CN106129434A - 一种基于燃料电池的船动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池作为动力的运载设备领域，尤其是一种基于燃料电池的动力系统，包括燃料电池、燃料电池上连接有空气供应系统、燃气供应系统、水冷却系统、及电力推进系统；燃料电池与电力推进系统电连接，空气供应系统、燃气供应系统、及水冷却系统分别与燃料电池管道连接。采用燃料电池作为船用的动力来源，该系统不会产生污染，且解决了普通蓄电池供电续航能力不足的问题，将电池驱动引进了船的驱动系统中，实现节能降耗的同时，防止了污染。其结构简单，使用安装方便，控制精度和速度快，确保负载供电，从而稳定船体的动力用电供应。其能源利用率高，简化动力系统的结构，提高动力系统的兼容性。

Description

一种基于燃料电池的船动力系统

技术领域

本发明涉及燃料电池作为动力的运载设备领域，尤其是一种基于燃料电池的船动力系统。

背景技术

现有技术中，船舶的驱动主要采用内燃机驱动：柴油发动机和天然气发动机。内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。这个过程不断重复，实现船舶驱动。但是随着人们对环保要求的提高，普通燃料内燃机驱动方式的排放已满足不了人们对环保的要求。因为燃料电池的特殊性，须保持较好的水合状态才能正常工作，所以需要对进入燃料电池的空气和氢气加湿，因此需要一个恒温液态水喷射加湿装置。并且为了保证燃料电池内化学反应的速度，需要对进入燃料电池进行温度和压力的调节，从而促进化学反应，还需要对废气进行处理，让尾气中生成的水进入整个水冷却管理系统循环利用，保证系统的独立性。此外需要高效的利用燃气，保证节能降耗，实现燃气的有效利用，防止燃气溢出和燃气供气不足。在燃料电池的电化学反应中有近乎一半的能量以热量形式产生，如果这些热量不及时散发，将使得电堆因较大的热负荷而性能下降。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于燃料电池的船动力系统，采用燃料电池作为船用的动力来源，该系统不会产生污染，且解决了普通蓄电池供电续航能力不足的问题，将电池驱动引进了船的驱动系统中，实现节能降耗的同时，防止了污染。其结构简单，使用安装方便，控制精度和速度快，确保负载供电，从而稳定船体的动力用电供应。其能源利用率高，简化动力系统的结构，提高动力系统的兼容性提供一种燃料电池作为动力来源的全系统结构，并平稳的输出电量，使保证燃料经燃料电池转化为电能，提供了一种新的电力转换方式，节能降耗，提高燃料的利用率。

本发明采用的技术方案如下：

本发明公开了一种基于燃料电池的船动力系统，包括燃料电池、燃料电池上连接有空气供应系统、燃气供应系统、水冷却系统、及电力推进系统；燃料电池与电力推进系统电连接，空气供应系统、燃气供应系统、及水冷却系统分别与燃料电池管道连接。采用燃料电池作为船用的动力来源，该系统基本不会产生污染，且解决了普通蓄电池供电续航能力不足的问题，将电池驱动引进了船的驱动系统中，实现节能降耗的同时，防止了污染。其结构简单，使用安装方便，控制精度和速度快，确保负载供电，从而稳定船体的动力用电供应。其能源利用率高，简化动力系统的结构，提高动力系统的兼容性。

进一步，燃气供应系统及空气供应系统分别具有加湿系统，加湿系统包括加湿水箱、加湿器、及水泵；加湿器包括加湿部和脱湿部，加湿部与脱湿部连通，加湿部和脱湿部上分别具有进气口和出气口，水泵、水箱、加湿部、及脱湿部连成加湿回路。能够采用两个相互连通的加湿腔与脱湿腔方便的实现加湿，并保证气体达到饱和湿度，通过加湿-脱湿方式使输出的气体达到饱和湿度，提高气体的可用性。并且对加湿用的水进行回收利用，构成加湿回路避免水的浪费，保证节能降耗。

