一種基于燃料電池的船動力系統的制作方法

本發明涉及燃料電池作為動力的運載設備領域，尤其是一種基于燃料電池的船動力系統。

背景技術：

現有技術中，船舶的驅動主要采用內燃機驅動：柴油發動機和天然氣發動機。內燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內燃燒，釋放出的熱能使氣缸內產生高溫高壓的燃氣。燃氣膨脹推動活塞作功，再通過曲柄連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動從動機械工作。這個過程不斷重復，實現船舶驅動。但是隨著人們對環保要求的提高，普通燃料內燃機驅動方式的排放已滿足不了人們對環保的要求。因為燃料電池的特殊性，須保持較好的水合狀態才能正常工作，所以需要對進入燃料電池的空氣和氫氣加濕，因此需要一個恒溫液態水噴射加濕裝置。并且為了保證燃料電池內化學反應的速度，需要對進入燃料電池進行溫度和壓力的調節，從而促進化學反應，還需要對廢氣進行處理，讓尾氣中生成的水進入整個水冷卻管理系統循環利用，保證系統的獨立性。此外需要高效的利用燃氣，保證節能降耗，實現燃氣的有效利用，防止燃氣溢出和燃氣供氣不足。在燃料電池的電化學反應中有近乎一半的能量以熱量形式產生，如果這些熱量不及時散發，將使得電堆因較大的熱負荷而性能下降。

技術實現要素：

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種基于燃料電池的船動力系統，采用燃料電池作為船用的動力來源，該系統不會產生污染，且解決了普通蓄電池供電續航能力不足的問題，將電池驅動引進了船的驅動系統中，實現節能降耗的同時，防止了污染。其結構簡單，使用安裝方便，控制精度和速度快，確保負載供電，從而穩定船體的動力用電供應。其能源利用率高，簡化動力系統的結構，提高動力系統的兼容性提供一種燃料電池作為動力來源的全系統結構，并平穩的輸出電量，使保證燃料經燃料電池轉化為電能，提供了一種新的電力轉換方式，節能降耗，提高燃料的利用率。

本發明采用的技術方案如下：

本發明公開了一種基于燃料電池的船動力系統，包括燃料電池、燃料電池上連接有空氣供應系統、燃氣供應系統、水冷卻系統、及電力推進系統；燃料電池與電力推進系統電連接，空氣供應系統、燃氣供應系統、及水冷卻系統分別與燃料電池管道連接。采用燃料電池作為船用的動力來源，該系統基本不會產生污染，且解決了普通蓄電池供電續航能力不足的問題，將電池驅動引進了船的驅動系統中，實現節能降耗的同時，防止了污染。其結構簡單，使用安裝方便，控制精度和速度快，確保負載供電，從而穩定船體的動力用電供應。其能源利用率高，簡化動力系統的結構，提高動力系統的兼容性。

進一步，燃氣供應系統及空氣供應系統分別具有加濕系統，加濕系統包括加濕水箱、加濕器、及水泵；加濕器包括加濕部和脫濕部，加濕部與脫濕部連通，加濕部和脫濕部上分別具有進氣口和出氣口，水泵、水箱、加濕部、及脫濕部連成加濕回路。能夠采用兩個相互連通的加濕腔與脫濕腔方便的實現加濕，并保證氣體達到飽和濕度，通過加濕-脫濕方式使輸出的氣體達到飽和濕度，提高氣體的可用性。并且對加濕用的水進行回收利用，構成加濕回路避免水的浪費，保證節能降耗。

進一步，加濕部內具有加濕腔，脫濕部內具有脫濕腔，加濕腔與脫濕腔連通；加濕部用于對氣體加濕使氣體超過飽和濕度，脫濕腔通過脫濕珠使氣體脫濕至飽和濕度；在脫濕腔內設有脫濕珠，加濕腔與脫濕腔之間設有隔網，隔網的網孔小于脫濕珠；脫濕珠用于吸附多余的水霧使氣體濕度飽和。將氣體加濕至過飽和然后再脫濕，能夠有效的保證設備輸出口的氣體達到飽和濕度狀態，提高氣體的可用性。能夠使氣體與水霧充分結合，提高氣體與水霧的結合速度，提高氣體濕飽和速度；從而降低加濕部的體積；使水霧之間相互碰撞，水霧的粒度更小，進一步提高氣體濕飽和速度。

進一步，加濕部與脫濕部連為一體，加濕部的輸出方向垂直于脫濕部的軸向；加濕部和脫濕部分別呈罐狀，加濕部連接在脫濕部的側壁中部，加濕部橫向布置，脫濕部豎向布置；在水箱上設置有加熱器、液位計、溫度計、及補水口；補水口與水冷卻系統連通。方便于該結構的使用和生產，避免現場安裝過程中造成的漏氣，提高安全性，此外，其一體的結構能夠保證過濕的氣體直接進入脫濕部，防止通過管道連接而使管道中蓄積水，避免氣體在進入脫濕部之前發生脫濕。

