CN113914940A - 一种氢燃料动力船能量综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

一种氢燃料动力船能量综合利用系统，该系统主要由以下几部分组成：氢气供给系统、压缩氢膨胀发电系统、冷库循环系统、空调循环系统、淡水加热系统、电力推进系统。本发明主要利用氢燃料动力船上的压缩氢作为能量来源，利用氢燃料电池和发电机产生的电能为船舶提供推进动力，提出了利用压缩氢中蕴含的压力能发电，并让压缩氢参与到冷库和空调循环系统的换热过程，从而实现对压缩氢膨胀释放冷能的回收，实现对冷能的阶级利用。因此，本发明能够充分利用氢燃料中的能量，避免了冷能的浪费提高了船舶的能量利用率，十分具有推广价值。

Description

一种氢燃料动力船能量综合利用系统
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种氢燃料能量综合利用系统。
背景技术
随着人类对海洋的综合开发利用，海洋环境污染愈发严重，保护海洋环境防止海洋污染等问题受到世界各国的重视。目前，船用燃料主要是价格低廉、污染较高的燃料油，燃料油燃烧会伴随着硫氧化物和氮氧化物等大量有害气体的产生。海洋环境污染问题的严重与船舶对化石能源的依赖有着密切关系，因此采用新型的清洁能源才能从源头上解决船舶污染问题。
在无数学者探索下，新型船用可替代清洁能源竞相涌现。其中，氢气作为一种新型能源其热值较高，且直接燃烧也不会产生任何污染物，与石油等传统资源相比有着明显优势，是一种比较理想的燃料油代替品。随着近些年来技术的进步，也出现了以氢燃料电池作为船舶动力源的氢燃料电池动力船。这种燃料电池可以直接将化学能转化为电能为船舶的动力推进系统提供动力，省略了热能和机械能的中间转换，热效率较高。相比于传统的汽轮机的热效率29％左右、燃气轮机的热效率36％至39％、柴油机的热效率50％左右，而氢燃料电池的热效率可以高达到60％至80％。另外氢燃料电池对环境无污染，因此是一种氢能源在船舶上应用的较为理想的方式。
按照目前的发展形势，氢燃料电池可适用于近海航行的渡船、快艇、巡逻船、小型货船和观光船等近岸短途船舶。这不仅仅是因为氢燃料单位体积的能量密度相对较低会导致船舶续航能力较短，更重要的是国际海事组织对船舶的排放要求愈发严格。氢动力船可以做到零污染物排放，因此拥有非常广阔的应用前景。
氢通常以高压气态或低温液态的形式在船舶上进行储存，液态氢是由氢气经过降温而得到的液体，温度为-253℃，因此制取液氢的成本较高并且对储罐的耐低温性能和绝热性能有较高的要求；高压气态储氢是指将氢气压缩至20MPa，提高氢气的压力和储存密度，这只需要储罐具有一定耐高压的性能，并且氢气的压缩与液化相比更加容易实现。从技术成熟方面来看，高压气态储氢技术较为成熟，成本比较低，是现阶段国内主要的储氢技术。
随船储运的压缩氢在供给氢燃料电池使用之前需要将压力释放到0.1Mpa到0.3Mpa才可使用，所以这个过程会释放很多压力能。压缩氢气经过膨胀机释放压力，这个过程会对外做功，可以有效回收压力能，且在膨胀后气体的温度会降低至-130℃，但是供氢燃料电池的氢气需要加热至60℃至80℃，这一过程会释放很多冷能，如果这部分冷能不能得到利用，将会造成冷能的浪费。
关于氢燃料冷能的利用已经有专利提出，专利号为CN111854327B的专利提出了一种氢燃料动力船冷能综合利用系统，该系统利用液氢汽化过程中释放的冷能实现了空气的分离和氧气的制取，使液氢的冷能得到了利用。但液氢的储运存在较大的困难和较高的成本。本发明采用气态压缩氢，利用压缩氢原有的和膨胀释放的冷能，并且回收压缩氢膨胀做功过程中释放的能量，可在一定程度降低储运成本和船舶航行的能源消耗。
基于以上问题，本发明提出了一种将氢燃料电池用于船舶发电和冷能利用的方法，此方法不仅可以将压缩氢气膨胀做的功进行回收发电，为船舶电网提供部分电能，还可以将氢气膨胀后释放的冷能充分利用，提高氢燃料的能量利用率，因此这种方法具有较大的实际应用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明根据上述提出的问题，提出了一种氢燃料动力船能量综合利用系统，该系统包括氢气供给系统、压缩氢膨胀发电系统、冷库循环系统、空调循环系统、淡水加热系统、电力推进系统。
所述氢气供给系统包括：储氢罐、第一冷库换热器、第一空调换热器、第一三通阀、海水加热器、第二三通阀、淡水加热器。
所述压缩氢膨胀发电系统包括：膨胀机、传动轴、发电机。
