CN113386936A - 模块化氢能船舶电传动力系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种模块化氢能船舶电传动力系统及方法，设置有甲醇重整制氢模块、燃料电池模块、动力电机模块和低压吸附储氢模块，所述燃料电池模块的第一进料端连接有甲醇重整制氢模块，第二进料端连接有低压吸附储氢模块，该低压吸附储氢模块的进料端与所述甲醇重整制氢模块连接；所述燃料电池模块的输出端与直流变压模块连接，该直流变压模块的输出端与动力电机模块连接。现有的高压储氢，一般为70兆帕，燃料电池存在安全隐患，本发明中采用低压吸附存储，安全可靠；甲醇水重整制氢加热需要10分钟左右的时间，在船舶启动的时候，利用低压吸附储氢模块提供氢气，同时蓄电池模块提供补充电力，满足船舶启动初期需要大功率动力的需求。
Description
技术领域
本发明涉及船舶动力技术领域，具体涉及一种模块化氢能船舶电传动力系 统及方法。
背景技术
我国是海洋航运大国，也是内陆航运大国，更是轮船制造大国，全国船舶 登记在册17.26万艘，排水量2.44亿吨，占全球1/10；全国规模以上船舶工业企 业1052家。所有航运船只都是“含能体能源”石油产品的提炼物燃油，且都是 内燃机动力。
目前船舶新能源锂电应用技术刚起步，主要代表有中船重工、重庆大学、 武汉理工大学等单位。未来的路还很长，锂电的应用始终逃不掉锂电质量重， 续航能力等问题，只适合于内陆小吨位船只。
现有船舶行业痛点
1、含油污水污染
船用含油污水包括机器处所油污水和含货油残余物的油污水。船舶油类污 染可以分成船舶油污水(压舱水、洗舱水、舱底水、舱底残油)和船舶溢油两 类污染。油类系船舶装载的货油和船舶在运营中使用的油品，包括原油、燃料 油、润滑油、油泥、油渣和石油炼制品在内的任何形式的石油和油性混合物。 含油污水对河流和海洋的污染只有素质、道德约束，职能部门监管鞭长莫及， 甚至力不从心。
2、排放造成的空气污染
全世界船舶动力系统及发电装置都是燃油为能源，且是柴油为主要燃料； 全国排放污染排名为汽车第一，工业第二，船舶第三，船舶污染排放成了主要 排放环境污染之一，船舶碳化物排放占总排放量的11.3％，SO2占总排放量的 8.4％，还有部分氮氢化合物和碳氢化合物，对大气的污染的严重程度显而易见。
3、噪音污染
由于船舶是柴油内燃机动力，声音很大，内河和沿海城市经常受噪音影响。4、
4、成本居高不下
内燃机的热转换效率不到30％，即是燃油做功部分只有30％，其余全部转化 成热量损失掉了。
氢能电源或动力为第三代新能源船用动力革命产品，国家重点扶持的朝阳 产业，是又一次能源革命的引领产品。目前全球推广使用的氢燃料电池基本上 都采用高压储氢技术，10年来的应用效果并不尽人意，安全性差，辅助建站成 本高，成本回收遥遥无期，社会资本投资意愿不强，导致推广难度很大。
现有氢能源利用主要的问题：
安全风险：氢气在门捷耶夫元素周期表中的位置决定了他分子最小，是最 活跃的元素之一；加上氢气的氢脆现象以及燃爆浓度范围特别广泛(4-72％)， 低浓度的氢气泄露都容易引起爆炸。氢气还有一个爆炸特点，它不像天然气的 爆炸，由于分子量小，爆炸式成链式反应爆炸，相当于小当量核爆炸，所以以 前把它作为危化品管理
储存痛点：全世界氢能应用主流都是高压储氢，首先是储氢罐技术难度， 只有西方发达国家解决了70MPa的储氢罐技术，我国只停留在35MPa应用上， 70MPa的储氢罐技术不成熟，处于研发后期的认证阶段，没有产业化；这给轮船 的续航能力带来困扰。
运输成本高：氢气运输车辆(船)必须是特制运输罐车(船)，运输(航运) 路线定制，行车(航运)安全要求更高，所以带来运输成本高昂。
加注站基础设施建设成本高：由于高压储氢，加注氢气风险比天然气更大； 且需要建设大量加注站，对场地范围的选择很小，重建系列氢气加注站需要大 量的基础建设成本，占用社会资源很多。所以高压储氢线路多年来一直推广难 度高而制约了氢燃料电池动力的发展。
使用心理障碍：在轮船上装几个高压储氢罐，就像在轮船上装了一个核弹， 驾乘人员的心理阴影面积很大。
轮船停靠和过船闸等问题：装有高压储氢罐的轮船停在通过船闸和停靠码 头的风险急剧上增。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种结构简单，智能化程度高，运行平 稳，安全可靠的模块化氢能船舶电传动力系统，具体技术方案如下：
