一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置

文档序号:564609 发布日期:2021-05-18 浏览:26次 >En<

阅读说明:本技术 一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置 (Combined power generation device comprising wave power generation part and fuel cell power generation part ) 是由 韩冰峰 程敏 刘振 窦永香 于 2020-12-31 设计创作,主要内容包括:本发明提供一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置,包括介电弹性体波浪能发电部、海水电解部、燃料电池发电部和阻尼板;所述介电弹性体波浪能发电部包括浮漂体、上发电单元、下发电单元和移动轴;所述上发电单元和所述下发电单元均由锥形介电弹性体和扇形电极组成;所述燃料电池发电部包括封装结构、盲端集流板、若干单电池、气口端集流板以及盲端端板和气口端板;所述移动轴下端部、所述海水电解部、所述封装结构和所述阻尼板依次刚性连接;所述海水电解部用于利用所述上发电单元和所述下发电单元产生的电能电解海水为所述燃料电池发电部提供氢气和氧气。本发明的技术方案能够将海洋波浪能转换为电能,具有很高的稳定性。(The invention provides a combined power generation device comprising a wave energy power generation part and a fuel cell power generation part, which comprises a dielectric elastomer wave energy power generation part, a seawater electrolysis part, a fuel cell power generation part and a damping plate, wherein the dielectric elastomer wave energy power generation part is connected with the seawater electrolysis part; the dielectric elastomer wave energy power generation part comprises a float body, an upper power generation unit, a lower power generation unit and a moving shaft; the upper power generation unit and the lower power generation unit are both composed of a conical dielectric elastomer and a sector electrode; the fuel cell power generation part comprises a packaging structure, a blind end current collecting plate, a plurality of monocells, a gas port end current collecting plate, a blind end plate and a gas port end plate; the lower end part of the moving shaft, the seawater electrolysis part, the packaging structure and the damping plate are sequentially and rigidly connected; the seawater electrolysis part is used for electrolyzing seawater by using the electric energy generated by the upper power generation unit and the lower power generation unit to provide hydrogen and oxygen for the fuel cell power generation part. The technical scheme of the invention can convert ocean wave energy into electric energy and has high stability.)

一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置

技术领域

本发明涉及燃料电池和波浪能发电领域,具体而言,尤其涉及一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置。

背景技术

随着社会的发展,能源危机和环境问题日益严重,海洋能蕴藏量巨大,是一种清洁无污染的可再生能源。各国科学家都在研究利用多种组合技术提取海洋的能量,为海洋无线网传感器或小型电子器件提供稳定的能量。例如收集海洋波浪能和海上风能组合而成的风电、波浪能发电机,体积巨大,容易被损毁。又比如利用电磁直线技术和波浪能组合而成的小型发电机,电磁发电效率较低。

介电弹性体因具有优良的机电转换特性且能量密度高、易于成形和不易疲劳损坏等优点,利用介电弹性体收集海洋波浪能的方法越来越受到人们的关注,它也能够用来制作柔软、轻巧、具有高能量转换效率的发电装置。

燃料电池是一种能够将燃料化学能转换为电能的装置,具有较高的能量密度,现正在往海洋领域飞速发展,燃料电池在海洋中应用的限制是氢燃料的供给。

发明内容

研究一种由介电弹性体波浪能装置和燃料电池进行组合发电为海上无线传感网节点或小型电子传感器供能是本领域的急需解决的问题,本发明提供一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置。本发明主要利用介电弹性体波浪能发电部收集波浪能,然后利用波浪能电解海水制氢,进而为燃料电池发电部供氢气来源进行发电。

本发明采用的技术手段如下:

一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置,包括介电弹性体波浪能发电部、海水电解部、燃料电池发电部和阻尼板;

所述介电弹性体波浪能发电部包括浮漂体、上发电单元、下发电单元和移动轴;所述上发电单元和所述下发电单元均由锥形介电弹性体和粘接于所述介电弹性体上的扇形电极组成;所述介电弹性体的底面固定于所述漂浮体的上下两侧;所述移动轴穿过所述介电弹性体和所述漂浮体,且与所述介电弹性体的顶部固定,与所述漂浮体滑动连接;

所述燃料电池发电部包括封装结构、依次封装于所述封装结构内部的盲端集流板、若干单电池、气口端集流板以及通过预紧力压合固定于所述封装结构两端的盲端端板和气口端板,所述盲端端板位于所述盲端集流板一侧,所述气口端板位于所述气口端集流板一侧;所述单电池包括双极板和MEA,若干所述单电池依次串联;

所述移动轴下端部、所述海水电解部、所述封装结构和所述阻尼板依次刚性连接;

所述上发电单元和所述下发电单元分别与所述海水电解部电连接,所述海水电解部用于利用所述上发电单元和所述下发电单元产生的电能电解海水为所述燃料电池发电部提供氢气和氧气。

