CN103328321A - 具有电解装置的漂浮的或潜水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种漂浮的或潜水的装置（1）、特别是水上船只或水下船只，具有燃料电池（10），用于为装置（1）的船上的耗电件（11，13）产生电能，其中，燃料电池能够利用氢气作为燃料运行，该装置根据本发明具有电解装置（20），用于在使用电能的情况下通过电解水为燃料电池（10）产生氢气，以及具有氢气存储装置（21），用于在氢气输送给燃料电池（10）之前存储由电解装置（20）产生的该氢气。由此也在不依赖于外部空气的运行条件下，能够直接在漂浮的或潜水的装置的船上为燃料电池无排放且噪音小地供应氢气，当有需要的时候也供应氧气，其中，空间需求小。

Description

具有电解装置的漂浮的或潜水装置

技术领域

本发明涉及一种漂浮的或潜水的装置、特别是水上或水下船只，具有用于为装置的船上的耗电件产生电能的燃料电池，其中，燃料电池能够利用氢气作为燃料运行；例如由WO2005/073077A2中已知这种类型的漂浮的或潜水的装置。

背景技术

燃料电池能实现无排放并且噪声小地产生电能。基于这些优点，燃料电池越来越多地用到漂浮的或潜水的装置中，用于为漂浮的或潜水的装置的船上的耗电件产生电能。这种类型的漂浮的或潜水的装置的实例有水上船只、水下船只（潜水艇）、UMV（无人潜水艇）或海上平台。耗电件例如是推进驱动装置、泵、照明装置、空调设施、航海和操作导引仪器以及所配属的自动化和控制组件。作为燃料电池例如使用PEM、MCFC、MDFC、SOFC或碱性燃料电池。

于是，例如已经有许多现代潜水艇具有不依赖于外部空气的驱动装置，在该驱动装置中，燃料电池连同蓄电池在潜水航行时为潜水艇的电推进驱动装置以及潜水艇的船上所有的其它耗电件提供电能。但是，在浮潜行驶或在浮出状态下时是通过柴油发电机提供能量。例如由WO2005/073077A2中已知这种潜水艇。燃料电池在此通常利用技术上纯的氢气作为燃料和技术上纯的氧气作为氧化剂运行。氢气和氧气为此存储在潜水艇的船上或外壳上的特殊罐子中。

此外，例如由WO2004/026685A2中已知例如像驱逐舰那样的海军水上船只，其具有靠空气运行的燃料电池，这些燃料电池在船只的特殊的使用状态下（例如无排放的推进驱动装置中）为包括船载的推进驱动装置在内的耗电件提供电能。此外，还已知许多水上船只，其具有燃料电池作为船载耗电件的辅助供电装置（APU-Auxiliary Power Unit）。在这些情况下，燃料电池通常利用技术上纯的氢气作为燃料电池并且利用空气作为氧化剂运行。氢气为此存储在船载的特殊罐子中。

如果漂浮的或潜水的装置的船上的氢气储备和可能存在的氧气储备用光了，那么就必须从漂浮的或潜水的装置的外部对其进行更新。这例如可以在港口或者通过供应船实现。

特别是氢气，可替换地也可以直接在船上在转化装置的帮助下由柴油燃料、甲醇、乙醇或天然气产生。这种解决方案例如由EP1354387B1中已知。然而，这会造成较大的技术上的耗费，并且必须在漂浮的或潜水的装置的船上同时携带用于转化装置的运行材料，该运行材料同样可能用光。此外，通过转化装置还会产生排放物。

发明内容

因此，本发明的目的是，在具有用于为装置的船上的耗电件产生电能的燃料电池的漂浮的或潜水的装置中，直接在的或潜水的装置的船上为燃料电池无排放且噪音小地提供氢气，当有需要的时候也提供氢气，其中，即使在不依赖于外部空气的运行条件下并且空间需求很小的情况下，这也应该是可能的。

该目的的解决方案通过具有权利要求1所述特征的漂浮的或潜水的装置得以实现。漂浮的或潜水的装置的有利的设计方案分别是从属权利要求的对象。

根据本发明的漂浮的或潜水的装置具有用于在使用电能的情况下通过电解水为燃料电池产生氢气的电解装置，以及具有用于在氢气输送给燃料电池之前存储由电解装置产生的氢气的氢气存储装置。

