间由燃料电池组产生的废热。导管将燃料储存器流体连接到燃料电池组，并且流量阀和压力调节器均沿着导管定位。在又一示例中，公开了一种提供空气以操作电力系统的燃料电池的方法，其中电力系统用于为无人驾驶水面交通工具提供电力。空气在无人驾驶水面交通工具部署在水体内时提供。该方法包括将包括至少一个燃料储存模块的燃料储存器流体连接到燃料电池的燃料电池组的燃料入口。燃料储存模块为燃料电池的能量源。该方法还包括将空气管理系统流体连接到燃料电池的空气入口和排气出口。该方法还包括将空气管理系统流体连接到燃料电池的空气入口和排气出口。该方法还包括通过作为空气管理系统的一部分的空气通气管提供空气以操作燃料电池。空气通气管包括用于接收供应到燃料电池组的环境空气的空气入口和用于排出由燃料电池组产生的排出空气和排出水蒸汽的排气口。通过以下描述、附图和所附权利要求，所公开的方法和系统的其他目的和优点将显而易见。附图说明图1为所公开的用于无人驾驶水面交通工具的电力系统的示例性示意性框图，其中电力系统包括燃料电池和燃料储存器；图2A-2B为图1所示的电力系统的详细示意性框图，该电力系统包括燃料电池的燃料电池组、具有空气通气管子系统的空气管理系统、控制系统以及燃料和热管理系统；图3A-3B为抽取(purge)所摄入的水的空气通气管子系统的图示；图4为抽取所摄入的水的图3中的空气通气管子系统的过程流程图；图5A-5B为在低温期间预热燃料电池组的空气通气管子系统的图示；图6为用于预热燃料电池组的图5A-5B中的空气通气管子系统的过程流程图；图7A-7B为将氧气输送到燃料电池组的空气通气管子系统的图示；图8为用于将氧气输送到燃料电池组的图7A-7B中的空气通气管子系统的过程流程图；图9A-9B为抽取燃料中的水的空气通气管子系统的图示。图10为用于抽取燃料电池组中的水的图9A-9B中的空气通气管子系统的过程流程图；图11A-11B为在除热模式下操作的空气通气管子系统的图示；图12为在除热模式下操作的图11A-11B中的空气通气管子系统的过程流程图；图13A-13B为预热储存在燃料储存器中的氢燃料的燃料和热管理系统的图示；图14为用于预热储存在燃料储存器中的氢燃料的图13A-13B中的燃料和热管理系统的过程流程图；图15A-15B为使用由燃料电池组产生的废热来催化金属氢化物燃料的氢气产生的燃料和热管理系统的图示；图16为使用废热催化金属氢化物燃料的氢气产生的图15A-15B中的燃料和热管理系统的过程流程图；图17A-17B为去除燃料电池组中的废热的燃料和热管理系统的图示；以及图18为使用由海水冷却的热交换器从燃料电池组去除废热的图17A-17B中的燃料和热管理系统的过程流程图。具体实施方式图1为所公开的用于无人驾驶水面交通工具12的电力系统10的示例性示意性框图。电力系统10包括燃料电池20、蓄电池22、电力调节器24、能量管理控制系统26、燃料和热管理系统28、空气管理系统30、水蒸汽管理系统32和燃料储存器34。在所示的示例中，多个燃料储存模块40流体连接到燃料电池20的燃料入口42。燃料储存器34顺应电力系统10的加注燃料，而无需移除元件或打开包括在电力系统10内的壳体。燃料储存器34为燃料电池20的能量源，并且允许电力系统10提供操作无人驾驶水面交通工具12所需的能量，尤其是在长持续时间的任务期间。在一个示例性示例中，具有长持续时间的任务持续长达一年。在所描述的示例中，燃料储存器34为可扩展的金属氢化物燃料储存基质。然而，在可替代示例中，燃料储存器34包含气态氢、低温液态氢或其他氢密集气态和液态燃料，例如丙烷、甲醇和丙醇。实际上，燃料储存器34可以包含任何具有高分子量氢的含氢分子，例如甲醇、丙醇和丙烷。然而，下面描述并在图13A-13B中示出的加热燃料储存基质仅适用于金属氢化物燃料。燃料电池20产生操作无人驾驶水面交通工具12所需的能量。除了能量之外，燃料电池20还产生作为副产物的水蒸汽和热量。因此，燃料电池20包括热出口48和排气出口50以去除副产物。如图1所示，排气出口50和热出口48均流体连接到燃料和热管理系统28。燃料电池20通过排气出口50将排气传送到燃料和热管理系统28。类似地，燃料电池20通过热出口48将热量传送到燃料和热管理系统28。燃料和热管理系统28将排气直接消散到空气中并将热量直接消散到无人驾驶水面交通工具12周围的水(未示出)中。例如，无人驾驶水面交通工具12可以将热量消散到周围的海水和水蒸汽中，并且将加热的空气消散到周围的空气中。燃料电池20包括连接到蓄电池22的电力输出端54。蓄电池22由燃料电池20的电力输出端54提供的能量再充电。蓄电池22为可以多次充电和放电的可再充电蓄电池。