CN114476005A - 一种船舶及其氢能源动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶及其氢能源动力系统，其中氢能源动力系统包括供氢装置、至少一燃料电池装置、能量回收装置和主控装置，所述供氢装置与燃料电池装置连接，所述燃料电池装置包括燃料电池、蓄电池和控制器，控制器与燃料电池和蓄电池连接，用于使燃料电池正常运行和周期性地短路，并在燃料电池短路时，使蓄电池供电，所述主控装置与燃料电池装置和能量回收装置连接，在船舶的螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置中，加速时由所述能量回收装置优先放电，与燃料电池装置一起释放能源驱动船舶，通过燃料电池、蓄电池及能量回收装置混合动力模式，以满足各种工况下的负载需求，并针对船舶这一特殊应用场景进行了控制优化，可应用于各种船舶。
Description
技术领域
本发明涉及船舶电源技术领域，特别涉及一种船舶及其氢能源动力系统。
背景技术
科学家成功通过太阳能、电极和海水制造出了氢燃料，这一重大突破对于航运业去碳化具有深远的影响，也使氢能源在船舶领域的应用迈出了新的一步。该研究成果意味着未来海水或许可以直接充当船舶燃料，这对航运业来说将是一个“革命性的跨越”。虽然目前氢燃料尚未在航运业实现大规模运用，但是船舶采用氢燃料动力早已不是新鲜事，相比于传统船舶燃料，氢能源具有清洁环保等多种优势，随着技术的进步，近年来越来越多船厂、能源公司以及动力系统供应商开始加大氢燃料动力船舶的研发，并且取得了实质性的进展。目前全球范围内已有多种船型采用了氢燃料电池动力，还有更多大型项目正在开发当中。
然而，直接将燃料电池电堆作为船舶的主要动力源，只能满足最基本的动力需求。燃料电池内部氢气与氧气是电化学反应，反应速度很快。保障这个电化学反应的是氢气与氧气的供给，气体供给的响应速度较慢，与电化学反应的气体需求相比存在滞后特性。这就决定了氢燃料电池输出特性，即负载功率不能突然变大，否则会引起燃料电池输出电压降低，过低会直接损坏燃料电池。作为一款合格的船用动力系统，在各种工况下船舶负载变化是必须面对及解决的问题，蓄电池与燃料电池组成混合动力系统一起给负载供电能够很好地解决这一问题。在燃料电池正常运行过程中，燃料电池的性能会缓慢下降，所谓的性能下降指的是在输出功率不变的条件下，输出电压下降，电压过低可能损坏燃料电池。当前针对燃料电池性能下降处理方法是一般停机静置一段时间后重启，重启后性能会有一定恢复，这个缺点是燃料电池长期稳定运行的一个挑战。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种船舶及其氢能源动力系统，能满足各种工况下的负载需求。
为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：
一种船舶用氢能源动力系统，包括供氢装置、至少一燃料电池装置、能量回收装置和主控装置，所述供氢装置与燃料电池装置连接，所述燃料电池装置包括燃料电池、蓄电池和控制器，所述控制器与燃料电池和蓄电池连接，用于使燃料电池正常运行和周期性地短路，并在燃料电池短路时，使蓄电池供电，所述主控装置与燃料电池装置和能量回收装置连接，在船舶的螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置中。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述主控装置包括氢气传感器、湿度传感器、温度传感器和主控板，所述湿度传感器和温度传感器设置于燃料电池装置的进风口和燃料电池装置中，所述氢气传感器设置于燃料电池装置内及供氢装置与燃料电池装置的连接处，所述氢气传感器、温度传感器和温度传感器均与主控装置连接。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述主控装置还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置于船的四周，并与主控装置连接，倾角传感器检测船舶倾斜超出预设值时，降低燃料电池装置的输出功率。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述控制器具有用于周期性地减缓燃料电池性能衰减的短路模块和用于检测燃料电池输出电压的监测模块。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述监测模块检测燃料电池的电压接近其保护电压时，使蓄电池同时供电；当船舶的马达的输出功率降低、且燃料电池电压高于其保护电压时，使蓄电池停止供电，并使燃料电池供电的同时为蓄电池充电。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述燃料电池装置还包括外壳和冷却风扇，所述外壳罩设于燃料电池装置、能量回收装置和主控装置外，所述外壳上设置有进风口和出风口，所述冷却风扇安装于燃料电池本体，正对外壳出风口。
所述的船舶用氢能源动力系统，还包括盐雾过滤器，所述盐雾过滤器设置于外壳进风口处，对进入外壳内的空气进行过滤。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述进风口和出风口处均设置有活动门组件，所述活动门组件与主控板电连接。
