針對利用燃料電池的水下交通工具的熱回收和溫度控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及水下交通工具的領(lǐng)域，并且更具體地，涉及利用固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電的水下交通工具。
【背景技術(shù)】
[0002]水下交通工具(例如，無人潛水器(UUV))有時(shí)利用燃料電池發(fā)電。燃料電池的一個(gè)實(shí)例是固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC通過將燃料和氧化劑電化學(xué)轉(zhuǎn)換為電和熱來運(yùn)作。典型的SOFC在650-850攝氏溫度之間運(yùn)作，并且轉(zhuǎn)換過程是發(fā)熱的。這會產(chǎn)生大量廢熱，而廢熱在UUV中是成問題的。通常，使用冷卻回路從UUV中去除廢熱，冷卻回路將熱轉(zhuǎn)移到UUV周圍的水中。
[0003]對于SOFC本身的溫度控制，利用陰極鼓風(fēng)機(jī)既將氧氣提供到SOFC的陰極又為SOFC提供冷卻。當(dāng)SOFC的溫度上升至接近運(yùn)作范圍的上端時(shí)，增大陰極鼓風(fēng)機(jī)的速度以為SOFC提供額外的冷卻。然而，陰極鼓風(fēng)機(jī)會利用來自SOFC的大量附加電力進(jìn)行冷卻活動，這減少了可用于UUV的電力。例如，當(dāng)陰極鼓風(fēng)機(jī)以最大流速運(yùn)作時(shí)，陰極鼓風(fēng)機(jī)可利用多達(dá)從SOFC產(chǎn)生的總電力的20%。該最大流速常常比在SOFC氧化燃料所需的流速高很多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本文中所描述的實(shí)施方式利用斯特林發(fā)動機(jī)來針對水下交通工具提供SOFC的熱回收和溫度控制。斯特林發(fā)動機(jī)利用溫差產(chǎn)生有用功，然后有用功可用于交通工具中以增強(qiáng)SOFC的發(fā)電能力。此外，斯特林發(fā)動機(jī)在SOFC中作為能夠控制SOFC的溫度的可變散熱片進(jìn)行工作。例如，通過增大斯特林發(fā)動機(jī)兩端的溫差，能夠在不求助于高陰極鼓風(fēng)機(jī)流速的情況下控制SOFC的溫度。這通過減少陰極鼓風(fēng)機(jī)的附加損失而提高了系統(tǒng)效率。
[0005]—個(gè)實(shí)施方式是一種被配置為浸入水中的交通工具。該交通工具包括具有陰極入口、陰極出口、陽極入口、以及陽極出口的S0FC。該交通工具還包括圍繞SOFC的隔熱箱。該交通工具還包括冷卻回路，該冷卻回路包括熱交換器和冷卻栗。該熱交換器將冷卻回路熱耦接至水。該交通工具還包括斯特林發(fā)動機(jī)，該斯特林發(fā)動機(jī)具有熱耦接至隔熱箱內(nèi)部的第一端和熱耦接至冷卻回路的第二端。冷卻栗被配置為基于栗控制信號改變斯特林發(fā)動機(jī)的第二端的散熱速率。該交通工具還包括熱管理控制器，其被配置為監(jiān)測SOFC的陰極出口的溫度，并改變栗控制信號以將SOFC的陰極出口的溫度保持在溫度范圍內(nèi)。
[0006]另一個(gè)實(shí)施方式是一種被配置為浸入水中的交通工具。該交通工具包括具有陰極入口、陰極出口、陽極入口、以及陽極出口的S0FC。該交通工具還包括圍繞SOFC的隔熱箱。該交通工具還包括具有出口和入口的陰極鼓風(fēng)機(jī)。將陰極鼓風(fēng)機(jī)的入口耦接至SOFC的陰極出口。陰極鼓風(fēng)機(jī)被配置為基于陰極鼓風(fēng)機(jī)控制信號改變提供至SOFC的冷卻速率。交通工具還包括斯特林發(fā)動機(jī)，其具有熱耦接至隔熱箱內(nèi)部的第一端以及將陰極鼓風(fēng)機(jī)的出口耦接到SOFC的陰極入口的第二端。陰極鼓風(fēng)機(jī)被配置為基于陰極鼓風(fēng)機(jī)信號改變斯特林發(fā)動機(jī)的第二端的散熱速率。交通工具還包括熱管理控制器，其被配置為監(jiān)測SOFC的陰極出口的溫度并改變陰極鼓風(fēng)機(jī)控制信號以將SOFC的陰極出口的溫度保持在溫度范圍內(nèi)。
[0007]另一個(gè)實(shí)施方式是利用斯特林發(fā)動機(jī)控制SOFC的溫度的方法。該方法包括監(jiān)測SOFC的陰極出口的溫度，其中SOFC由熱耦接至斯特林發(fā)動機(jī)的第一端的隔熱箱包圍。方法進(jìn)一步包括改變斯特林發(fā)動機(jī)的第二端的散熱速率，以將SOFC的陰極出口的溫度維持在溫度范圍內(nèi)。