一种模块化氢能船舶电传动力系统，设置有甲醇重整制氢模块、燃料电池 模块、动力电机模块和低压吸附储氢模块，所述燃料电池模块的第一进料端连 接有甲醇重整制氢模块，第二进料端连接有低压吸附储氢模块，该低压吸附储 氢模块的进料端与所述甲醇重整制氢模块连接；所述燃料电池模块的输出端与 直流变压模块连接，该直流变压模块的输出端与动力电机模块连接。
作为优化：所述直流变压模块的输出端还并联有蓄电池模块，该蓄电池模 块的输出端分别与所述动力电机的电源端连接。
作为优化：还设置有控制模块，该控制模块的控制端分别与所述甲醇重整 制氢模块、燃料电池模块、低压吸附储氢模块和直流变压模块电性连接。
作为优化：所述甲醇重整制氢模块设置有一级冷却器，该一级冷却器输入 端与重整反应器的输出端连接，该一级冷却器的输出端与二级冷却器的输入端 连接；所述一级冷却器的冷却液输入端与储存箱的第一输出端连接，该一级冷 却器的冷却液输出端与所述混合加热器的第二输入端连接，该混合加热器第一 输入端与所述储存箱的第二输出端连接；所述二级冷却器的输出端与气液分离 器的输入端连接，该气液分离器的液体输出端与储存箱连接，所述气液分离器 的气体输出端为系统输出端。一级冷却器利用重整气中的余热将进入混合加热 器的甲醇水的混合溶液加热，不仅冷却了重整气还利用重整气的余热，降低了 混合加热器所需要热负荷，优化了整个系统的热能利用率。
作为优化：所述混合加热器设置有罐体(101)，在该罐体(101)的底部通 过法兰盘(102)连接有加热盘管(103)，该加热盘管(103)伸入所述罐体(101) 内部；在所述罐体(101)的内部设置有喷雾机构(104)，该喷雾机构(104) 的进料管穿出所述罐体(101)，所述进料管的第一支路与所述储存箱的输出口 连接，另一支路与所述一级冷却器的冷却液输出端连接；在所述罐体(101)的 顶部设置有蒸汽出口(105)，该蒸汽出口(105)与所述重整反应器的输入端连 接。采用储存罐中的甲醇水溶液作为一级冷却器的冷媒，可以利用重整气体中 的余热对原料进行加热，节能环保，同时混合加热器采用内部加热，加热均匀 快速，体积也更加小巧。
作为优化：所述重整反应器设置有筒体(201)，该筒体(201)底部设置有 第一金属网(202)，在所述筒体(201)的顶部设置有第二金属网(203)，在所 述筒体(201)底部还穿设有加热装置(204)，该加热装置(204)另一端穿过 所述第二金属网(203)；在所述第一金属网(202)和第二金属网(203)之间 的空腔填充有催化剂(205)，在所述筒体(201)的顶部设置有反应气体进口 (206)，该反应气体进口(206)位于所述第二金属网(203)上方，在所述筒 体(201)的底部设置有重整气出口207，该重整气出口207位于所述第一金属 网202)下方。加热装置位于内部，与气体和催化剂紧密接触，加热速度快，反 应迅速，也减小了设备体积。
作为优化：所述一级冷却器设置有换热器壳体(301)，在该换热器壳体(301) 内部设置有冷却盘管(302)，该冷却盘管(302)的输入端与所述重整反应器的 输出端连接，输出端与所述二级冷却器的输入端连接；
所述换热器壳体(301)的输入端与所述储存箱的第一输出端连接，输出端 与所述混合加热器的第二输入端连接。
作为优化：所述二级冷却器设置有安装壳体(401)，在该安装壳体(401) 的顶部设置有风扇机构(402)，在所述安装壳体(401)内部安装有冷却盘管 (403)，在该冷却盘管(403)表面安装有冷却翅片(404)，所述风扇机构(402) 与所述冷却翅片(404)正对设置。采用风扇和冷却翅片配合，加速空气流动， 热交换速度快，整体效率高，整体结构简单。
模块化氢能船舶电传动力系统的方法，具体步骤为：
步骤一：将低压吸附储氢模块氢气和蓄电池预先充满；
步骤二：船舶启动，采用蓄电池启动燃料电池压缩机，低压吸附储氢模块 为燃料电池模块提供氢气，同时甲醇重整制氢模块启动；
步骤三：采用燃料电池模块为动力电机模块供电，蓄电池模块作为备用电 源；
步骤四：甲醇重整制氢模块正常输出氢气后，切断低压吸附储氢模块输出；
步骤五：检测到甲醇重整制氢模块产生的氢气有富余的时候，为低压吸附 储氢模块充气；