所述的船舶用氢能源动力系统中，所述供氢装置包括至少一氢瓶，所述氢瓶的出气口处设置有减压阀。
一种船舶，包括船舶本体，所述船舶本体上设置有如上述任意一项所述的氢能源动力系统。
相较于现有技术，本发明提供的船舶及其氢能源动力系统，其中所述氢能源动力系统通过将控制器与燃料电池和蓄电池连接，用于使燃料电池正常运行和周期性地短路，并在燃料电池短路时，使蓄电池供电，以保证动力系统的持续运行。而且还通过能量回收装置在船舶的减速螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置中，加速时由所述能量回收装置优先放电，与燃料电池装置一起释放能源驱动船舶，通过燃料电池、蓄电池及能量回收装置混合动力模式，以满足各种工况下的负载需求，并针对船舶这一特殊应用场景进行了控制优化，使所述氢能源动力系统可应用于各种船舶。
附图说明
图1为本发明提供的船舶用氢能源动力系统的结构框图。
附图标注说明：
供氢装置1、氢瓶11、减压阀12、燃料电池装置2、燃料电池21、蓄电池22、控制器23、外壳24、进风口241、出风口242、能量回收装置3、主控装置4、盐雾过滤器5、负载6
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
请参阅图1，本发明提供的船舶用氢能源动力系统包括供氢装置1、至少一燃料电池装置2、能量回收装置3和主控装置4，所述供氢装置1与燃料电池装置2连接，所述燃料电池装置2包括燃料电池21、蓄电池22和控制器23，所述控制器23与燃料电池21和蓄电池22连接，用于使燃料电池21正常运行和周期性地短路，并在燃料电池21短路时，使蓄电池22供电，以保证动力系统的持续运行。
其中，所述主控装置4与燃料电池装置2和能量回收装置3连接，在船舶的螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置3中，加速时由所述能量回收装置3优先放电，与燃料电池装置2一起释放能源驱动船舶，通过燃料电池21、蓄电池22及能量回收装置3混合动力模式，以满足各种工况下的负载6需求，并针对船舶这一特殊应用场景进行了控制优化，使所述氢能源动力系统可应用于各种船舶。
其中，所述燃料电池装置2至少为两个及以上，多个燃料电池装置2并联，以保证输出功率，其数量可根据船舶的大小确定，此处不作限制。
所述控制器23具有用于周期性地减缓燃料电池21性能衰减的短路模块(图中未示出)和用于检测燃料电池21输出电压的监测模块(图中未示出)，通过所述短路模块对燃料电池21输出回路进行周期性地短路来减缓燃料电池21性能下降，增加了燃料电池21的正常运行时间。
当所述监测模块检测燃料电池21的电压接近其保护电压时，使蓄电池22同时供电；当船舶的马达的输出功率降低、且燃料电池21电压高于其保护电压时，使蓄电池22停止供电，并使燃料电池21供电的同时为蓄电池22充电。具体地，还通过所述监测模块监测燃料电池21的输入电压、电流以及控制器23输出电压、电流，当负载6功率升高时，燃料电池21输出电压会降低，所述监测模块监测到燃料电池21的电压接近于预设保护电压时，由蓄电池22介入，燃料电池21通过控制与蓄电池22动态配合后并联输出，使燃料电池21的输出电压不小于保护电压，保证其安全运行；当负载6功率降低时，所述监测模块监测到燃料电池21电压高于预设保护电压时，切出蓄电池22，并通过模块上的充电回路为蓄电池22补电，在蓄电池22的介入下，燃料电池21输出电压不会过低，且可短时间超过燃料电池21额定功率运行，在保证燃料电池21的安全和寿命的同时满足船舶的工况。
所述主控装置4包括氢气传感器(图中未示出)、湿度传感器(图中未示出)、温度传感器(图中未示出)和主控板(图中未示出)，所述湿度传感器和温度传感器设置于燃料电池装置2的进风口241和燃料电池装置2中，所述氢气传感器设置于燃料电池装置2内及供氢装置1与燃料电池装置2的连接处，所述氢气传感器、温度传感器和温度传感器均与主控装置4连接，通过所述氢气传感器以检测燃料电池装置2内部及其与供氢装置1的连接处是否有氢泄漏的情况，如果发现有氢气泄漏，由所述氢气传感器将信号传输到主控板，达到设定值时主控制板发出报警信号并关闭供氢装置，切断蓄电池22及负载6，以保证使用安全。
其中，所述主控装置4还包括倾角传感器(图中未示出)，所述倾角传感器设置于船的四周，并与主控板连接，倾角传感器检测船舶倾斜超出预设值时，降低燃料电池装置2的输出功率，通过所述倾角传感器对船舶航行中船身倾角进行监控，特别针对船舶空炮(空炮：船身在浪花作用下晃动，当螺旋桨露出水面后，螺旋将转动阻力突然减小)现象进行处理，保证了燃料电池21的寿命和系统的稳定性。具体地，当船身倾斜角度过大时，所述倾角传感器判定螺旋桨出水空转，此时降低动力系统的输出功率，当所述倾角传感器判定螺旋桨入水后，再缓慢增加动力系统的输出功率，可有效避免螺旋桨入水后船舶负载6突变引起的动力系统超出功率输出，以保护动力系统和燃料电池装置2的安全。