蓄电池22还连接到能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无人驾驶水面交通工具(12)的电力系统(10)，所述电力系统(10)包括：包括燃料电池组(80)的燃料电池(20)，其中所述燃料电池组(80)包括燃料入口(42)、空气入口(60)和排气出口(50)；燃料储存器(34)，其包括流体连接到所述燃料电池组(80)的所述燃料入口(42)的至少一个燃料储存模块(40)，其中所述燃料储存模块(40)为所述燃料电池(20)的能量源；空气管理系统(30)，其流体连接到所述燃料电池(20)的所述空气入口(60)和所述排气出口(50)；以及作为所述空气管理系统(30)的一部分的空气通气管(76)，当所述无人驾驶水面交通工具(12)被部署在水体内时，所述空气通气管(76)提供空气以操作所述燃料电池(20)，其中所述空气通气管(76)包括：用于接收供应给所述燃料电池组(80)的环境空气的空气进气口(70)；以及用于排出由所述燃料电池组(80)产生的排出空气和排出水蒸汽的排气口(72)。

【技术特征摘要】
2017.07.03 US 15/640,9621.一种用于无人驾驶水面交通工具(12)的电力系统(10)，所述电力系统(10)包括：包括燃料电池组(80)的燃料电池(20)，其中所述燃料电池组(80)包括燃料入口(42)、空气入口(60)和排气出口(50)；燃料储存器(34)，其包括流体连接到所述燃料电池组(80)的所述燃料入口(42)的至少一个燃料储存模块(40)，其中所述燃料储存模块(40)为所述燃料电池(20)的能量源；空气管理系统(30)，其流体连接到所述燃料电池(20)的所述空气入口(60)和所述排气出口(50)；以及作为所述空气管理系统(30)的一部分的空气通气管(76)，当所述无人驾驶水面交通工具(12)被部署在水体内时，所述空气通气管(76)提供空气以操作所述燃料电池(20)，其中所述空气通气管(76)包括：用于接收供应给所述燃料电池组(80)的环境空气的空气进气口(70)；以及用于排出由所述燃料电池组(80)产生的排出空气和排出水蒸汽的排气口(72)。2.根据权利要求1所述的电力系统(10)，其中所述空气通气管(76)包括导管(101)、第一空气阀(104)和第二空气阀(106)，并且其中环境空气通过所述空气进气口(70)进入所述导管(101)，所述排出空气和排出水蒸汽通过所述排气口(72)离开所述导管(101)，所述第一空气阀(104)流体连接到所述空气进气口(70)，并且所述第二空气阀(106)流体连接到所述排气口(72)。3.根据权利要求2所述的电力系统(10)，其中所述导管(101)限定集水槽(113、115)，并且所述空气通气管(76)包括流体连接到所述集水槽(113、115)的水泵(122)，并且通过关闭所述第一空气阀(104)和所述第二空气阀(106)并且随后启动所述水泵(122)来移除收集在所述集水槽(113、115)内的水。4.根据权利要求1或2所述的电力系统(10)，其中所述空气通气管(76)包括导管(101)、鼓风机(132)和位于所述鼓风机(132)下游的加热器(134)，其中所述鼓风机(132)在启动时使受迫空气循环遍布所述导管(101)，并且所述加热器(134)升高由所述鼓风机(132)循环的受迫空气的温度。5.根据权利要求1或2所述的电力系统(10)，其中所述空气通气管(76)包括再循环阀(108)和导管(101)，其中所述再循环阀(108)为沿着所述导管(101)定位的可变流量阀，并将进入所述空气进气口(70)的所述环境空气与来自所述排气口(72)的所述排出空气混合。6.根据权利要求5所述的电力系统(10)，其中所述导管(101)流体连接到所述燃料电池组(80)，并且所述再循环阀(108)被打开到完全打开位置或多个可变位置中的一个位置以将所述环境空气的温度升高到目标燃料电池工作温度。7.根据权利要求1或2所述的电力系统(10)，包括与湿度传感器(260)和环境湿度传感器(88)通信的控制模块(92)，其中所述湿度传感器(260)被定位在所述空气通气管(76)的导管(101)内以检测离开所述燃料电池组(80)的空气中的水分，并且所述环境湿度传感器(88)指示环境空气湿度，并且其中所述控制模块(92)与冷凝器(130)和鼓风机(132)通信，并且其中所述控制模块(92)响应于确定所述环境空气湿度超过阈值相对湿度并且所述燃料电池组(80)包含大量的水分而启动所述冷凝器(130)和所述鼓风机(132)。8.根据权利要求1或2所述的电力系统(10)，包括与鼓风机(132)通信的控制模块(92)，其中控制模块(92)启动所述鼓风机(132)以使空气再循环遍布所述通气管(76)的导管(101)，并且其中所述控制模块(92)持续监测由所述鼓风机(132)消耗的电力，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·卡拉莱罗，J·S·威尔克斯，
申请(专利权)人：自动化机器人公司，
类型：发明
国别省市：美国,US