CN113783227A - 一种船用燃料电池供电系统及燃料电池船 - Google Patents

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Abstract

一种船用燃料电池供电系统及燃料电池船，船用燃料电池供电系统包括：气源，设置于甲板以上；空气压缩机，设置于甲板以下；空气过滤器，与空气压缩机的进气口连接；模块化燃料电池组件，其燃气输入端与气源连接，空气输入端与空气压缩机的出气口连接；换热装置，设置于船舱底部并与模块化燃料电池组件中冷却管系连接；配电系统，与模块化燃料电池组件的电输出端连接；控制系统，设置于控制室内并分别与配电系统、模块化燃料电池组件连接。本发明采用模块化设计提高了功率密度，能够运用到较大型的船舶中使用，且采用模块化设计之后也不再需要进行集成化安装，使船用燃料电池供电系统的安装更加灵活，能够更好的利用船舶内空间进行布置。

Description

一种船用燃料电池供电系统及燃料电池船
技术领域
本发明属于船舶领域，具体涉及一种船用燃料电池供电系统及燃料电池船。
背景技术
目前，我国乃至世界范围内的水上航运、客运船舶，仍主要以燃油内燃机作为主要供电源，主要是通过化石燃料燃烧、膨胀推动活塞做功，进而带动主轴转动，由此将化学能转化为机械能，进而通过发电机再转化为电能，供给船舶的用电需求。随着世界范围对环境保护重视的不断提高，对能源的要求也在逐步提高，清洁能源的发展势在必行。
随着清洁能源发电技术的快速发展，锂电池作为一种清洁、可靠的供电源已广泛应用到船舶领域。但是由于锂电池能量密度限制导致的装置较笨重、占地较大，以及在役期后的回收处理较为困难的问题，在大功率应用场景下的进一步推广还存在一定难度。相比于陆用固定式环境，船舶对空间高效利用的需求更高，锂电池体积大、重量高的特性更为凸显，因此目前锂电池主要用作备用电源使用，不作为主推进使用。因此，如何在船舶场境下合理使用清洁能源供电，提高空间利用率，提升供电总容量及整体供电能力是需要进一步探索的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种船用燃料电池供电系统，所述船用燃料电池供电系统解决了现有清洁能源发电技术难以满足船舶使用的问题。本发明还提出了一种燃料电池船。
根据本发明第一方面实施例的船用燃料电池供电系统，包括：
气源，设置于甲板以上；
空气压缩机，设置于所述甲板以下；
空气过滤器，与所述空气压缩机的进气口连接；
模块化燃料电池组件，其燃气输入端与所述气源连接，空气输入端与所述空气压缩机的出气口连接，所述模块化燃料电池组件用于产生电能；
换热装置，设置于船舱底部并与所述模块化燃料电池组件中冷却管系连接，用于为所述模块化燃料电池组件提供冷却；
配电系统，与所述模块化燃料电池组件的电输出端电性连接，用于为全船分配电力；
控制系统，设置于控制室内并分别与所述配电系统、模块化燃料电池组件电性连接。
根据本发明实施例的船用燃料电池供电系统，至少具有如下技术效果：通过气源、空气压缩机可以为模块化燃料电池组件提供足够的燃料气体，进而可以通过模块化燃料电池组件中的化学反应产生足够的电能。通过采用模块化设置的模块化燃料电池组件，可以便于对模块化燃料电池组件进行的安装和堆叠，从而可以提高燃料电池功率体积密度。通过空气过滤器可以有效的提高进入空气压缩机中空气的清洁度，进而保证模块化燃料电池组件化学反应的持续稳定的执行。通过换热装置可以实现对模块化燃料电池组件的散热，进而保证模块化燃料电池组件的正常运行。通过配电系统可以输出满足全船需求的电压，并且可直接利用配电系统输出电压驱动船舶的电驱动系统。本发明实施例的船用燃料电池供电系统通过采用模块化设计提高了功率密度，能够运用到较大型的船舶中使用，且采用模块化设计之后也不再需要进行集成化的安装，使整个船用燃料电池供电系统的安装更加灵活，能够更好的利用船舶内空间进行布置，不需要对船舶的结构进行过多的修改，适合进行产业化推广。
根据本发明的一些实施例，所述配电系统包括：
单相DC变换器，其输入端与所述模块化燃料电池组件的电输出端电性连接；
配电柜，与所述单相DC变换器的输出端电性连接。
根据本发明的一些实施例，上述船用燃料电池供电系统还包括：
蓄电池单元；
双向DC变换器，其一端与所述蓄电池单元电性连接，另一端分别与所述模块化燃料电池组件的电输出端、所述配电柜电性连接。
