CN113071601B - 一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法 - Google Patents

一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，机舱内设置有氢燃料电池、辅助系统和集水槽，辅助系统靠近船首布置，氢燃料电池靠近船尾的氢气瓶布置；辅助系统为换热装置，辅助系统的冷媒入口和冷媒出口分别与海水连通，热媒入口和热媒出口分别与氢燃料电池的冷却液出口和冷却液入口连通；氢燃料电池设置有氢气入口、空气入口、排气口和出水口；氢燃料电池的氢气入口通过氢气管与氢气瓶连通，所述氢燃料电池的出水口与集水槽连通，集水槽通过第一排水泵与生成水排舷外管连通。本发明不仅保证了机舱内各设备和系统功能的顺利实现，还能充分利用空间，安全可靠，灵活方便，易于施工和维修，实现了小型氢动力船舶机舱模块化布置零的突破。

Description

一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法
技术领域
本发明涉及氢动力系统技术，尤其涉及一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法。
背景技术
船舶的机舱是船舶动力装置的安装处所，是船舶的心脏。机舱的布置直接影响船舶的安全性和可靠性。传统船舶机舱内通常安装燃油主机和发电机。氢能源是一种新型的完全绿色无污染的能源，正在各个领域逐步替代传统能源。以氢能源为动力的小型船舶，在本发明所涉及项目之前仅偶见于科研，尚无产品。氢动力小型船舶的机舱布置与传统船舶截然不同。机舱内主体是氢燃料电池。这就需要一种创新性的，根据燃料电池的各种特性而做出的机舱布置方法。另外，小型船舶机舱很小，最高处高度甚至不足一米，人无法进入机舱施工和维修，所以做机舱设备的布置应为上维修式，可使操作人员将机舱盖揭开，从上部直接安装和维修。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统船舶机舱未使用氢燃料电池的问题，提出一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，该布置方法不仅保证了机舱内各设备和系统功能的顺利实现，还能充分利用空间，安全可靠，调整灵活方便，采用从上部安装和维修的方式应对高度有限的机舱，实现了小型氢动力船舶机舱模块化布置零的突破。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，所述机舱内设置有氢燃料电池、辅助系统、通风装置、气体探测装置、各种水气管路、保温装置和集水槽，所述辅助系统靠近船首布置，所述氢燃料电池靠近船尾的氢气瓶布置；所述辅助系统为换热装置，所述辅助系统的冷媒入口和冷媒出口分别与海水连通，所述辅助系统的热媒入口和热媒出口分别与氢燃料电池的冷却液出口和冷却液入口连通；所述氢燃料电池分别设置有氢气入口、空气入口、排气口和出水口；所述氢燃料电池的氢气入口通过氢气管与氢气瓶连通，所述氢燃料电池的出水口与集水槽连通，所述集水槽通过第一排水泵与生成水排舷外管连通。
进一步地，所述冷却液为去离子水。
进一步地，所述氢燃料电池和辅助系统分别设置在公共底座上，所述公共底座固定在机舱底部，所述氢燃料电池与辅助系统两者间距小于人体能通过距离；所述燃料电池和辅助系统的中线与船中重合。
进一步地，所述辅助系统的冷媒入口通过海水进水管与冷却水海底吸口连通；所述辅助系统的冷媒出口与海水排舷外管连通。
进一步地，所述集水槽附近的舱底最低点设置第二排水泵，所述第二排水泵的出水口与舱底水排舷外管连接。如果集水槽内第一排水泵故障，水从集水槽溢出，舱底的第二排水泵可以完成排水。这就解决了燃料电池的排水问题，两个舱底泵(第一排水泵和第二排水泵)增加了系统的安全性。
进一步地，所述机舱的侧壁设置有通风系统，所述通风系统包括两台抽风机，每台抽风机的容量均可独立满足规范对换气要求。
进一步地，所述机舱侧壁上设置有自然通风百叶窗。