电解装置是一种在电流的帮助下将水分解为氢气和氧气的装置。电解装置通常由多个串联电连接的电解槽构成，这些电解槽分别由阳极和阴极构成。在碱性电解槽的情况下，在阳极和阴极之间存在电解质，通常是苛性钾溶液，并且存在不透气的膜片。在PEM电解槽的情况下，在阳极和阴极之间存在聚合物电解质膜片（Polymer-Elektrolyt-Membran）。

电解装置工作时无噪音并且无排放。电解装置在其运行时只需要电流和水，电流和水在漂浮的或潜水的装置的船上通常已经为了其它目的而存在，或者作为副产品产生。水也由燃料电池作为反应物产生。此外，对于电解装置运行而言氢气也可以通过加工处理从河水或海水中获得，并且因此在世界范围内原则上是无限制供应的。电解装置在这里产生技术上纯的氢气和氧气，其具有高的能量密度。因此为了制造氢气只需要较少的附加设备消耗和空间需求。还很重要的是，电解装置在其运行时不需要外部空气，所以其即使在漂浮的或潜水的装置不依赖于外部空气运行时也能够运行。电解装置在此也可以具有由多个分别带有多个电解槽的单个模块构成的模块式构造，其中，这些模块在输入端一侧串联和/或并联电连接。

由于存在氢气存储装置，氢气的制造在时间上可以与燃料电池的氢气消耗脱离关系，也就是说例如可以在漂浮的或潜水的装置的船上存在过多的电能用于电解装置的运行时制造氢气，并且不必在电解槽中同时消耗氢气。

如果燃料电池利用纯的氧气或者利用富氧空气运行，那么漂浮的或潜水的装置有利地附加地还具有氧气存储装置，其用于在氧气输送给燃料电池之前存储由电解装置产生的氧气。由此也可以让氧气制造在时间上与通过燃料电池的氧气消耗脱离关系。

根据另一种有利的设计方案，漂浮的或潜水的装置具有用于存储用于电解装置的水的水存储装置。在水存储装置中可以在不依赖于电解装置实时消耗水的情况下临时存储由其它的子流程（例如由燃料电池）产生的水或经过处理的河水或海水，并且然后在有需要时提供给电解装置。

在此，燃料电池能够与水存储装置连接，用于将燃料电池的产物水输送给水存储装置。

为了减少氢气存储装置和/或氧气存储装置的空间需求，可以存在压缩机和/或冷却装置，用于在氢气和/或氧气输送给氢气存储装置或氧气存储装置之前压缩和/或液化该氢气和/或氧气。为了为电解装置产生电能，漂浮的或潜水的装置可以具有由驱动机器驱动的发电机。驱动机器例如可以是内燃发动机（例如柴油机或燃气涡轮机）、蒸汽涡轮机或废气涡轮机。根据一种特别有利的设计方案，蒸汽涡轮机或废气涡轮机是废热利用系统的涡轮机（waste heat recovery system）。

优选地，发电机不仅用于为电解装置，而是还为漂浮的或潜水的装置的船上的其它耗电件提供电能，并且为此能够或者已经与这些耗电件连接。

有利地，发电机通过整流器与电解装置连接。在此优选地能够这样控制整流器，即，在由发电机产生的交流电压有不同的高度和频率时，该整流器按需求也提供给电解装置用于运行电解装置的、必要的直流电压。

由此可以使用商业上通用的电解装置，其在输入端一侧不必特别地适应发电机。

为了灵活地并且按需求给电解装置和漂浮的或潜水的装置的船上的其它耗电件供电，发电机、燃料电池、电解装置和耗电件优选地连接在共同的电网上。

电网在此有利地包括直流电网，电解装置在输入端一侧能够与直流电网连接。由此能够确保电解装置特别不出故障地运行。蓄电池也可以与发电机并联连接。由此可以将漂浮的或潜水的装置的船上的过多的电能特别灵活地临时存储在不同的能量存储装置中，并且在发电机不能供使用时提供给耗电件使用。

根据一种特别有利的设计方案，通过控制和/或调节装置能控制和/或调节电解装置的能耗。于是能耗就能够最佳地适应在特定时间点为电解装置提供的电能。

优选地控制和/或调节装置设置用于这样控制和/或调节电解装置的能耗，即，用于驱动为电解装置产生电能的发电机的驱动机器在预定的运行点、特别是在效率最佳的运行点工作。

根据另一种特别有利的设计方案，控制和/或调节装置设置用于，根据需要的氢气和/或氧气量控制和/或调节通过至少一个发电机的能量制造以及耗电件和电解装置的能耗，特别是这样控制和/或调节，即，电解装置在氢气和/或氧气制造最多的运行点工作。