根据本发明的一些实施例，所述配电系统还包括与所述配电柜、所述双向DC变换器、所述单相DC变换器电性连接的外置升压逆变器，用于对所述双向DC变换器、所述单相DC变换器输出的电压进行升压逆变。
根据本发明的一些实施例，所述模块化燃料电池组件和所述空气压缩机设置于同一个舱室。
根据本发明的一些实施例，所述空气过滤器与所述空气压缩机设置于不同的舱室。
根据本发明的一些实施例，所述模块化燃料电池组件、空气压缩机皆有多个，多个所述模块化燃料电池组件堆叠于一个舱室内，多个所述模块化燃料电池组件与多个所述空气压缩机一一对应连接。
根据本发明的一些实施例，所述气源包括至少一个氢气罐。
根据本发明第二方面实施例的燃料电池船，包括船体以及设置于所述船体内的：
如上述的船用燃料电池供电系统；
与所述配电系统电性连接的驱动电机；
齿轮箱，与所述驱动电机的输出轴连接；
螺旋桨，与所述齿轮箱连接；所述驱动电机和齿轮箱共同用于驱动所述螺旋桨运转。
根据本发明实施例的燃料电池船，至少具有如下技术效果：通过采用上述的船用燃料电池供电系统，能够提供整个船舶所需要的电力，且足以驱动驱动电极带动整个齿轮箱和螺旋桨的运行。同时，采用上述模块化的船用燃料电池供电系统，能够更好的适用于船舶本身的结构进行安装和设计，不需要使用过多的结构改造。集中化的空间来布置船用燃料电池供电系统，极大的保证了船舶自身应当具备的功能的实现。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的船用燃料电池供电系统的布局示意图。
附图标记：
气源110、空气压缩机120、空气过滤器130、模块化燃料电池组件140、换热装置150、
控制系统210、单相DC变换器221、配电柜222、蓄电池单元231、双向DC变换器232、
驱动电机310、齿轮箱320、螺旋桨330。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面参考图1描述根据本发明实施例的船用燃料电池供电系统。
根据本发明实施例的船用燃料电池供电系统，包括气源110、空气压缩机120、空气过滤器130、空气过滤器130、模块化燃料电池组件140、换热装置150、配电系统、控制系统210。
气源110，设置于甲板以上；
空气压缩机120，设置于甲板以下；
空气过滤器130，与空气压缩机120的进气口连接；
模块化燃料电池组件140，其燃气输入端与气源110连接，空气输入端与空气压缩机120的出气口连接，模块化燃料电池组件140用于产生电能；
换热装置150，设置于船舱底部并与模块化燃料电池组件140中冷却管系连接，用于为模块化燃料电池组件140提供冷却；
配电系统，与模块化燃料电池组件140的电输出端电性连接，用于为全船分配电力；
控制系统210，设置于控制室内并分别与配电系统、模块化燃料电池组件140电性连接。
参考图1，气源110可以采用气罐，气罐的具体数量和容积需要根据实际的航行需求来进行调整。气罐可以直接设置在主甲板面上，有效减短气罐到机舱的距离，同时，主甲板也可以提供更加旷阔的安装环境，便于进行安装。气源110安装结束后，会通过管系连接到模块化燃料电池组件140，以提供燃料气体。
模块化燃料电池组件140是采用的模块化结构，该模块化结构中仅保留进行化学反应的部件，将空气压缩机120、空气过滤器130等部件分离单独设置，从而可以极大的缩小模块化燃料电池组件140的体积，且将模块化燃料电池组件140设计模块化结构之后，可以实现对多个模块化燃料电池组件140进行堆叠，从而可以保证在单个舱室中放置尽可能多的模块化燃料电池组件140，此时只需要保证空气压缩机120和气源110的供气充足，便可以极大的提高功率体积密度，实现更小的占用空间提供更高功率的目的，以满足体型更大的电驱船的使用。
空气压缩机120主要提供压缩空气，以保证模块化燃料电池组件140中反应的正常进行。空气压缩机120通常会和模块化燃料电池组件140一一对应设置，以保证供气的稳定性。空气过滤器130可以过滤进入空气压缩机120的空气，保证最终进入到模块化燃料电池组件140中空气的质量。此外需要说明，在一些实施例中，空气过滤器130不需要像传统的集成式结构燃料电池一样紧靠空气压缩机120和燃料电池组件进行布置，而可以将空气过滤器130布置在舱室中更为宽阔的位置，从而减少空气过滤器130连接到空气压缩机120时的管线直角、钝角弯头，进行达到减少空气阻流来降低系统损耗以提升系统能效的目的。
换热装置150直接设置在船舱底部，其具有进行换热的第一管系和第二管系，第一管系和模块化燃料电池组件140中冷却管系连接，第二管系直接连接到船舱外，使得船舶在行驶时可以直接利用船外的水进行换热。