进一步地,所述盲端端板和所述气口端板通过螺栓固定于所述封装结构两侧。

进一步地,所述封装结构为圆柱形封装结构,所述盲端集流板、所述双极板、所述MEA、所述气口端集流板、所述盲端端板和所述气口端板均为圆形。

进一步地,所述海水电解部包括电解槽、氢气收集器和氧气收集器;所述上发电单元和所述下发电单元通过桥式整流电路为所述电解槽提供直流电电解海水产生氢气和氧气;所述氢气收集器和所述氧气收集器分别用于存储所述电解槽产生的氢气和氧气并为所述燃料电池发电部提供氢气和氧气。

进一步地,所述扇形电极包括上电极和下电极;所述下电极和所述上电极分别通过导电胶粘在所述介电弹性体内外两侧。

较现有技术相比,本发明具有以下优点:

本发明提供的包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置,能够将海洋波浪能转换为电能,组合发电装置具有很高的稳定性,能够为海洋无线传感网节点和小型电子设备提供充足的能源。

基于上述理由本发明可在波浪能发电领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述包括介电弹性体波浪能装置及燃料电池组合发电装置结构示意图。

图2为本发明所述发电单元结构示意图。

图3为本发明所述燃料电池发电部结构示意图。

图4为本发明所述海水电解部工作原理示意图。

图5为本发明实施例2所述双极板结构示意图。

图中:1、移动轴;2、上发电单元;3、浮漂体;4、下发电单元;5、燃料电池发电部;6、阻尼板;7、盲端端板;8、盲端集流板;9、MEA;10、双极板;11、气口端集流板;12、气口端板;13、封装结构;14、海水电解部;15、直流电源;16、电解槽;17、阴极;18、阳极;19、氧气收集器;20、氢气收集器;21、上电极;22、下电极;23、介电弹性体;101、冷却腔入口;102、氧腔出口Ⅰ;103、氢腔入口;104、氧腔出口Ⅱ;105、冷却腔出口;106、氧腔入口Ⅱ;107、氢腔出口;108、氧腔入口Ⅰ。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当清楚,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任向具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制:方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-3所示,本发明提供了一种包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置,包括介电弹性体波浪能发电部、海水电解部14、燃料电池发电部5和阻尼板6;

所述介电弹性体波浪能发电部包括浮漂体3、上发电单元2、下发电单元4和移动轴1;所述上发电单元2和所述下发电单元4均由锥形介电弹性体23和粘接于所述介电弹性体23上的扇形电极组成;所述介电弹性体23的底面固定于所述漂浮体3的上下两侧;所述移动轴1穿过所述介电弹性体23和所述漂浮体3,且与所述介电弹性体23的顶部固定,与所述漂浮体3滑动连接;

所述燃料电池发电部5包括封装结构13、依次封装于所述封装结构内部的盲端集流板8、若干单电池、气口端集流板11以及通过预紧力压合固定于所述封装结构13两端的盲端端板7和气口端板12,所述盲端端板7位于所述盲端集流板8一侧,所述气口端板12位于所述气口端集流板11一侧;所述单电池包括双极板10和MEA9,若干所述单电池依次串联;

所述移动轴1下端部、所述海水电解部14、所述封装结构13和所述阻尼板6依次刚性连接;

所述上发电单元2和所述下发电单元4分别与所述海水电解部14电连接,所述海水电解部14用于利用所述上发电单元2和所述下发电单元4产生的电能电解海水为所述燃料电池发电部5提供氢气和氧气。

进一步地,所述盲端端板7和所述气口端板12通过螺栓固定于所述封装结构13两侧。

进一步地,所述海水电解部14包括电解槽16、氢气收集器20和氧气收集器19;所述上发电单元2和所述下发电单元4通过桥式整流电路为所述电解槽16提供直流电电解海水产生氢气和氧气;所述氢气收集器20和所述氧气收集器19分别用于存储所述电解槽16产生的氢气和氧气并为所述燃料电池发电部5提供氢气和氧气。

进一步地,所述扇形电极为柔性电极,包括上电极21和下电极22;所述下电极22和所述上电极21分别通过导电胶粘在所述介电弹性体23内外两侧。

进一步地,所述上发电单元2和所述下发电单元4外表面通过覆盖一层绝缘膜或者包覆柔性绝缘材料进行密封,防止漏电。

在海水阻尼力作用下,介电弹性体23在力作用下,有微小的变形,所以移动轴1相对浮漂体3也会产生微量的变形,进而可以在浮漂体3内上下移动,由于移动轴1、海水电解部14、封装结构13和阻尼板6刚性连接在一起,因此阻尼板6和浮漂体3产生了相对位移。上、下发电单元的锥形介电弹性体23相当于两个弹簧,起到平衡装置的作用,维持阻尼板5和浮漂体3的相对平衡,同时,锥形介电弹性体23不断被拉伸和压缩,柔性电极不断产生电流,在外置电压作用下,介电弹性体23不断将海洋动能转换为电能;本发明所述介电弹性体波浪能发电部,利用波浪作用力直接作用在锥形介电弹性体23上,与现有技术中利用波浪相互作用力,先转换成气体的压缩内能,然后利用气体推动介电发电机单元上的方案相比,从能量转换效率来讲,直接转换效率优于间接转换的效率,从发电单元的结构上来讲,本发明的发电单元既充当能量产生模块,又充当了弹性单元,协调波浪能装置能在平衡位置往复运动;