在此也有可能的是，电解装置包括多个或所有燃料电池，也就是说，燃料电池在燃料电池运行时产生电流，并且在电解装置运行时产生氢气和氧气。

此外，电解装置和/或氧气存储装置也可以连接在漂浮的或潜水的装置的空气更新系统上，用于为其供应氧气。由此可以在空气更新系统一方取消或者至少减少氧气的制造和/或存储。

附图说明

以下根据实施例在附图中更详尽地阐述本发明以及根据从属权利要求所述特征的本发明的其它有利的设计方案。附图示出：

图1是具有电解装置的潜水艇的直流电网和

图2是具有电解装置的水上船只的电网。

具体实施方式

图1示出以简化的原理图示出具有直流电推进电网（Gleichstrom-Fahrnetz）2的有人驾驶的潜水艇1，该电网由两个通过电网连接器5相互连接的分电网3，4组成。每个分电网3，4具有由于产生电能的发电机6，其由驱动机器驱动，在这里由柴油机7驱动，并且通过整流器8馈入相应的分电网3或4。与发电机6和整流器8的组合分别并联连接着蓄电池9。此外，与之并联连接着作为能量制造装置的燃料电池设备10。

产生的能量用于馈送给同样与之并联连接的、用于驱动潜水艇1的螺旋桨12的DC电机或者DC馈电电机11和其它的耗电件13，其（可能也要通过逆变器14和船载电网15）与推进电网2连接。燃料电池设备10也可以通过未详尽示出的DC/DC调节器与直流电推进电网2连接。单个组件通过未详尽示出的开关连接在直流电推进电网2上。

例如，直流电推进电网2具有范围在400到800Vdc的额定电压，特别是600Vdc，电机11具有范围在500kW到10MW的功率，特别是2MW，发电机具有范围在0.5至6MW的功率，并且燃料电池设备10具有范围在50到1000kW的功率，特别是500kW。

在潜水艇浮潜行驶时或在浮出状态下，电机11和耗电件13通过发电机6，并且在潜水行驶时通过蓄电池9和/或燃料电池设备10供应电能。

燃料电池设备10的燃料电池利用技术上纯的氢气和纯的氧气运行。

氢气和氧气由电解装置20产生，电解装置在其电输入端上通过未详尽示出的开关不仅能够与第一分电网3而且能够与第二分电网4连接，并且因此是另一个耗电件。

为了临时存储由电解装置20产生的氢气和氧气，潜水艇1具有氢气存储装置21和氧气存储装置22，该氢气存储装置和氧气存储装置与电解装置20的氢气输出端或氧气输出端连接，从而向其输送产生的氢气和氧气。

燃料电池设备10也与氢气存储装置21和氧气存储装置22连接，从而能够向燃料电池设备10输送来自氢气存储装置21的氢气和来自氧气存储装置22的氧气。

为了减少氢气存储装置21和/或氧气存储装置22的空间需求，可以存在压缩机和/或冷却装置26，用于在氢气和/或氧气输送给氢气存储装置21或氧气存储装置22之前压缩和/或液化该氢气和/或氧气。此外还可以存在相应的装置用于在经过存储的氢气和/或氧气输送给燃料电池设备10之前加工处理（例如解压缩和/或汽化）该氢气和/或氧气。

潜水艇1还具有与电解装置20的水输送入口连接的水存储装置23，用于为电解装置存储水。水存储装置23与燃料电池设备10连接，用于将燃料电池的产物水输送给水存储装置23。

在这里，通过控制和/或调节装置30能够控制和/或调节电解装置20的能耗，并且因此最佳地适应在特定时间点时在直流电推进电网2中提供的电能。

控制和/或调节装置30在此具有第一控制和/或调节功能31，其设置用于这样控制和/或调节电解装置20的能耗，即，这个驱动发电机6的柴油机7或这些驱动发电机6的柴油机7在预定的运行点、特别是在效率最佳的运行点工作。例如当这些柴油机7处于部分负载的运行点并且因此效率不高时，电解装置20的能耗提高，并且柴油机7进入输出功率更高的运行点并且因此效率更高。反过来，通过第一控制和/或调节功能31在柴油机7负载过高时并且在因此效率低时，电解装置20的能耗下降，并且由此柴油机7进入输出功率更低的运行点，并且因此效率更高。