配电系统直接连接在模块化燃料电池组件140电输出端，从而能够直接对电能进行分配。控制系统210可以控制配电系统和模块化燃料电池组件140的工作状态，从而可以实现对全船实际需求电力进行分配，同时也可以在电力需求较少时，降低模块化燃料电池组件140提供的电力，节约能源。控制系统210通常会设置在驾驶室中。
根据本发明实施例的船用燃料电池供电系统，通过气源110、空气压缩机120可以为模块化燃料电池组件140提供足够的燃料气体，进而可以通过模块化燃料电池组件140中的化学反应产生足够的电能。通过采用模块化设置的模块化燃料电池组件140，可以便于对模块化燃料电池组件140进行的安装和堆叠，从而可以提高燃料电池功率体积密度。通过空气过滤器130可以有效的提高进入空气压缩机120中空气的清洁度，进而保证模块化燃料电池组件140化学反应的持续稳定的执行。通过换热装置150可以实现对模块化燃料电池组件140的散热，进而保证模块化燃料电池组件140的正常运行。通过配电系统可以输出满足全船需求的电压，并且可直接利用配电系统输出电压驱动船舶的电驱动系统。本发明实施例的船用燃料电池供电系统通过采用模块化设计提高了功率密度，能够运用到较大型的船舶中使用，且采用模块化设计之后也不再需要进行集成化的安装，使整个船用燃料电池供电系统的安装更加灵活，能够更好的利用船舶内空间进行布置，不需要对船舶的结构进行过多的修改，适合进行产业化推广。此外，模块化且分体式的设计可以更加的便于维护和维修。
在发明的一些实施例中，参考图1，配电系统包括：单相DC变换器221、配电柜222。单相DC变换器221，其输入端与模块化燃料电池组件140的电输出端电性连接；配电柜222，与单相DC变换器221的输出端电性连接。单相DC变换器221可以将模块化燃料电池组件140输出的电压进行变换，然后输入到配电柜222中，配电柜222内置有升压逆变器，从而可以将直流电转换为交流电供全船进行使用。
在发明的一些实施例中，参考图1，上述船用燃料电池供电系统还包括：蓄电池单元231、双向DC变换器232。双向DC变换器232的一端与蓄电池单元231电性连接，另一端分别与模块化燃料电池组件140的电输出端、配电柜222电性连接。蓄电池单元231主要用于在用电高峰时段对燃料电池所产生的电量进行补充，以保证全船设备正常使用，因此其额定储能也不用过高；而在闲时，则可以利用模块化燃料电池组件140产生的电能对蓄电池单元231进行充能以保证储能的充沛。使用双向DC变换器232则可以辅助配电柜222和蓄电池单元231之间进行电能转换。
在发明的一些实施例中，配电系统还包括与配电柜222、双向DC变换器232、单相DC变换器221电性连接的外置升压逆变器，用于对双向DC变换器232、单相DC变换器221输出的电压进行升压逆变。在配电柜222不具备内置升压逆变器时，则需要使用外置升压逆变器来辅助进行升压逆变。
在发明的一些实施例中，模块化燃料电池组件140和空气压缩机120设置于同一个舱室。这里将空气压缩机120和模块化燃料电池组件140设置在同一个舱室中，可以进一步保证为模块化燃料电池组件140的供气稳定性。
在发明的一些实施例中，空气过滤器130与空气压缩机120设置于不同的舱室。空气过滤器130设置时可以直接设置在与空气压缩机120不同的舱室中，从而可以避免和空气压缩机120和模块化燃料电池组件140布置在一起，进一步保证管线直角、钝角弯头数量的减少。同时，空气过滤器130与空气压缩机120分开设置在不同的舱室，也可以为模块化燃料电池组件140留出更多的空间进行堆叠来提高功率体积密度。
在发明的一些实施例中，模块化燃料电池组件140、空气压缩机120皆有多个，多个模块化燃料电池组件140堆叠于一个舱室内，多个模块化燃料电池组件140与多个空气压缩机120一一对应连接。模块化燃料电池组件140采用多个时，因为采用了模块化的结构，因此可以直接进行堆叠，从而可以获得更大的输出功率，以驱动较大型的电驱动船舶的航行。
在发明的一些实施例中，气源110包括至少一个氢气罐。使用氢气作为燃料气体，可以提高更大的能量，且氢气质量轻便也适合远距离航行使用。相应的，在使用氢气罐时，模块化燃料电池组件140可以也需要使用对应的反应堆，以保证化学反应正常进行。
根据本发明第二方面实施例的燃料电池船，包括船体以及设置于船体内的：数据集中器800、监控中心910、至少一个如上述的船用燃料电池供电系统。