进一步，加湿部内具有加湿腔，脱湿部内具有脱湿腔，加湿腔与脱湿腔连通；加湿部用于对气体加湿使气体超过饱和湿度，脱湿腔通过脱湿珠使气体脱湿至饱和湿度；在脱湿腔内设有脱湿珠，加湿腔与脱湿腔之间设有隔网，隔网的网孔小于脱湿珠；脱湿珠用于吸附多余的水雾使气体湿度饱和。将气体加湿至过饱和然后再脱湿，能够有效的保证设备输出口的气体达到饱和湿度状态，提高气体的可用性。能够使气体与水雾充分结合，提高气体与水雾的结合速度，提高气体湿饱和速度；从而降低加湿部的体积；使水雾之间相互碰撞，水雾的粒度更小，进一步提高气体湿饱和速度。

进一步，加湿部与脱湿部连为一体，加湿部的输出方向垂直于脱湿部的轴向；加湿部和脱湿部分别呈罐状，加湿部连接在脱湿部的侧壁中部，加湿部横向布置，脱湿部竖向布置；在水箱上设置有加热器、液位计、温度计、及补水口；补水口与水冷却系统连通。方便于该结构的使用和生产，避免现场安装过程中造成的漏气，提高安全性，此外，其一体的结构能够保证过湿的气体直接进入脱湿部，防止通过管道连接而使管道中蓄积水，避免气体在进入脱湿部之前发生脱湿。

进一步，空气供应系统包括分别连接在燃料电池空气进出口的进气系统和排气系统，进气系统包括串联的过滤器、压缩机、及加湿系统，排气系统包括串联的限压阀和气液分离器。该供应系统通过过滤器有效的过滤空气中可能存在的粉尘过滤；然后被鼓风机或压缩机吸入并增压至设定压力，保证燃料电池的化学反应速度，发电过程中阴极侧会产生废气和水，限压阀能够防止排放废气时失压对燃料电池造成不利影响。

进一步，燃气供应系统包括进气系统、回气系统、吹扫系统，进气系统连接在燃料电池的燃气进口上，回气系统并联在燃料电池的燃气进出口之间；进气系统包括串联的燃气罐、减压阀、过滤器、及加湿装置，回气系统包括串联的换向阀和循环泵，吹扫系统包括氮气罐和吹扫排气阀，氮气罐与燃气罐并联，吹扫排气阀并联在循环泵的输出侧。通过该进气系统的设置能够为燃料电池均匀供气，保证燃气使用压力的情况下，对燃气进行加湿，保证燃气达到饱和湿度，该回气系统的设置能够保证燃气回收利用，提高燃气利用率，保证燃气的有效使用和安全使用。

进一步，水冷却系统包括散热器、水泵、水箱和去离子器，燃料电池内具有冷却通路；散热器、水泵、水箱、冷却通路串联为水冷却回路，去离子器的一端连通水泵的输出侧、另一端连回水箱。证电池的安全持续使用，提高电池的使用寿命和使用稳定性，设置去离子器对水冷却循环中的回路进行去离子，有效的防止电池漏电和短路；带走燃料电池堆运行过程中产生的热量。对燃料电池冷却，有效的保证燃料电池的安全有效使用，提高燃料电池的持续使用时间。

进一步，还包括备用供电系统，燃料电池依次通过稳流器和逆变器为负载供电，负载包括电力推进系统、空气供应系统、燃气供应系统、及水冷却系统，备用供电系统与稳流器及燃料电池并联，备用供电系统包括串联的蓄电池组和直流调压器。采用备用供电系统能够防止负载不稳定或者燃料电池供电不稳定的情况下，确保负载供电，从而稳定船体的动力用电供应。该结构采用多个DC/DC转换器，能够将稳定的电流用于蓄电池充电，防止不稳定电流对蓄电池的损害，提高蓄电池使用寿命。

进一步，燃料电池输出功率为W1，电力推进系统及用电设备的消耗功率为W2；W1=W2时，燃料电池输出功率单独为电力推进系统及用电设备供电；W1 >W2时, 燃料电池输出功率单独为电力推进系统及用电设备供电并未蓄电池组充电，W1 <W2时, 燃料电池输出功率与蓄电池组共同为电力推进系统及用电设备供电；当燃料电池输出功率与蓄电池组不足以为电力推进系统及用电设备供电时，降低电力推进系统及用电设备的消耗功率。

进一步，还包括智能控制器和传感器，燃料电池通过智能控制器分别与空气供应系统、燃气供应系统、水冷却系统、及电力推进系统电连接，智能控制器分别控制空气、燃气、或冷却水进入燃料电池的速度，并控制燃料电池的内的压力、温度、及湿度。通过该结构的设计能够实现燃料电池的自动控制，能够有效的保证燃料电池从分利用空气和燃气，保证燃料电池的电力供应，有效的保证燃料电池的使用寿命。