所述上发电单元2和所述下发电单元4产生的交流电经过桥式整流电路转变为直流电,作为所述海水电解部14电解水的直流电源15,利用导线将装有海水的所述电解槽16中的阴极17、阳极18与直流电源15相连,水被电解后,阳极18产生氢气,阴极17产生氧气,利用所述氢气收集器20和所述氧气收集器19将电解水产生的氢气和氧气分别存储,为所述燃料电池发电部5提供反应气体;

所述燃料电池发电部5能够将氢气和氧气的化学能转换成电能,通过控制所述氢气收集器20和所述氧气收集器19,保持氢气和氧气稳定供给,所述燃料电池发电部5能够稳定输出电能。

采用本发明提供的包括波浪能发电部及燃料电池发电部的组合发电装置,能够将海洋波浪能转换为电能,所述组合发电装置具有很高的稳定性,能够为海洋无线传感网节点和小型电子设备提供充足的能源。

实施例2

在实施例1的基础上,本实施例中,所述封装结构13为圆柱形封装结构,所述盲端集流板8、所述双极板10、所述MEA9、所述气口端集流板11、所述盲端端板7和所述气口端板12均为圆形。

进一步地,所述双极板10的外沿部分具有轴向贯穿所述双极板10的一组氢腔入口103和氢腔出口107、至少一组氧腔入口和氧腔出口、一组冷却腔入口101和冷却腔出口105,且每组中的入口和出口均围绕所述双极板10的轴心中心对称设置;所述双极板10包括贴合固定在一起的氧单极板和氢单极板;

所述氢单极板远离所述氧单极板的一侧具有设置在所述氢单极板中部的氢流场,且所述氢流场分别与所述氢腔入口103和所述氢腔出口107连通;

所述氧单极板远离所述氢单极板的一侧具有设置在所述氧单极板中部的氧流场,且所述氧流场分别与所述氧腔入口和所述氧腔出口连通;

所述氧单极板靠近所述氢单极板的一侧具有设置在所述氧气单极板中部的冷却剂流场,且所述冷却剂流场分别与所述冷却腔入口101和所述冷却腔出口105连通;

所述气口端板12和所述MEA9均设置有分别与所述氢腔入口103、所述氢腔出口107、所述氧腔入口、所述氧腔出口、所述冷却腔入口101和所述冷却腔出口105相对应的开口,用于实现氢气、氧气和冷却剂的供给和输出。

进一步地,包括两组所述氧腔入口和所述氧腔出口,分别为氧腔入口Ⅰ108、氧腔出口Ⅰ102、氧腔入口Ⅱ106和氧腔出口Ⅱ104,且两个所述氧腔入口通过外部管路连通,两个所述氧腔出口通过外部管路连通。

进一步地,所述氢单极板和所述氧单极板通过胶水粘接固定。

进一步地,所述盲端端板7和所述封装结构13采用绝缘材料制成。

进一步地,所述盲端集流板8和所述气口端集流板11均采用纯铜材料制成。

进一步地,所述双极板10、所述MEA9、所述气口端集流板11和所述气口端板12均设置有定位孔,且通过插入所述定位孔的圆轴进行轴向定位。

进一步地,其中一个所述氧腔出口设置在所述冷却腔入口与所述氢腔入口之间,另一个所述氧腔出口设置在所述氢腔入口与所述冷却腔出口之间。

进一步地,所述氢流场、所述氧流场和所述冷却剂流场均为直流场。

进一步地,所述氢气流场、所述氧气流场和所述冷却剂流场均包括圆形凹槽和固定在所述圆形凹槽内的多个平行设置的肋板,相临两个肋板之间形成直流道。

进一步地,所述氢单极板和氧单极板采用机加或者模压石墨板制造而成。

进一步地,所述氢流场内流通的介质为氢气,所述氧流场内流通的介质为空气或氧气,所述冷却剂流场内流通的介质为去离子水。

本实施例所述的燃料电池发电部5,其长度可根据需要改变单电池节数及圆形封装结构长度进行设定;设2节燃料电池棒的长度为a,单节燃料电池棒内所述双极板10厚度为b,所述MEA4厚度为c,那么n节燃料电池的长度为a+(b+c)(n-2),同时所述圆形封装结构的长度尺寸也要相应增加。

进一步地,所述盲端端板7可通过螺栓与所述封装结构13相连,连接螺栓的个数是可以是4个或8个等,连接的形式不限于螺栓连接,也可以通过焊接实现二者刚性连接。

进一步地,所述气口端集流板11和所述MEA9的开口大小、形状与所述双极板10上的开口的大小、形状一一对应且完全一致。

进一步地,所述双极板10上的开口可根据流场情况,将气体进出口通道更改位置或数量,不限于本实施例将所述双极板10的氧腔流场设置为2个入口和2个出口的布局方式。

本实施例提供的所述燃料电池发电部的整体结构紧凑,提高了装置的空间利用率。

最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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