进一步地，所述机舱四壁布置有保温绝缘层，所述保温绝缘层的设置能减少机舱热量散失。
进一步地，所述机舱内还设置有热风机，保证机舱温度。所述热风机安装在机舱内侧靠近氢燃料电池处，并朝向氢燃料电池的电堆。
进一步地，常规航行设备海底成像仪探头布置于机舱底部，并在冷却水海底吸口的前面，防止航行时扰流影响设备效果。
进一步地，所述机舱中间的最高点，靠近氢燃料电池处设置有第一级氢气探测器和第二级氢气探测器。如果机舱发生氢气泄露或富集，所述第一级氢气探测器和第二级氢气探测器会分别在不同的浓度向监测报警系统发送信号，提示驾驶员处理。
本发明小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，与现有技术相比较具有以下优点：
1)传统船舶机舱布置方法仅适用于常规动力船舶或纯电力船舶，即以热机或电动机为核心布置。这种传统布置方法不适用于氢动力船舶，不能使氢动力系统正常运行。本发明的机舱布置方法专门针对小型氢动力船舶，以氢燃料电池为核心。本发明机舱布置方法可保证氢燃料电池功能的实现。
2)传统氢燃料电池冷却形式为风冷，但这并不适用于船上。船舶使用的氢燃料电池冷却形式应为水冷。本发明的机舱布置方法专门针对水冷形式的氢燃料电池。将燃料电池的海水冷却系统从燃料电池本体上剥离，作为单独的辅助系统。海水在辅助系统内冷却专用冷却液，冷却液再冷却燃料电池。这样氢燃料电池体积将缩小，与复制系统分开布置，布置上更灵活，适用于空间狭小的小型船舶。
3)氢燃料电池布置于机舱内靠近氢气瓶端，缩短氢气管长度，降低泄露概率，提升安全性。
4)辅助系统为燃料电池提供冷却功能。其布置平行于燃料电池并尽可能靠近燃料电池。减小各个链接管路和电缆的长度，降低故障率。两者之间的空间要狭窄到保障人不会误入氢燃料电池和辅助系统之间。因此两者采用公共底座安装固定，同时方便了整体拆卸吊装。
5)氢燃料电池排出物为纯净的水，但排出点在水线以下，因此无法直排舷外。在排除点布置一个水槽，承接排出水，在水舱内布置有自动排水泵用于将水槽内的水排出舷外。同时，水槽外的舱底最低点另设一排水泵。如果水槽内泵故障的话，水从水槽溢出，舱底的排水泵可以完成排水。这就解决了燃料电池的排水问题，两个舱底泵增加了系统的安全性。
6)氢燃料电池排出水会伴随少量氢气，为杜绝氢气在机舱内富集导致的危险，机舱内布置有两个不同电路供电的抽风机，任意风机的容量均可独立规范对换气要求。同时，燃料电池运行时会发出热量，两个风机也解决了散热问题。
7)为防止氢气在机舱内泄露或聚集产生的风险，机舱内布置有两个氢气传感器，用于氢气泄露报警。对船舶而言，失去动力也是一种很大的风险，因此不应一发生氢气泄露就切断氢气供给。所以两个氢气传感器布置于的位置，报警值设置也不相同，该位置和值经过计算和模拟，并通过多次实际试验调整，最终可为操作者安全操作提供足够的指导。
8)氢燃料电池一个固有的问题，是运行后电堆内会有残留的微小水滴，船舶夜间停泊环境气温可能较低，此时微小水滴结冰会破坏电堆，进而导致整个燃料电池的损坏。因此机舱四壁布置有保温绝缘，减少机舱热量散失。同时，布置有一个小的，船用锂电池驱动的热风机，保证机舱温度。
9)机舱内设备的布置均可方便地从上面安装和维修。设备和管路的布置在垂直方向上均无交叉和重叠。工程师可以打开机舱盖，无需进入机舱即可从上部方便地进行安装和维修工作。
10)本发明机舱布置中，通风布置整体原则上为左抽风右进风，使通风气流最大限度流经氢燃料电池和机舱内的各个角落，带走热量和可能的渗漏氢气。进排水的原则则是左进水右排水，与进风抽风正好反向，增强冷却效果。同时，进排水口分别在船底两侧，避免在海底冷热水混流。
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为本发明小型多用途氢动力系统的结构示意图。