如上述的船用燃料电池供电系统；
与配电系统电性连接的驱动电机310；
齿轮箱320，与驱动电机310的输出轴连接；
螺旋桨330，与齿轮箱320连接；驱动电机310和齿轮箱320共同用于驱动螺旋桨330运转。
参考图1，采用了上述的船用燃料电池供电系统后，可以通过配电柜222向驱动电机310进行供电，从而使得驱动电机310在控制系统210的控制下实现转速调整和转向调整，进而通过带动齿轮箱320来驱动螺旋桨330进行转动，达到驱动船舶航行的效果。
根据本发明实施例的燃料电池船，至少具有如下技术效果：通过采用上述的船用燃料电池供电系统，能够提供整个船舶所需要的电力，且足以驱动驱动电机310带动整个齿轮箱320和螺旋桨330的运行。同时，采用上述模块化的船用燃料电池供电系统，能够更好的适用于船舶本身的结构进行安装和设计，不需要使用过多的结构改造。集中化的空间来布置船用燃料电池供电系统，极大的保证了船舶自身应当具备的功能的实现。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种船用燃料电池供电系统，其特征在于，包括：
气源(110)，设置于甲板以上；
空气压缩机(120)，设置于所述甲板以下；
空气过滤器(130)，与所述空气压缩机(120)的进气口连接；
模块化燃料电池组件(140)，其燃气输入端与所述气源(110)连接，空气输入端与所述空气压缩机(120)的出气口连接，所述模块化燃料电池组件(140)用于产生电能；
换热装置(150)，设置于船舱底部并与所述模块化燃料电池组件(140)中冷却管系连接，用于为所述模块化燃料电池组件(140)提供冷却；
配电系统，与所述模块化燃料电池组件(140)的电输出端电性连接，用于为全船分配电力；
控制系统(210)，设置于控制室内并分别与所述配电系统、模块化燃料电池组件(140)电性连接。
2.根据权利要求1所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述配电系统包括：
单相DC变换器(221)，其输入端与所述模块化燃料电池组件(140)的电输出端电性连接；
配电柜(222)，与所述单相DC变换器(221)的输出端电性连接。
3.根据权利要求2所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，还包括：
蓄电池单元(231)；
双向DC变换器(232)，其一端与所述蓄电池单元(231)电性连接，另一端分别与所述模块化燃料电池组件(140)的电输出端、所述配电柜(222)电性连接。
4.根据权利要求3所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述配电系统还包括与所述配电柜(222)、所述双向DC变换器(232)、所述单相DC变换器(221)电性连接的外置升压逆变器，用于对所述双向DC变换器(232)、所述单相DC变换器(221)输出的电压进行升压逆变。
5.根据权利要求1所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述模块化燃料电池组件(140)和所述空气压缩机(120)设置于同一个舱室。
6.根据权利要求5所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述空气过滤器(130)与所述空气压缩机(120)设置于不同的舱室。
7.根据权利要求1所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述模块化燃料电池组件(140)、空气压缩机(120)皆有多个，多个所述模块化燃料电池组件(140)堆叠于一个舱室内，多个所述模块化燃料电池组件(140)与多个所述空气压缩机(120)一一对应连接。
8.根据权利要求1所述的船用燃料电池供电系统，其特征在于，所述气源(110)包括至少一个氢气罐。
9.一种燃料电池船，其特征在于，包括船体以及设置于所述船体内的：
如权利要求1至8任一所述的船用燃料电池供电系统；
与所述配电系统电性连接的驱动电机(310)；
齿轮箱(320)，与所述驱动电机(310)的输出轴连接；
螺旋桨(330)，与所述齿轮箱(320)连接；所述驱动电机(310)和齿轮箱(320)共同用于驱动所述螺旋桨(330)运转。
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