步骤六：检测到燃料电池模块需要大功率输出，启动低压吸附储氢模块为 燃料电池模块补充氢气供给，燃料电池模块大功率输出需求结束，则进入步骤 五。
作为优化：检测到燃料电池模块输出电力有富余的状态时，为蓄电池模块 充电。
本发明的有益效果为：1、现有的高压储氢，一般为70兆帕，燃料电池 存在安全隐患，本发明中采用低压吸附存储，安全可靠；2、高压储氢需要建设 加氢站投资大，氢气的运输与储存难度大、成本高、存在安全隐患，同时因为 船舶氢气需求量大，并且航行距离远，不适合采用加气的方式进行补充能量。
3、甲醇水重整制氢加热需要10分钟左右的时间，在船舶启动的时候，利 用低压吸附储氢模块提供氢气，同时蓄电池模块提供补充电力，满足船舶启动 初期需要大功率动力的需求。
4、甲醇重整制氢模块整体设备结构简单，组合方便，让没有反应的甲醇和 水的蒸汽经过冷却形成液体，从而和气态的不可凝重整气相分离。传统装置中 为了将没有反应的甲醇和水分离冷却采用脱盐水洗涤塔、循环水冷却器和气液 分离器配合使用，需要由公用工程系统提供脱盐水和循环水，同时设备较为复 杂；一级冷却器利用重整气中的余热将进入混合加热器的甲醇水的混合溶液加 热，不仅冷却了重整气还利用重整气的余热，降低了混合加热器所需要热负荷， 优化了整个系统的热能利用率；二级冷却器采用自然风在风扇的带动下将一级 冷却器之后的重整气在风冷器中进一步冷却，同时在二级冷却器下部设置液体 收集管路，将冷却的甲醇和水溶液进行收集；气液分离器将重整气中的携带的 甲醇水的混合溶液形成的水雾在内部设置的捕雾器下引流到容器内壁进行捕 集，在底部设置排液口，通过排液管路和二级冷却器的液体收集管路连接，最 后将冷却的甲醇和水溶液返送回储存箱，气液分离完毕的重整气通过气液分离 器上部排出，结构简单，功能完整，节能环保。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中甲醇重整制氢模块结构示意图。
图3为发明中混合加热器的结构示意图；
图4为发明中重整反应器的结构示意图；
图5为发明中一级冷却器的结构示意图；
图6为发明中二级冷却器的机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被 本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示：一种模块化氢能船舶电传动力系统，设置有甲醇重整制氢模 块、燃料电池模块、动力电机模块和低压吸附储氢模块，所述燃料电池模块的 第一进料端连接有甲醇重整制氢模块，第二进料端连接有低压吸附储氢模块， 该低压吸附储氢模块的进料端与所述甲醇重整制氢模块连接；所述燃料电池模 块的输出端与直流变压模块连接，该直流变压模块的输出端与动力电机模块连 接，所述直流变压模块的输出端还并联有蓄电池模块，该蓄电池模块的输出端 分别与动力电机的电源端连接。
还设置有控制模块，该控制模块的控制端分别与所述甲醇重整制氢模块、 燃料电池模块、低压吸附储氢模块和直流变压模块电性连接。
如图2所示：甲醇重整制氢模块设置有一级冷却器，该一级冷却器输入端 与重整反应器的输出端连接，该一级冷却器的输出端与二级冷却器的输入端连 接；所述一级冷却器的冷却液输入端与储存箱的第一输出端连接，该一级冷却 器的冷却液输出端与所述混合加热器的第二输入端连接，该混合加热器第一输 入端与所述储存箱的第二输出端连接；所述二级冷却器的输出端与气液分离器 的输入端连接，该气液分离器的液体输出端与储存箱连接，所述气液分离器的 气体输出端为系统输出端。
如图3所示：混合加热器设置有罐体101，在该罐体101的底部通过法兰盘 102连接有加热盘管103，该加热盘管103伸入所述罐体101内部；
在罐体101的内部设置有喷雾机构104，该喷雾机构104位于罐体101底部 位置，该喷雾机构104的进料管穿出罐体101，所述进料管的第一支路与储存箱 的输出口连接，另一支路与所述一级冷却器的冷却液输出端连接；在所述罐体 101的顶部设置有蒸汽出口105，该蒸汽出口105与重整反应器的输入端连接。
