深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统及操作方法技术方案

一种深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统及操作方法，包括液氧储罐，所述液氧储罐的出口端通过管路连接液氧汽化器，所述液氧汽化器上设置有两个出口端，一个出口端通过回流管与液氧储罐连接，所述回流管上安装有增压阀，另一个出口端通过管路依次串联有第一止回阀、氧气缓冲罐、第一电动控制阀、第一稳压阀和氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池的氧气尾气出口通过管路依次串联有氧气电磁排放阀、水分离装置、排水阀和储水罐，其中水分离装置的底部还串联有第二止回阀和文丘里管，所述文丘里管通过管路直接与液氧汽化器连通，所述文丘里管还通过管路依次串联第二稳压阀、第二电动控制阀和杜瓦罐，所述杜瓦罐与液氧汽化器连通，工作可靠。工作可靠。工作可靠。

【技术实现步骤摘要】
深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统及操作方法


[0001]本专利技术涉及深海潜器安全保障系统
，尤其是一种深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统及操作方法。

技术介绍

[0002]地球上约71％面积为海洋，90％海洋中的深度大于1000米。深海潜器是进入深海、探测海洋和开发深海的重要工具之一，对建设海洋强国具有重要战略意义。在大潜深环境下，深海潜器需采用不依赖空气推进的动力系统(AIP系统)，以满足水下长航时、大工作范围的工作要求。因此，开发了四类深海潜器原动机AIP，分别是燃料电池AIP、热气机AIP、闭式循环柴油机AIP和闭式循环汽轮机AIP。
[0003]燃料电池AIP由于高能量转换效率、低噪声、无废物排放和清洁等优点，成为深海潜器最先进的原动机。在燃料电池AIP中，燃料电池为能量转换器件，是氢气和氧气的反应场所。氢气为燃料，液氧为氧化剂，分别储存在氢气存储装置和液氧储罐中。在燃料电池工作时，氢气和氧气被输运至燃料电池内部发生电化学反应，产生电能的同时生成产物水。
[0004]燃料电池在运行时，由于燃料电池本体特性和氧气中存在杂质等原因，氧气利用率无法达到100％，燃料电池阴极侧排放口需要定时开启，排放出氧气尾气。氧气尾气为一定温度和湿度的混合气体，成分主要含有氧气、水分和碳氧化物等其他气体杂质。
[0005]燃料电池工作场合通常为无人密闭舱室环境，舱室内空间狭小，设备配置复杂，舱压和氧气浓度等环境要求高。因此，若燃料电池工作时排放的氧气尾气不加处理，直接排放至密闭舱室内，舱室内氧气浓度和舱室压力升高，超过环境要求规定值。舱室氧气浓度升高后，氧气为强氧化剂，若氧气与舱室内氢气等可燃气体混合在一起，在遇明火或电火花情况下，舱内内部将会引发燃烧和爆炸危险，对潜器安全性造成隐患。在狭小舱室内，舱室压力快速升高，对压力要求的舱内设备将会被损坏。
[0006]现有技术通常使用以下方式来消除氧气尾气：
[0007](1)、物理吸附和化学吸附等方式来消除氧气，需要配置额外的干燥器、除氧器等设备，来吸附氧气。如采用干燥器中装填五氧化二磷吸附水分，除氧器中装填活性金属材料与氧气发生氧化反应吸附氧气。但燃料电池氧气尾气成分复杂，在狭小舱室空间内存在配置设备复杂、活性金属材料易被毒化失效、氧气瞬间吸附量小等弊端。
[0008](2)、采用空压机压缩氧气尾气，需要在配置空压机、空分设备、氧气瓶等设备。如专利CN111346322A提出一种水下无人密闭舱室的氧气安全性系统，使用氧浓度传感器检测舱室氧气浓度超标后，空压机启动抽取舱室空气，分子筛制氧机分离空气中氧气，高压氧气瓶组收集压缩后的氧气。该专利存在以下弊端：在舱室空间有限条件下，需要配置复杂的空压机等多个设备，空压机和分子筛制氧机耗电量高，浪费潜器携带的有限电能，无法消除氧气尾气中存在的碳氧化物等气体杂质。