一种运载设备，安装权利要求1-9任一项所述的基于燃料电池的船动力系统。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.采用燃料电池作为船用的动力来源，该系统基本不会产生污染，且解决了普通蓄电池供电续航能力不足的问题，将电池驱动引进了船的驱动系统中，实现节能降耗的同时，防止了污染。其结构简单，使用安装方便，控制精度和速度快，确保负载供电，从而稳定船体的动力用电供应。其能源利用率高，简化动力系统的结构，提高动力系统的兼容性

2.提供一种燃料电池作为动力来源的全系统结构，并平稳的输出电量，使保证燃料经燃料电池转化为电能，提供了一种新的电力转换方式，节能降耗，提高燃料的利用率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基于燃料电池的船动力系统的结构图；

图2是基于燃料电池的驱动系统的结构图；

图3是基于燃料电池的空气供应系统的结构图；

图4是基于燃料电池的燃气供应系统的结构图；

图5是基于燃料电池的水冷却系统的结构图；

图6是基于燃料电池的空气加湿系统的结构图；。

附图标记：1-燃料电池，2-驱动系统，21-电力推进系统，22-蓄电池组，23-直流调压器，24-稳流器，25-逆变器，26-用电设备，3-空气供应系统，31-过滤器，32-压缩机,33-限压阀，34-气液分离器，4-燃气供应系统，41-燃气罐，42-氮气罐，43-过滤器，44-换向阀，45-循环泵，5-水冷却系统，51-水箱，52-散热器，53-水泵，54-去离子器，6-空气加湿系统，61-加湿水箱，611-补水口，612-加热器，62-水泵，63-加湿器，631-湿气出口，632-喷雾器，633-干气进口，634-出液口，635-脱湿珠加湿部，7-燃气加湿系统。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明的基于燃料电池的船动力系统，包括燃料电池1、驱动系统2、空气供应系统3、燃气供应系统4、及水冷却系统5；该燃料电池1为质子交换膜燃料电池；燃料电池1内具有空气通路、水冷通路、及燃气通路，燃气通路设置有燃气阀；燃料电池1可以为质子交换膜燃料电池1，并可以以氢气作为燃料。

驱动系统2包括电力推进系统21、及备用供电系统；燃料电池1依次通过稳流器24和逆变器25为电力推进系统21供电。备用供电系统包括串联的蓄电池组22和直流调压器23，备用供电系统与稳流器24及燃料电池1并联。稳流器24为单向DC/DC转换器，直流调压器23为双向DC/DC转换器，蓄电池组22可由燃料电池1充电。电力推进系统21包括控制柜、交流电机、变速器、及螺旋桨；控制柜由燃料电池1供电，控制柜与交流电机电连接，交流电机通过变速器驱动螺旋桨。逆变器25为三相DC/AC转换器，交流电机为三相交流电机。燃料电池1还为用电设备26供电，用电设备26包括空气供应系统3、燃气供应系统4、及水冷却系统5的耗电设备。燃料电池1输出功率为W1，电力推进系统21及用电设备26的消耗功率为W2；W1=W2时，燃料电池1输出功率单独为电力推进系统21及用电设备26供电；W1>W2时,燃料电池1输出功率单独为电力推进系统21及用电设备26供电并未蓄电池组22充电，W1<W2时,燃料电池1输出功率与蓄电池组22共同为电力推进系统21及用电设备26供电。当燃料电池1输出功率与蓄电池组22不足以为电力推进系统21及用电设备26供电时，降低电力推进系统21及用电设备26的消耗功率。

水冷却系统5包括冷却水箱51、电导传感器、水箱51温度传感器、冷却水泵53、去离子切断阀、散热器52、去离子装置、调速阀；冷却水箱51依次通过冷却水泵53、冷却切断阀、散热器52、流量计、连接水冷通路的进口，连接水冷通路的出口连回到冷却水箱51；水箱51温度传感器和电导传感器分别连接在冷却水箱51上；水冷通路的进口和出口分别连接有温度传感器；冷却水泵53的输出端依次通过去离子切断阀、调速阀、去离子装置连回至冷却水箱51。