所述燃料电池装置2还包括外壳24和冷却风扇(图中未示出)，所述外壳24罩设于燃料电池装置2、能量回收装置3和主控装置4外，所述外壳24上设置有进风口241和出风口242，所述冷却风扇设置于燃料电池本体，正对出风口242，通过外壳24起到防水的作用，同时还通过冷却风扇起到散热、除湿的作用。具体地，当动力系统关闭时，通过所述温度传感器和湿度传感器检测外壳24内的温度及湿度，当温度和/或湿度过高时，由主控板保持冷却风扇运行对外壳24内部进行除湿、散热，当温度和湿度降至预设值时，启动动力系统正常运行，以保证燃料电池装置2的使用寿命。
请继续参阅图1，所述的船舶用氢能源动力系统还包括盐雾过滤器5，所述盐雾过滤器5设置于外壳24外，位于主控装置4处，具体地，所述盐雾过滤器5安装于进风口241处，对进入外壳24的空气进行预处理，将空气中的盐雾和杂质过滤掉，使清洁干净的空气进入外壳24内，达到散热、除湿的目的。
其中，所述进风口241和出风口242处均设置有活动门组件(图中未示出)，所述活动门组件与主控板电连接，可根据运行工况开关进风口241及出风口242，以及时散热排湿，还防止外部水汽进入外壳24内。
所述供氢装置1包括至少一氢瓶11，所述氢瓶11的出气口处设置有减压阀12，其中，所述氢瓶11为两个及以上，以保护供氢量，且多个氢瓶11连接一减压阀12，使所述氢瓶11出口的压力稳定，以保证供氢安全。
基于上述的船舶用氢能源动力系统，本发明还相应提供一种船舶，包括船舶本体，所述船舶本体上设置有氢能源动力系统。由于上文已经所述氢能源动力系统进行了详细描述，此处不再赘述。
综上所述，本发明提供的船舶及其氢能源动力系统，其中所述氢能源动力系统通过将控制器与燃料电池和蓄电池连接，用于使燃料电池正常运行和周期性地短路，并在燃料电池短路时，使蓄电池供电，以保证动力系统的持续运行。而且还通过能量回收装置在船舶的螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置中，加速时由所述能量回收装置优先放电，与燃料电池装置一起释放能源驱动船舶，通过燃料电池、蓄电池及能量回收装置混合动力模式，以满足各种工况下的负载需求，并针对船舶这一特殊应用场景进行了控制优化，使所述氢能源动力系统可应用于各种船舶。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种船舶用氢能源动力系统，其特征在于，包括供氢装置、至少一燃料电池装置、能量回收装置和主控装置，所述供氢装置与燃料电池装置连接，所述燃料电池装置包括燃料电池、蓄电池和控制器，所述控制器与燃料电池和蓄电池连接，用于使燃料电池正常运行和周期性地短路，并在燃料电池短路时，使蓄电池供电，所述主控装置与燃料电池装置和能量回收装置连接，在船舶的螺旋桨反转时，将船舶的动能转换为电能存储在能量回收装置中。
2.根据权利要求1所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述主控装置包括氢气传感器、湿度传感器、温度传感器和主控板，所述湿度传感器和温度传感器设置于燃料电池装置的进风口和燃料电池装置中，所述氢气传感器设置于燃料电池装置内及供氢装置与燃料电池装置的连接处，所述氢气传感器、温度传感器和温度传感器均与主控装置连接。
3.根据权利要求2所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述主控装置还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置于船的四周，并与主控装置连接，倾角传感器检测船舶倾斜超出预设值时，降低燃料电池装置的输出功率。
4.根据权利要求1所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述控制器具有用于周期性地减缓燃料电池性能衰减的短路模块和用于检测燃料电池输出电压的监测模块。
5.根据权利要求4所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述监测模块检测燃料电池的电压接近其保护电压时，使蓄电池同时供电；当船舶的马达的输出功率降低、且燃料电池电压高于其保护电压时，使蓄电池停止供电，并使燃料电池供电的同时为蓄电池充电。
6.根据权利要求1所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述燃料电池装置还包括外壳和冷却风扇，所述外壳罩设于燃料电池装置、能量回收装置和主控装置外，所述外壳上设置有进风口和出风口，所述冷却风扇安装于燃料电池本体，正对外壳出风口。
7.根据权利要求6所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，还包括盐雾过滤器，所述盐雾过滤器设置于外壳进风口处，对进入外壳内的空气进行过滤。
8.根据权利要求6所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述进风口和出风口处均设置有活动门组件，所述活动门组件与主控板电连接。
9.根据权利要求7所述的船舶用氢能源动力系统，其特征在于，所述供氢装置包括至少一氢瓶，所述氢瓶的出气口处设置有减压阀。
10.一种船舶，其特征在于，包括船舶本体，所述船舶本体上设置有如权利要求1-9任意一项所述的氢能源动力系统。
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