图中：1、氢燃料电池；2、辅助系统；3、抽风机；4、保温绝缘层；5、第一排水泵；6、第一级氢气探测器；7、第二级氢气探测器；8、热风机；9、冷却水海底吸口；10、海水进水管；11、舱底水排舷外管；12、生成水排舷外管；13、海水排舷外管；14、公共底座；15、排气管；16、进气管；17、海底成像仪探头；18、自然通风百叶窗；19、冷却液进水管；20、冷却液排水管；21、氢气管；22、集水槽；23、出水口；24、第二排水泵。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
本实施例公开了一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，如图1所示，船舶的机舱内设置有氢燃料电池1、辅助系统2和集水槽22，所述氢燃料电池1和辅助系统2通过螺栓固定在公共底座14上，所述公共底座14焊接固定在机舱底部，公共底座的设置能方便整体拆卸吊装；所述燃料电池1和辅助系统2的中线与船中重合，避免船舶重心偏离。所述辅助系统布置于机舱靠近船首一端，所述氢燃料电池布置于机舱尾部靠近氢气瓶端，靠近氢气瓶的设置能缩短氢气管长度，降低泄露概率，提升安全性。所述氢燃料电池和辅助系统水平铺置，尽可能靠近燃料电池，能减小各个链接管路和电缆的长度，降低故障率。氢燃料电池1与辅助系统2两者之间的空间要狭窄到保障人不会误入氢燃料电池和辅助系统之间。
所述辅助系统2为换热装置，所述辅助系统的冷媒入口通过海水进水管10与冷却水海底吸口9连通，本实施例中冷却水海底吸口9布置于机舱左侧底部；所述辅助系统的冷媒出口与海水排舷外管13连通。所述辅助系统2的热媒入口通过冷却液排水管20与氢燃料电池的冷却液出口连通，所述辅助系统2的热媒出口通过冷却液进水管19与氢燃料电池的冷却液入口连通；所述冷却液为去离子水。本发明将燃料电池的海水冷却系统从燃料电池本体上剥离，作为单独的辅助系统，作为冷媒的海水在辅助系统内冷却专用冷却液，冷却液再冷却燃料电池。这样布置上更灵活，适用于空间狭小的小型船舶。工作时，海水从冷却水海底吸口9吸入，通过海水进水管10进入辅助系统2，通过辅助系统2内部的换热装置冷却专用冷却液，再通过海水排舷13外管排到右舷舷外。被冷却的专用冷却液通过冷却液进水管19进入氢燃料电池1，将氢燃料电池1冷却后再通过冷却液排水管20返回辅助系统2内。
所述氢燃料电池1分别设置有氢气入口、空气入口、排气口和出水口23；所述氢燃料电池1的氢气入口通过氢气管21贯通机舱后壁与氢气瓶连通，为氢燃料电池提供氢气源；所述氢燃料电池1的空气入口与空气进气管16连通，为氢燃料电池提供空气源；所述氢燃料电池1的排气口与排气管15连通，将氢燃料电池1内反应剩余的空气和少量生成的水汽通过机舱右舷排出舷外；燃料电池出水口23处安装有集水槽22，所述氢燃料电池1的出水口23与集水槽22连通，所述集水槽22通过第一排水泵5与生成水排舷外管12连通。氢燃料电池排出物为纯净的水，但排出点在水线以下，因此无法直排舷外。在排除点布置一个集水槽22，承接排出水，在水舱内布置有自动排水泵用于将水槽内的水排出舷外。同时所述集水槽22附近的舱底最低点设置第二排水泵24，所述第二排水泵24的出水口与舱底水排舷外管11连接。如果水槽内泵故障的话，水从水槽溢出，舱底的第二排水泵24可以完成排水。这就解决了燃料电池的排水问题，两个舱底泵增加了系统的安全性。
所述机舱侧壁还设置有通风系统，防止氢气在机舱内富集的同时，还能起到一定的冷却作用。所述通风系统包括两台抽风机3，每台抽风机的容量均可独立规范对换气要求(CCS规范)。氢燃料电池排出水会伴随少量氢气，为杜绝氢气在机舱内富集导致的危险，机舱内布置有两个不同电路供电的抽风机，任意风机的容量均可独立规范对换气要求，当一台损坏时，另外一台单独工作仍不影响航行安全。同时，燃料电池运行时会发出热量，两个风机也解决了散热问题。所述机舱侧壁上设置有自然通风百叶窗18，即使当两台抽风机3同时发生故障，两个自然通风百叶窗18亦可形成自然通风，对航行安全影响不大。两台抽风机3布置机舱左前，两个自然通风百叶窗18分别布置于机舱右侧前后壁。这样布置可使机舱内尽可能充分换气，工作时，空气从两个自然通风百叶窗18进入机舱，再由两台抽风机3抽出。本实施例中冷却水方向左舷进右舷出，通风方向正好相反，为右舷进左舷处。