此外，控制和/或调节装置30具有第二控制和/或调节功能32，设置用于根据需要的氢气量和/或氧气量控制和/或调节通过这个发电机6或这些发电机6的能量制造以及电机11、其它耗电件13和电解装置20的能耗，特别是这样控制和/或调节，即，电解装置在氢气和/或氧气制造最多的运行点工作。

如果对于潜水艇1而言例如在很短的时间内计划一次在不依赖于外部空气的燃料电池运行状态下的较长时间的潜水行驶，为此应该提供尽可能多的氢气和氧气储备，那么第二控制和/或调节功能32确保为电解装置20提供能够由其容纳的最多能量，使得其在最短的时间内产生尽可能多的氢气和氧气排放。在此，相对于电解装置20其它的耗电件必须减少其电能耗。

在此，第一和第二控制和/或调节功能31，32能够在软件和/或硬件中实现，并且在有需要的情况下或者手动地从潜水艇1的桥接器中选出，或者自动地由上一级的自动化系统选出。控制和/或调节装置30为此优选地集成到潜水艇1的上一级的自动化系统中。

氢气存储装置22还附加地连接在潜水艇1的空气更新系统25上，用于为其供应氧气。由此可以在空气更新系统25这一方取消或者至少减少单独的氧气制造和/或存储。

图2用简化的原理图示出具有交流电压电网42的水上船只41，该电网同样由两个通过电网连接器45相互连接或者能够相互连接的分电网43，44组成。每个分电网43，44具有两个用于产生电能的发电机46，其分别由驱动机器驱动，在这里由中速运行的柴油机47驱动。

为了在港口或者在对排放敏感的水域（例如在北极或者峡湾）无排放地供电，此外还存在燃料电池设备50，其通过逆变器81与两个分电网43，44连接。此外，由蒸汽涡轮机或废气涡轮机83驱动的、废气利用系统84的发电机82馈送入分电网43。

产生的能量用于馈送给用于分别驱动水上船只41的螺旋桨52的电动机51和其它与电网42连接的耗电件53。电动机51和其它的耗电件53在此能够通过变压器85和变流器86（例如电压中间电路变流器、电流中间电路变流器）以及低电压船载电网与电网42连接。

单个组件通过未详尽示出的开关连接到电网42上。

船只例如是具有柴油发电的驱动系统的游轮，其中，电网42具有范围在6到12kVac的额定电压，特别是6.6kVac或11kVac，电机51总共有10到100MW的总推进功率，并且发电机总共有范围在10到150MW的总功率，并且燃料电池设备产生范围在2至5MW的功率。

燃料电池设备10的燃料电池利用纯的氢气作为燃料并且用空气作为氧化剂运行。

氢气是通过电解装置60产生的，该电解装置在其电输入端上通过未详尽示出的开关和整流器80不仅能与第一分电网43还能与第二分电网44连接，并且因此是另一个耗电件。

为了临时存储由电解装置60产生的氢气，船只41具有氢气存储装置61，其与电解装置60的氢气输出端连接，从而向其输送产生的氢气。

燃料电池设备50还与氢气存储装置61连接，使得能够向燃料电池设备50输送来自氢气存储装置61的氢气。此外还能够向燃料电池设备50输送船只的环境空气作为氧化剂。

为了减少用于氢气存储装置61的空间需求，可以存在未详尽示出的压缩机和/或冷却装置，用于在氢气输送给氢气存储装置61之前压缩和/或液化该氢气。此外还可以存在相应的装置用于在经过存储的氢气输送给燃料电池设备50之前加工处理（例如解压缩和/或汽化）该氢气。

船只41还具有与电解装置60的水输送入口连接的水存储装置63，用于为电解装置存储水。水存储装置63与燃料电池设备50连接，用于将燃料电池的产物水输送给水存储装置63。由电解装置60产生的氧气可以存储在氧气存储装置62中，并且可以用于其它用途，例如输送用于丰富输送给燃料电池设备50的空气的含氧量。

在此，通过控制和/或调节装置70能够控制和/或调节电解装置60的能耗，并且因此最佳地适应在特定的时间点在电网42内提供的电能。

控制和/或调节装置70在此具有第一控制和/或调节功能70，其设置用于以这样控制和/或调节电解装置60的能耗，即，柴油机47在预定的运行点、特别是在效率最佳的运行点工作。