如图4所示：重整反应器设置有筒体201，该筒体201底部设置有第一金属 网202，在筒体201的顶部设置有第二金属网203，在筒体201底部还穿设有加 热装置204，该加热装置204另一端穿过所述第二金属网203；在第一金属网202 和第二金属网203之间的空腔填充有催化剂205，在所述筒体201的顶部设置有 反应气体进口206，该反应气体进口206位于第二金属网203上方，在筒体201 的底部设置有重整气出口207，该重整气出口207位于第一金属网202下方。其 中加热装置204设置有列管安装板，在该列管安装板表面均匀穿设有加热管， 在该加热管内部穿设有电热丝，其中列管安装板通过法兰盘与所述筒体底部连 接。
如图5所示：所述一级冷却器设置有换热器壳体301，在该换热器壳体301 内部设置有冷却盘管302，该冷却盘管302的输入端与重整反应器的输出端连接， 输出端与二级冷却器的输入端连接；所述换热器壳体301的输入端与所述储存 箱的第一输出端连接，输出端与所述混合加热器的第二输入端连接。
如图6所示：二级冷却器设置有安装壳体401，在该安装壳体401的顶部设 置有风扇机构402，在安装壳体401内部安装有冷却盘管403，在该冷却盘管403 表面安装有冷却翅片404，所述风扇机构402与冷却翅片404正对设置。
甲醇重整制氢模块的使用原理：储存箱中的甲醇和水溶液进入罐体101后 通过喷雾机构104喷出，在加热盘管103作用下进行加温，同时储存箱中的甲 醇和水溶液进入换热器壳体301中与冷却盘管302中重整后气体进行热交换， 加热后的甲醇和水溶液通过喷雾机构104喷射，减轻加热盘管103的负荷；加 热后的甲醇和水溶液进入筒体201中，在催化剂205和加热装置204的作用下， 产生氢气，然后经过一级冷却器和二级冷却器冷却后，在气液分离器的作用下， 将剩余的甲醇和水溶液输送回储存箱中，产生的氢气由气液分离器由气体排出 口输送到一个流程。
模块化氢能船舶电传动力系统的方法，具体步骤为：
步骤一：将低压吸附储氢模块氢气和蓄电池预先充满；
步骤二：船舶启动，采用蓄电池启动燃料电池压缩机，低压吸附储氢模块 为燃料电池模块提供氢气，同时甲醇重整制氢模块启动；
步骤三：采用燃料电池模块为动力电机模块供电，蓄电池模块作为备用电 源；
步骤四：甲醇重整制氢模块正常输出氢气后，切断低压吸附储氢模块输出；
步骤五：检测到甲醇重整制氢模块产生的氢气有富余的时候，为低压吸附 储氢模块充气；
步骤六：检测到燃料电池模块需要大功率输出，启动低压吸附储氢模块为 燃料电池模块补充氢气供给，燃料电池模块大功率输出需求结束，则进入步骤 五；
步骤七：检测到燃料电池模块输出电力有富余的状态时，为蓄电池模块充 电。
Claims (10)
1.一种模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：设置有甲醇重整制氢模块、燃料电池模块、动力电机模块和低压吸附储氢模块，所述燃料电池模块的第一进料端连接有甲醇重整制氢模块，第二进料端连接有低压吸附储氢模块，该低压吸附储氢模块的进料端与所述甲醇重整制氢模块连接；
所述燃料电池模块的输出端与直流变压模块连接，该直流变压模块的输出端与动力电机模块连接。
2.根据权利要求1所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述直流变压模块的输出端还并联有蓄电池模块，该蓄电池模块的输出端分别与所述动力电机的电源端连接。
3.根据权利要求1所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：还设置有控制模块，该控制模块的控制端分别与所述甲醇重整制氢模块、燃料电池模块、低压吸附储氢模块和直流变压模块电性连接。
4.根据权利要求1所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述甲醇重整制氢模块设置有一级冷却器，该一级冷却器输入端与重整反应器的输出端连接，该一级冷却器的输出端与二级冷却器的输入端连接；所述一级冷却器的冷却液输入端与储存箱的第一输出端连接，该一级冷却器的冷却液输出端与所述混合加热器的第二输入端连接，该混合加热器第一输入端与所述储存箱的第二输出端连接；所述二级冷却器的输出端与气液分离器的输入端连接，该气液分离器的液体输出端与储存箱连接，所述气液分离器的气体输出端为系统输出端。