空气供应系统3包括空气过滤器、风机、空气加湿系统6、限压阀33、及气液分离器34；空气过滤器、风机、流量计、及空气加湿系统6依次串联后连接到燃料电池1的空气通路的进口；空气通路的出口依次连接限压阀33及气液分离器34，气液分离器34的水流入冷却水箱51中；温度传感器、湿度传感器、压力传感器分别连接在空气通路的进口处。

燃气系统包括燃气罐41组、氮气罐42、燃气截止阀、氮气截止阀、氮气切断阀、进气切断阀、减压阀、过滤器、防火回阀、燃气加湿系统7、两位三通换向阀44、尾气限压阀33、燃气循环泵45、燃气尾气限压阀33、及吹扫排气阀；燃气罐41组包括多个并列的氢气罐，燃气罐41组依次连接燃气截止阀、进气切断阀、减压阀、过滤器、防火回阀、流量计、第二增湿装置、及燃气通路的进口；燃气通路的进口连接有两位三通换向阀44，两位三通换向阀44通过氢气循环泵45和流量计连回燃气通路的进口；氢气循环泵45的出口处并联有吹扫排气阀，吹扫排气阀连通排气管路。

空气加湿系统6和燃气加湿系统7分别包括：加湿水箱、加湿器、及水泵53。加湿器包括加湿部和脱湿部，加湿部与脱湿部连通，加湿部和脱湿部上分别具有进气口和出气口，水泵53、水箱51、加湿部、及脱湿部连成加湿回路。在加湿水箱上设置有加热器、液位计、温度计、及补水口，加热器用于对水箱51内的去离子水加热至60-70度；在水泵532的输出端串联有流量计4。

加湿部内具有加湿腔，脱湿部内具有脱湿腔，加湿腔与脱湿腔连通；加湿部用于对气体加湿使气体超过饱和湿度，脱湿腔通过脱湿珠使气体脱湿至饱和湿度。在脱湿腔内设有脱湿珠，加湿腔与脱湿腔之间设有隔网，隔网的网孔小于脱湿珠；脱湿珠用于吸附多余的水雾使气体湿度饱和。在加湿腔内设置有喷雾器，喷雾器通过加湿部上的进水口连通水泵53，喷雾器具有多个喷雾头，喷雾头均匀对称设置在加湿腔的内侧壁上且喷出的水雾相互对冲；出气口设置脱湿腔的顶部且在脱湿腔底部设置有出水口，出水口连通加湿水箱。加湿部与脱湿部连为一体，加湿部的输出方向垂直于脱湿部的轴向；加湿部和脱湿部分别呈罐状，加湿部连接在脱湿部的侧壁中部，加湿部横向布置，脱湿部竖向布置。干燥的空气或燃气经干气进口进入加湿腔，并沿水平方向输送，加湿水箱中的去离子水由水泵53抽取并经流量计流入加湿腔，去离子水由喷雾器竖直方向喷出，喷雾器喷出的水雾与待加湿的气体充分混合为过湿气体，过湿气体经过隔网进入脱湿腔；过湿气体进入脱湿腔中发生分层，其过湿程度高的气体下沉，过湿程度低的气体上升，过湿气体中多余的水分被吸附到玻璃珠即脱湿珠的表面，在脱湿腔的上层过湿气体脱湿为具有饱和湿气的气体，然后通过湿气出口输出；被玻璃珠吸附的水分冷凝为水滴下落，然后仅脱湿腔下部的出液口排出流回加湿水箱中。还包括智能控制器和检测器，燃料电池1通过智能控制器分别与空气供应系统3、燃气供应系统4、水冷却系统5、及电力推进系统21电连接，智能控制器分别控制空气、燃气、或冷却水进入燃料电池1的速度，并控制燃料电池1的内的压力、温度、及湿度。通过该结构的设计能够实现燃料电池1的自动控制，能够有效的保证燃料电池1从分利用空气和燃气，保证燃料电池1的电力供应，有效的保证燃料电池1的使用寿命。