特别是有可能的是，这样控制和/或调节电解装置60的能耗，即通过电解装置60和其它的耗电件51，53使由废热利用系统84产生的、总电能下降。可能存在的多余能量就可以通过电解装置60转化成氢气和氧气，并且因此不会损失掉。由此可以最佳化整个系统的效率。

此外，控制和/或调节装置70具有第二控制和/或调节功能72，其设置用于根据需要的氢气量控制和/或调节通过发电机46，82的能量制造以及电机51、其它耗电件53和电解装置60的能耗，特别是这样控制和/或调节，即，电解装置60在氢气制造最多的运行点工作，从而每个时间单位产生最大的氢气量。如果对于船只51而言例如在很短的时间内计划较长时间的停留在港口或在对排放敏感的水域，为此应该尽可能长时间地让燃料电池供电并且因此尽可能多地提供氢气的储备，那么第二控制和/或调节功能72确保为电解装置60提供能够由其容纳的最多能量，使得其在最短的时间内产生尽可能多的氢气和氧气排放。此时，相对于电解装置60其它的耗电件必须减少其电能耗。

Claims (16)

1.一种漂浮的或潜水的装置（1）、特别是水上船只或水下船只，具有

-燃料电池（10），用于为所述装置（1）的船上的耗电件（11，13）产生电能，其中，所述燃料电池能够利用氢气作为燃料运行，其特征在于，

-电解装置（20），用于在使用电能的情况下通过电解水为所述燃料电池（10）产生氢气，和

-氢气存储装置（21），用于在所述氢气输送给所述燃料电池（10）之前存储由所述电解装置（20）产生的所述氢气。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其特征在于，氧气存储装置（22）用于在氧气输送给所述燃料电池（10）之前存储由所述电解装置（20）产生的所述氧气。

3.根据权利要求1或2所述的装置（1），其特征在于，水存储装置（23），用于为所述电解装置（20）的电解存储水。

4.根据权利要求3所述的装置（1），其特征在于，所述燃料电池（10）与所述水存储装置（23）连接，用于将所述燃料电池（10）的产物水输送给所述水存储装置（23）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，压缩机和/或冷却装置（26），用于在所述氢气和/或所述氧气输送给所述氢气存储装置（21）或所述氧气存储装置（22）之前压缩和/或液化所述氢气和/或所述氧气。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，至少一个驱动机器（7）和由所述驱动机器（7）驱动的发电机（6），用于为所述电解装置（20）产生所述电能。

7.根据权利要求6所述的装置（1），其特征在于，所述发电机（6）能够或者已经与所述耗电件（11，13）连接，用于为所述耗电件供应所述电能。

8.根据权利要求6或7所述的装置（1），其特征在于，所述发电机（6）通过整流器（8）能够或者已经与所述电解装置（20）连接。

9.根据权利要求6，7或8所述的装置（1），其特征在于，所述发电机（6）、所述燃料电池（10）、所述电解装置（20）和所述耗电件（11，13）连接在共同的电网（2）上。

10.根据权利要求9所述的装置（1），其特征在于，所述电网（2）包括直流电网，所述电解装置（20）能够或者已经与所述直流电网连接。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的装置（1），其特征在于，蓄电池（9）与所述发电机（6）并联连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，通过控制和/或调节装置（30）能控制和/或调节所述电解装置（20）的能耗。

13.根据权利要求12所述的装置（1），其特征在于，所述控制和/或调节装置（30）设置用于这样控制和/或调节所述电解装置（20）的所述能耗，即，用于驱动为所述电解装置（20）产生所述电能的发电机（6）的驱动机器（7）在预定的运行点、特别是在效率最佳的运行点工作。

14.根据权利要求12或13所述的装置（1），其特征在于，所述控制和/或调节装置（30）设置用于，根据需要的氢气和/或氧气量控制和/或调节通过至少一个所述发电机（6）的能量制造以及所述耗电件（11，13）和所述电解装置（20）的所述能耗，特别是这样控制和/或调节，即，所述电解装置（20）在氢气和/或氧气制造最多的运行点工作。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述电解装置（20）包括多个或所有的所述燃料电池（10）。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，所述电解装置（20）和/或所述氧气存储装置（22）连接在漂浮的或潜水的所述装置（1）的空气更新系统（25）上，用于为所述空气更新系统供应所述氧气。