所述机舱四壁布置有保温绝缘层4，减少机舱热量散失。所述机舱内还设置有热风机，保证机舱温度。所述热风机安装在机舱内侧靠近氢燃料电池1处，并朝向氢燃料电池1的电堆。
常规航行设备海底成像仪探头17布置于机舱底部，并在冷却水海底吸口9的前面，防止航行时扰流影响设备效果。
所述机舱中间的最高点，靠近氢燃料电池1处设置有第一级氢气探测器6和第二级氢气探测器7。两个氢气传感器布置于的位置，报警值设置也不相同，该位置和值经过计算和模拟，并通过多次实际试验调整，最终可为操作者安全操作提供足够的指导。如果机舱发生氢气泄露或富集，第一级氢气探测器6和第二级氢气探测器7会分别在不同的浓度向监测报警系统发送信号，提示驾驶员处理。
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。

Claims (10)

1.一种小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱内设置有氢燃料电池(1)、辅助系统(2)和集水槽(22)，所述辅助系统靠近船首布置，所述氢燃料电池(1)靠近船尾的氢气瓶布置；所述辅助系统(2)为换热装置，所述辅助系统(2)的冷媒入口和冷媒出口分别与海水连通，所述辅助系统(2)的热媒入口和热媒出口分别与氢燃料电池(1)的冷却液出口和冷却液入口连通；所述氢燃料电池(1)分别设置有氢气入口、空气入口、排气口和出水口(23)；所述氢燃料电池(1)的氢气入口通过氢气管(21)与氢气瓶连通，所述氢燃料电池(1)的出水口(23)与集水槽(22)连通，所述集水槽(22)通过第一排水泵(5)与生成水排舷外管(12)连通；
辅助系统的冷却液为去离子水，海水在辅助系统内冷却所述冷却液，冷却液再冷却氢燃料电池。
2.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述氢燃料电池(1)和辅助系统(2)分别设置在公共底座(14)上，所述公共底座(14)固定在机舱底部，所述氢燃料电池(1)与辅助系统(2)两者间距小于人体能通过距离；所述氢 燃料电池(1)和辅助系统(2)的中线与船中重合。
3.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述辅助系统的冷媒入口通过海水进水管(10)与冷却水海底吸口(9)连通；所述辅助系统的冷媒出口与海水排舷外管(13)连通。
4.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述集水槽(22)附近的舱底最低点设置第二排水泵(24)，所述第二排水泵(24)的出水口与舱底水排舷外管(11)连接。
5.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱的侧壁设置有通风系统，所述通风系统包括至少两台抽风机(3)，每台抽风机(3)的容量均可独立满足规范对换气要求。
6.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱侧壁上设置有自然通风百叶窗(18)。
7.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱四壁布置有保温绝缘层(4)。
8.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱内还设置有热风机(8)，所述热风机(8)安装在机舱内侧靠近氢燃料电池(1)处，并朝向氢燃料电池(1)的电堆。
9.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，常规航行设备海底成像仪探头(17)布置于机舱底部，并在冷却水海底吸口(9)的前面。
10.根据权利要求1所述的小型多用途氢动力船舶的机舱布置方法，其特征在于，所述机舱中间的最高点，靠近氢燃料电池(1)处，至少设置有第一级氢气探测器(6)和第二级氢气探测器(7)。
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