技术实现思路

[0009]本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统及操作方法，从而综合利用深海潜器燃料电池中液氧的工作特点和燃料电池氧气尾气的排放特点，采用技术成熟、可循环使用的杜瓦罐作为氧气尾气存储设备，利用杜瓦罐中预先存储的少量高压气氧对燃料电池氧气尾气进行引射和吹扫夹带，形成一定压力的稳定流量氧气尾气气流。
[0010]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0011]一种深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，包括液氧储罐，所述液氧储罐的出口端通过管路连接液氧汽化器，所述液氧汽化器上设置有两个出口端，一个出口端通过回流管与液氧储罐连接，所述回流管上安装有增压阀，另一个出口端通过管路依次串联有第一止回阀、氧气缓冲罐、第一电动控制阀、第一稳压阀和氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池的氧气尾气出口通过管路依次串联有氧气电磁排放阀、水分离装置、排水阀和储水罐，其中水分离装置的底部还串联有第二止回阀和文丘里管，所述文丘里管通过管路直接与液氧汽化器连通，所述文丘里管还通过管路依次串联第二稳压阀、第二电动控制阀和杜瓦罐，所述杜瓦罐与液氧汽化器连通。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进：
[0013]所述液氧汽化器将液氧储罐中的液氧气化成气态氧气。
[0014]所述第一止回阀和第二止回阀均为单向阀。
[0015]所述氧气缓冲罐为双开口不锈钢压力容器，氧气缓冲罐内缓存气态氧气。
[0016]所述氢氧燃料电池是燃料电池AIP的原动机。
[0017]所述杜瓦罐与液氧汽化器之间的管路上安装有液氧增压泵。
[0018]所述文丘里管的出口处安装有高速喷嘴，所述高速喷嘴与第二稳压阀连通。
[0019]一种利用权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统的操作方法，包括如下操作步骤：
[0020](一)燃料电池AIP工作过程：
[0021]深海潜器在水下航行或作业时，燃料电池AIP系统开始工作，来自储氢装置中的氢气和液氧罐中的氧气经预处理，形成氢气与氧气，分别被输送至氢氧燃料电池的阳极侧和阴极侧，进入电池内部发生电化学反应，输出电能供潜器使用，燃料电池工作过程中，氢氧燃料电池阴极侧尾排出口产生氧气尾气排出；
[0022](二)液氧汽化成气氧过程：
[0023]燃料电池AIP系统启动，储存在液氧储罐中的超低温液氧经液氧汽化器气化形成气态氧气，液氧汽化器中形成的气态氧气分成两路，一路气态氧气流向自增压管路，经增压阀进入液氧储罐，对液氧储罐内的压力进行增压和控制，另一路气态氧气经第一止回阀进入氧气缓冲罐，经第一电动控制阀和第一稳压阀，进入氢氧燃料电池阴极侧内部，发生电化学反应；
[0024](三)氧气尾气生成与回收过程：
[0025]在氢氧燃料电池连续工作后，氢氧燃料电池阴极侧尾排出口的氧气电磁排放阀定时开启和闭合，排出的氧气尾气进入水分离装置完成汽水分离，分离成液态水和气态氧气尾气，水分离装置中水蒸汽冷凝成水，经水分离装置下方出口排水阀进入储水罐存储；
[0026]气态氧气尾气经水分离装置上方出口流经第二止回阀进入文丘里管低压入口，在文丘里管高压入口的高速喷嘴中高压氧气的引射作用下，形成稳定流量气态氧气进入液氧汽化器，吸收超低温液氧释放的冷量，形成液氧，在液氧增压泵加压作用下，进入杜瓦罐中存储，文丘里管高压入口的高压氧气来自于杜瓦罐；
[0027](四)液氧罐冷量回收再利用过程：
[0028]液氧储罐中的超低温液氧经液氧汽化器气化形成气态氧气，释放出大量冷量，同时，文丘里管负压出口的气氧和氧气尾气混合物进入液氧汽化器，吸收液氧释放的冷量，发生降温、液化。
[0029]本专利技术的有益效果如下：
[0030]本专利技术结构紧凑、合理，操作方便，通过综合利用深海潜器燃料电池中液氧的工作特点和燃料电池氧气尾气的排放特点，采用技术成熟、可循环使用的杜瓦罐作为氧气尾气存储设备，利用杜瓦罐中预先存储的少量高压气氧对燃料电池氧气尾气进行引射和吹扫夹带，形成一定压力的稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：包括液氧储罐(1)，所述液氧储罐(1)的出口端通过管路连接液氧汽化器(2)，所述液氧汽化器(2)上设置有两个出口端，一个出口端通过回流管与液氧储罐(1)连接，所述回流管上安装有增压阀(3)，另一个出口端通过管路依次串联有第一止回阀(4)、氧气缓冲罐(5)、第一电动控制阀(6)、第一稳压阀(7)和氢氧燃料电池(8)，所述氢氧燃料电池(8)的氧气尾气出口通过管路依次串联有氧气电磁排放阀(9)、水分离装置(10)、排水阀(11)和储水罐(12)，其中水分离装置(10)的底部还串联有第二止回阀(13)和文丘里管(14)，所述文丘里管(14)通过管路直接与液氧汽化器(2)连通，所述文丘里管(14)还通过管路依次串联第二稳压阀(19)、第二电动控制阀(18)和杜瓦罐(17)，所述杜瓦罐(17)与液氧汽化器(2)连通。2.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述液氧汽化器(2)将液氧储罐(1)中的液氧气化成气态氧气。3.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述第一止回阀(4)和第二止回阀(13)均为单向阀。4.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述氧气缓冲罐(5)为双开口不锈钢压力容器，氧气缓冲罐(5)内缓存气态氧气。5.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述氢氧燃料电池(8)是燃料电池AIP的原动机。6.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述杜瓦罐(17)与液氧汽化器(2)之间的管路上安装有液氧增压泵(16)。7.如权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气液化自回收系统，其特征在于：所述文丘里管(14)的出口处安装有高速喷嘴(15)，所述高速喷嘴(15)与第二稳压阀(19)连通。8.一种利用权利要求1所述的深海潜器用燃料电池氧气尾气...

【专利技术属性】
技术研发人员：招聪，徐纪伟，潘琼文，李彬彬，谢仁和，王孙清，于朝，孔昕，郑恒持，张炜，
申请(专利权)人：深海技术科学太湖实验室，
类型：发明
国别省市：