[0008]以上
【發(fā)明內(nèi)容】
提供說明書一些方面的基本了解。該
【發(fā)明內(nèi)容】
不是說明書的詳盡概述。旨在既不確定說明書的主要或關(guān)鍵要素，也不描繪說明書【具體實(shí)施方式】的任何范圍、或權(quán)利要求的任何范圍。唯一的目的是以簡化形式呈現(xiàn)說明書的一些概念作為隨后呈現(xiàn)更詳細(xì)的說明的前序。
【附圖說明】
[0009]現(xiàn)參照附圖僅僅以實(shí)例的方式來描述一些實(shí)施方式。在所有附圖上，相同的參考標(biāo)號表示相同的元件或相同類型的元件。
[0010]圖1示出在示例性實(shí)施方式中利用斯特林發(fā)動機(jī)用以對SOFC進(jìn)行熱回收和溫度控制的水下交通工具。
[0011]圖2是在示例性實(shí)施方式中利用斯特林發(fā)動機(jī)用以對SOFC進(jìn)行熱回收和溫度控制的水下交通工具的框圖。
[0012]圖3是在示例性實(shí)施方式中在陽極鼓風(fēng)機(jī)回路中利用斯特林發(fā)動機(jī)對SOFC進(jìn)行熱回收和溫度控制的水下交通工具的框圖。
[0013]圖4是在示例性實(shí)施方式中在陰極鼓風(fēng)機(jī)回路中利用斯特林發(fā)動機(jī)對SOFC進(jìn)行熱回收和溫度控制的水下交通工具的框圖。
[0014]圖5是在示例性實(shí)施方式中利用斯特林發(fā)動機(jī)控制SOFC的溫度的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]附圖及以下說明書示出具體示例性實(shí)施方式。因此將理解，盡管本文中沒有明確描述或示出，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)體現(xiàn)實(shí)施方式和包括實(shí)施方式的范圍內(nèi)的原理的各種配置。此外，在本文中所描述的任何實(shí)例旨在幫助理解實(shí)施方式的原理，并解釋為不限于這種特別陳述的實(shí)例和條件。因此，本發(fā)明構(gòu)思不限于如下所述的【具體實(shí)施方式】或?qū)嵗?，而是由?quán)利要求和他們的等同物來限定。
[0016]圖1示出在示例性實(shí)施方式中利用斯特林發(fā)動機(jī)用以對SOFC進(jìn)行熱回收和溫度控制的水下交通工具100。在這個(gè)實(shí)施方式中，交通工具100被描述為無人潛水器(UUV)，但是在其他實(shí)施方式中，交通工具100可以是能夠浸在水下并利用SOFC燃料電池發(fā)電的任何類型的交通工具。
[0017]在這個(gè)實(shí)施方式中，交通工具100是利用機(jī)載能源的潛水器，該機(jī)載能源允許交通工具100在不浮出水面的情況下運(yùn)作一長時(shí)間段。通常，潛水器利用核能源或電池為交通工具提供電力。然而，在這個(gè)實(shí)施方式中，交通工具100利用機(jī)上燃料電池(例如，S0FC)，該機(jī)上燃料電池供應(yīng)有本地存儲的燃料(例如，烴類燃料)和本地存儲的氧化劑(例如，氧氣)以允許在不浮出水面的情況下長時(shí)間進(jìn)行水下任務(wù)。
[0018]由于燃料在SOFC內(nèi)的放熱氧化使得SOFC產(chǎn)生大量廢熱，這些廢熱通常通過將廢熱轉(zhuǎn)移到交通工具工作所在的水中而被去除。此外，SOFC需要冷卻以防止SOFC超過其最高運(yùn)行溫度。通常通過使SOFC的陰極鼓風(fēng)機(jī)以比SOFC的燃料氧化速率所需的速率高的速率運(yùn)作來進(jìn)行該冷卻。這增大了系統(tǒng)中的附加電力損耗并降低效率。在本文中所描述的實(shí)施方式中，交通工具100組合使用SOFC與斯特林發(fā)動機(jī)來回收由SOFC產(chǎn)生的一些廢熱同時(shí)也控制SOFC的溫度。這允許陰極鼓風(fēng)機(jī)以更低的速度運(yùn)行，這減少了系統(tǒng)附加損耗并提高效率。而且，在一些實(shí)施方式中，斯特林發(fā)動機(jī)可使用回收的廢熱旋轉(zhuǎn)發(fā)電器頭，這會通過SOFC增加發(fā)電量。這允許交通工具100在不再加燃料的情況下長時(shí)間地運(yùn)行。
[0019]圖2是在示例性實(shí)施方式中利用斯特林發(fā)動機(jī)222用以對SOFC 202進(jìn)行熱回收和溫度控制的交通工具100的框圖200?？驁D200是SOFC 2