5.根据权利要求4所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述混合加热器设置有罐体(101)，在该罐体(101)的底部通过法兰盘(102)连接有加热盘管(103)，该加热盘管(103)伸入所述罐体(101)内部；在所述罐体(101)的内部设置有喷雾机构(104)，该喷雾机构(104)的进料管穿出所述罐体(101)，所述进料管的第一支路与所述储存箱的输出口连接，另一支路与所述一级冷却器的冷却液输出端连接；在所述罐体(101)的顶部设置有蒸汽出口(105)，该蒸汽出口(105)与所述重整反应器的输入端连接。
6.根据权利要求4所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述重整反应器设置有筒体(201)，该筒体(201)底部设置有第一金属网(202)，在所述筒体(201)的顶部设置有第二金属网(203)，在所述筒体(201)底部还穿设有加热装置(204)，该加热装置(204)另一端穿过所述第二金属网(203)；在所述第一金属网(202)和第二金属网(203)之间的空腔填充有催化剂(205)，在所述筒体(201)的顶部设置有反应气体进口(206)，该反应气体进口(206)位于所述第二金属网(203)上方，在所述筒体(201)的底部设置有重整气出口207，该重整气出口207位于所述第一金属网202)下方。
7.根据权利要求4所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述一级冷却器设置有换热器壳体(301)，在该换热器壳体(301)内部设置有冷却盘管(302)，该冷却盘管(302)的输入端与所述重整反应器的输出端连接，输出端与所述二级冷却器的输入端连接；
所述换热器壳体(301)的输入端与所述储存箱的第一输出端连接，输出端与所述混合加热器的第二输入端连接。
8.根据权利要求4所述模块化氢能船舶电传动力系统，其特征在于：所述二级冷却器设置有安装壳体(401)，在该安装壳体(401)的顶部设置有风扇机构(402)，在所述安装壳体(401)内部安装有冷却盘管(403)，在该冷却盘管(403)表面安装有冷却翅片(404)，所述风扇机构(402)与所述冷却翅片(404)正对设置。
9.根据权利要求2所述模块化氢能船舶电传动力系统的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：将低压吸附储氢模块氢气和蓄电池预先充满；
步骤二：船舶启动，采用蓄电池启动燃料电池压缩机，低压吸附储氢模块为燃料电池模块提供氢气，同时甲醇重整制氢模块启动；
步骤三：采用燃料电池模块为动力电机模块供电，蓄电池模块作为备用电源；
步骤四：甲醇重整制氢模块正常输出氢气后，切断低压吸附储氢模块输出；
步骤五：检测到甲醇重整制氢模块产生的氢气有富余的时候，为低压吸附储氢模块充气；
步骤六：检测到燃料电池模块需要大功率输出，启动低压吸附储氢模块为燃料电池模块补充氢气供给，燃料电池模块大功率输出需求结束，则进入步骤五。
10.根据权利要求9所述模块化氢能船舶电传动力系统的方法，其特征在于：检测到燃料电池模块输出电力有富余的状态时，为蓄电池模块充电。
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| CN202110383032.4A CN113386936A (zh) | 2021-04-09 | 2021-04-09 | 模块化氢能船舶电传动力系统及方法 |
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Cited By (1)
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| CN114671002A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-06-28 | 广船国际有限公司 | 一种可降低NOx排放的氢燃料船舶 |
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- 2021-04-09 CN CN202110383032.4A patent/CN113386936A/zh active Pending
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