所述冷库循环系统包括：第一冷库换热器、冷库循环泵、第二冷库换热器。
所述空调循环系统包括：第一空调换热器、空调循环泵、第二空调换热器。
所述淡水加热系统包括：淡水泵、淡水加热器、淡水舱。
所述电力推进系统包括：氢燃料电池、电处理单元、电动机。
在氢气供给系统中，所述储氢罐内装有压缩氢，储氢罐依次通过管道与膨胀机、第一冷库换热器、第一空调换热器、第一三通阀、海水加热器、第二三通阀、淡水加热器、氢燃料电池相连接，其中第一三通阀与第二三通阀之间另有直接相连的管道。
在压缩氢膨胀发电系统中，所述膨胀机直接与储氢罐连接，所述发电机安装在膨胀机外通过传动轴连接，发电机与电处理单元之间通过电路连接。
在冷库循环系统中，所述第一冷库换热器、冷库循环泵、第二冷库换热器和第一冷库换热器依次连接，形成闭合管路。
在空调循环系统中，所述第一空调换热器、空调循环泵、第二空调换热器依次连接形成闭合回路。
在淡水加热系统中，所述淡水泵与氢燃料电池通过管道直接连接，所述淡水加热器与淡水泵直接连接，所述淡水舱与淡水加热器连接。
在电力推进系统中，所述氢燃料电池与电处理单元通过电路连接，所述推进电机与电处理单元通过电路连接。
在氢气供给系统中，压缩氢从储氢罐中释放，首先通过压缩机膨胀做功释放冷能，随后在第一冷库换热器中与冷库循环系统中的冷媒进行换热，与空调换热系统中的冷媒换热，所处航行水域海水温度高于空调换热器出口压缩氢温度时，压缩氢在海水加热器中与海水进行换热，航行水域水温低于空调换热器出口处压缩氢温度时通过第一三通阀和第二三通阀控制压缩氢不经过海水加热器，随后在淡水加热器中与氢燃料电池产生的温度较高的淡水进行换热，最终使压缩氢达到需要的温度和压力，为氢燃料电池提供氢气。
在压缩氢膨胀发电系统中，高压的压缩氢从储氢罐中释放，随后压缩氢在膨胀机中膨胀做功，膨胀机通过传动轴带动发电机做功发电，发电机与电处理单元之间有电路连接，从而为电动机体提供部分电能。
在冷库循环系统中，压缩氢首先与第一冷库换热器换热，随后在循环泵的作用下在第二冷库换热器中将冷能释放给冷库中的货物，达到给冷库中货物制冷的效果。
在空调循环系统中，压缩氢通过第一空调换热器换热，然后在循环泵的作用下与第二空调换热器换热，并且在与第二空调换热器换热过程中释放冷能，达到给室内降温的作用。
在淡水加热系统中，所述氢燃料电池产生的淡水温度较高，所以氢燃料电池产生的淡水可以在淡水换热器处继续加热氢气。完成换热的氢气可以被收集到淡水舱供船上其他作业使用。
所述氢燃料电池和发电机在电处理单元实现并网处理，进而带动电动机工作为船舶提供前进动力。
本发明的有益效果：
1.本发明利用膨胀机，将氢燃料供给过程中释放的压力能转化为机械能，进而转化为电能，实现了对氢燃料中蕴含能量进行充分利用，在一定程度上避免了能量的浪费，提升了船舶的能量利用率。
2.本发明充分利用压缩氢膨胀做功过程中释放的冷能，并让蕴含大量冷能的低温压缩氢参与到冷库循环系统和空调循环系统的换热中，实现对压缩氢冷能的梯级利用，有效避免了冷能的浪费。
3.本发明将船舶高压储存的气态氢中的能量进行充分利用，提升了氢燃料的应用优势，可有效推动“零碳”燃料氢在船舶上的应用，具有十分优越的推广价值。
附图说明
图1是本发明的系统图；
图中：1.储氢罐；2.膨胀机；3.第一冷库换热器；4.空调循环泵；5. 第二空调换热器；6.第一空调换热器；7.海水换热器；8.淡水换热器；9. 电动机；10.氢燃料电池；11.冷库循环泵；12.第二冷库换热器；13.淡水舱；14.发电机；15.传动轴；16.第一三通阀；17.第二三通阀；18. 电处理单元；19.淡水泵。
具体实施方式
为详细说明本发明的具体方案，使优点更加清晰，下面结合附图详细说明本发明。
如图1，一种氢燃料船内能综合利用系统，包括：储氢罐1、膨胀机2、第一冷库换热器 3、空调换热器4、空调循环泵5、第一空调换热器6、海水加热器7、淡水加热器8、电动机9、氢燃料电池10、冷库循环泵11、第二冷库换热器12、淡水舱13、发电机14、传动轴15、第一三通阀16、第二三通阀17、电处理单元18、淡水泵19。
以上各部件可划分为：氢气供给系统、压缩氢膨胀发电系统、冷库循环系统、空调循环系统、淡水加热系统、电力推进系统。
所述氢气供给系统包括：储氢罐1、第一冷库换热器3、第一空调换热器6、第一三通阀 16、海水加热器7、第二三通阀17、淡水加热器8。
所述压缩氢膨胀发电系统：膨胀机2、发电机14、传动轴15。
所述冷库循环系统包括：第一冷库换热器3、冷库循环泵11、第二冷库换热器12。
所述空调换热系统包括：第一空调换热器6、空调循环泵4、第二空调换热器5。