智能控制器和传感器，燃料电池1通过智能控制器分别与空气供应系统3、燃气供应系统4、水冷却系统5、及电力推进系统21电连接；燃料电池1或蓄电池为智能控制器供电，智能控制器分别与空气供应系统3、燃气供应系统4、及水冷却系统5的动力部件或阀门电连接，燃料电池1的各连接口上设置有温度传感器、压力传感器、或湿度传感器；智能控制器根据温度传感器、压力传感器、或湿度传感器的反馈，分别控制空气、燃气、或冷却水进入燃料电池1的速度，并控制燃料电池1的内的压力、温度、及湿度。与智能控制器连接的阀门为电磁阀。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，包括燃料电池（1）、燃料电池（1）上连接有空气供应系统（3）、燃气供应系统（4）、水冷却系统（5）、及电力推进系统（21）；燃料电池（1）与电力推进系统（21）电连接，空气供应系统（3）、燃气供应系统（4）、及水冷却系统（5）分别与燃料电池（1）管道连接。

2.如权利要求1所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，燃气供应系统（4）及空气供应系统（3）分别具有加湿系统，加湿系统包括加湿水箱、加湿器、及水泵（53）；加湿器包括加湿部和脱湿部，加湿部与脱湿部连通，加湿部和脱湿部上分别具有进气口和出气口，水泵（53）、水箱（51）、加湿部、及脱湿部连成加湿回路。

3.如权利要求2所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，加湿部内具有加湿腔，脱湿部内具有脱湿腔，加湿腔与脱湿腔连通；加湿部用于对气体加湿使气体超过饱和湿度，脱湿腔通过脱湿珠使气体脱湿至饱和湿度；在脱湿腔内设有脱湿珠，加湿腔与脱湿腔之间设有隔网，隔网的网孔小于脱湿珠；脱湿珠用于吸附多余的水雾使气体湿度饱和。

4.如权利要求3所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，加湿部与脱湿部连为一体，加湿部的输出方向垂直于脱湿部的轴向；加湿部和脱湿部分别呈罐状，加湿部连接在脱湿部的侧壁中部，加湿部横向布置，脱湿部竖向布置；在水箱（51）上设置有加热器、液位计、温度计、及补水口；补水口与水冷却系统（5）连通。

5.如权利要求1所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，空气供应系统（3）包括分别连接在燃料电池（1）空气进出口的进气系统和排气系统，进气系统包括串联的过滤器、压缩机（32）、及加湿系统，排气系统包括串联的限压阀（33）和气液分离器（34）。

6.如权利要求1所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，燃气供应系统（4）包括进气系统、回气系统、吹扫系统，进气系统连接在燃料电池（1）的燃气进口上，回气系统并联在燃料电池（1）的燃气进出口之间；进气系统包括串联的燃气罐（41）、减压阀、过滤器、及加湿装置，回气系统包括串联的换向阀（44）和循环泵（45），吹扫系统包括氮气罐（42）和吹扫排气阀，氮气罐（42）与燃气罐（41）并联，吹扫排气阀并联在循环泵（45）的输出侧。

7.如权利要求1所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，水冷却系统（5）包括散热器（52）、水泵（53）、水箱（51）和去离子器（54），燃料电池（1）内具有冷却通路；散热器（52）、水泵（53）、水箱（51）、冷却通路串联为水冷却回路，去离子器（54）的一端连通水泵（53）的输出侧、另一端连回水箱（51）。

8.如权利要求1所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，还包括备用供电系统，燃料电池（1）依次通过稳流器（24）和逆变器（25）为负载供电，负载包括电力推进系统（21）、空气供应系统（3）、燃气供应系统（4）、及水冷却系统（5），备用供电系统与稳流器（24）及燃料电池（1）并联，备用供电系统包括串联的蓄电池组（22）和直流调压器（23）。

9.如权利要求8所述的基于燃料电池的船动力系统，其特征在于，燃料电池（1）输出功率为W1，电力推进系统（21）及用电设备（26）的消耗功率为W2；W1=W2时，燃料电池（1）输出功率单独为电力推进系统（21）及用电设备（26）供电；W1 >W2时, 燃料电池（1）输出功率单独为电力推进系统（21）及用电设备（26）供电并未蓄电池组（22）充电，W1 <W2时, 燃料电池（1）输出功率与蓄电池组（22）共同为电力推进系统（21）及用电设备（26）供电；当燃料电池（1）输出功率与蓄电池组（22）不足以为电力推进系统（21）及用电设备（26）供电时，降低电力推进系统（21）及用电设备（26）的消耗功率。

10.一种运载设备，其特征在于，安装权利要求1-9任一项所述的基于燃料电池的船动力系统。