所述淡水加热系统包括：淡水加热器8、淡水舱13。
所述电力推进系统包括：氢燃料电池10、电处理单元18、电动机9。
在氢气供给系统中，所述储氢罐1用于储存高压低温液态氢，储氢罐1通过管道依次与膨胀机2、第一冷库换热器3、第一空调换热器6、第一三通阀16海水加热器7、第二三通阀 17淡水加热器8连接，其中第一三通阀16与第二三通阀17之间另有管道相连。
在膨胀发电系统中，所述膨胀机2通过传动轴15与发电机14连接，发电机14与电处理单元18之间通过电路连接。
在冷库循环系统中，所述第一冷库换热器3与冷库循环泵11、第二冷库换热器12依次连接形成闭合回路。
在空调循环系统中，所述第一空调换热器6与空调循环泵4、第二空调换热器5依次构成闭合回路。
在淡水加热系统中，所述淡水加热器8与淡水舱13连接。
在电力推进系统中，所述氢燃料电池10与发电机14在电处理单元18处实现并网处理，电处理单元18通过电路与电动机9连接。
在氢气供给系统中，氢气从储氢罐1中释放，首先经过膨胀机2膨胀做功，随后在第一冷库换热器3在此与冷库冷媒进行换热，后经过第一空调换热器6与空调冷媒进行换热，之后经过在第一三通阀16，航行水域水温高于空调换热器6出口处压缩氢温度时经过海水换热器7与海水进行换热，航行水域水温低于空调换热器6出口处压缩氢温度时通过第一三通阀 16和第二三通阀17控制不经过海水加热器，随后经过淡水换热器8与氢燃料电池10产生的淡水进行换热，最终使氢气达到需求温度，为氢燃料电池10提供氢气。
在压缩氢膨胀发电系统中，从储氢罐1中释放的氢气通过管道与膨胀机2连接，氢气在膨胀机2内膨胀做功，进而膨胀机2通过传动轴15带动发电机14发电。
冷库循环系统中，冷库冷媒首先在第一冷库换热器3处换热，然后在循环泵的作用下，在第二冷库换热器12中与货物进行换热，将冷能传递给货物。
空调循环系统中，空调冷媒首先在第一空调换热器6中与压缩氢进行换热，随后在空调循环泵4的作用下在第二空调换热器5中与室内空气换热，将冷能传递到室内空气中。
淡水加热系统中，氢燃料电池10产生的淡水在淡水泵19的作用下到达淡水换热器8处参与换热，换热完成的淡水沿着管道到达淡水舱13。
电力推进系统中，氢燃料电池10和发电机14在电处理单元18实现并网，通过供电系统与电动机9连接为船舶提供动力。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氢燃料动力船能量综合利用系统，其特征在于：包括氢气供给系统、压缩氢膨胀发电系统、、冷库循环系统、空调循环系统、淡水加热系统、电力推进系统，其中，所述氢气供给系统包括：储氢罐(1)、第一冷库换热器(3)、第一空调换热器(6)、第一三通阀(16)、海水加热器(7)、第二三通阀门(17)、淡水加热器(8)；
所述压缩氢膨胀发电系统：膨胀机(2)、发电机(14)、传动轴(15)；
所述冷库循环系统包括：第一冷库换热器(3)、冷库循环泵(11)、第二冷库换热器(12)；
所述空调换热系统包括：第一空调换热器(6)、空调循环泵(4)、第二空调换热器(5)；
所述淡水加热系统包括：淡水加热器(8)、淡水舱(13)、淡水泵(19)；
所述电力推进系统包括：氢燃料电池(10)、电处理单元(18)、电动机(9)；
所述储氢罐(1)储存压缩氢，储氢罐(1)通过管道依次与膨胀机(2)、第一冷库换热器(3)、第一空调换热器(6)、第一三通阀(16)、海水加热器(7)、第二三通阀(16)淡水加热器(8)连接，其中，膨胀机(2)外通过传动轴(15)与发电机(14)连接。
2.根据权利要求1中所述的一种氢燃料动力船能量综合利用系统，其特征在于：发电机(14)和氢燃料电池(10)在电处理单元(18)进行并网处理，电处理单元(18)与电动机(9)之间通过电路连接。
3.根据权利要求1中所述的一种氢燃料动力船能量综合利用系统，其特征在于：在空调循环系统中所述第一空调换热器(6)与空调循环泵(4)、第二空调换热器(5)依次构成闭合回路。
4.根据权利要求1中所述的一种氢燃料动力船能量综合利用系统，其特征在于：在冷库循环系统中所述第一冷库换热器(3)与冷库循环泵(11)、第二冷库换热器(12)依次连接形成闭合回路。
5.根据权利要求1中所述的一种氢燃料动力船能量综合利用系统，其特征在于：第一三通阀(16)、海水加热器(7)、第二三通阀(17)通过管道依次连接，其中第一三通阀(16)与第二三通阀(17)之间有管道直接连接。
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