進一步，空氣供應系統包括分別連接在燃料電池空氣進出口的進氣系統和排氣系統，進氣系統包括串聯的過濾器、壓縮機、及加濕系統，排氣系統包括串聯的限壓閥和氣液分離器。該供應系統通過過濾器有效的過濾空氣中可能存在的粉塵過濾；然后被鼓風機或壓縮機吸入并增壓至設定壓力，保證燃料電池的化學反應速度，發電過程中陰極側會產生廢氣和水，限壓閥能夠防止排放廢氣時失壓對燃料電池造成不利影響。

進一步，燃氣供應系統包括進氣系統、回氣系統、吹掃系統，進氣系統連接在燃料電池的燃氣進口上，回氣系統并聯在燃料電池的燃氣進出口之間；進氣系統包括串聯的燃氣罐、減壓閥、過濾器、及加濕裝置，回氣系統包括串聯的換向閥和循環泵，吹掃系統包括氮氣罐和吹掃排氣閥，氮氣罐與燃氣罐并聯，吹掃排氣閥并聯在循環泵的輸出側。通過該進氣系統的設置能夠為燃料電池均勻供氣，保證燃氣使用壓力的情況下，對燃氣進行加濕，保證燃氣達到飽和濕度，該回氣系統的設置能夠保證燃氣回收利用，提高燃氣利用率，保證燃氣的有效使用和安全使用。

進一步，水冷卻系統包括散熱器、水泵、水箱和去離子器，燃料電池內具有冷卻通路；散熱器、水泵、水箱、冷卻通路串聯為水冷卻回路，去離子器的一端連通水泵的輸出側、另一端連回水箱。證電池的安全持續使用，提高電池的使用壽命和使用穩定性，設置去離子器對水冷卻循環中的回路進行去離子，有效的防止電池漏電和短路；帶走燃料電池堆運行過程中產生的熱量。對燃料電池冷卻，有效的保證燃料電池的安全有效使用，提高燃料電池的持續使用時間。

進一步，還包括備用供電系統，燃料電池依次通過穩流器和逆變器為負載供電，負載包括電力推進系統、空氣供應系統、燃氣供應系統、及水冷卻系統，備用供電系統與穩流器及燃料電池并聯，備用供電系統包括串聯的蓄電池組和直流調壓器。采用備用供電系統能夠防止負載不穩定或者燃料電池供電不穩定的情況下，確保負載供電，從而穩定船體的動力用電供應。該結構采用多個DC/DC轉換器，能夠將穩定的電流用于蓄電池充電，防止不穩定電流對蓄電池的損害，提高蓄電池使用壽命。

進一步，燃料電池輸出功率為W1，電力推進系統及用電設備的消耗功率為W2；W1=W2時，燃料電池輸出功率單獨為電力推進系統及用電設備供電；W1 >W2時, 燃料電池輸出功率單獨為電力推進系統及用電設備供電并未蓄電池組充電，W1 <W2時, 燃料電池輸出功率與蓄電池組共同為電力推進系統及用電設備供電；當燃料電池輸出功率與蓄電池組不足以為電力推進系統及用電設備供電時，降低電力推進系統及用電設備的消耗功率。

進一步，還包括智能控制器和傳感器，燃料電池通過智能控制器分別與空氣供應系統、燃氣供應系統、水冷卻系統、及電力推進系統電連接，智能控制器分別控制空氣、燃氣、或冷卻水進入燃料電池的速度，并控制燃料電池的內的壓力、溫度、及濕度。通過該結構的設計能夠實現燃料電池的自動控制，能夠有效的保證燃料電池從分利用空氣和燃氣，保證燃料電池的電力供應，有效的保證燃料電池的使用壽命。

一種運載設備，安裝權利要求1-9任一項所述的基于燃料電池的船動力系統。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

1.采用燃料電池作為船用的動力來源，該系統基本不會產生污染，且解決了普通蓄電池供電續航能力不足的問題，將電池驅動引進了船的驅動系統中，實現節能降耗的同時，防止了污染。其結構簡單，使用安裝方便，控制精度和速度快，確保負載供電，從而穩定船體的動力用電供應。其能源利用率高，簡化動力系統的結構，提高動力系統的兼容性

2.提供一種燃料電池作為動力來源的全系統結構，并平穩的輸出電量，使保證燃料經燃料電池轉化為電能，提供了一種新的電力轉換方式，節能降耗，提高燃料的利用率。

附圖說明

本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是基于燃料電池的船動力系統的結構圖；

圖2是基于燃料電池的驅動系統的結構圖；

圖3是基于燃料電池的空氣供應系統的結構圖；

圖4是基于燃料電池的燃氣供應系統的結構圖；

圖5是基于燃料電池的水冷卻系統的結構圖；

圖6是基于燃料電池的空氣加濕系統的結構圖；。

附圖標記：1-燃料電池，2-驅動系統，21-電力推進系統，22-蓄電池組，23-直流調壓器，24-穩流器，25-逆變器，26-用電設備，3-空氣供應系統，31-過濾器，32-壓縮機,33-限壓閥，34-氣液分離器，4-燃氣供應系統，41-燃氣罐，42-氮氣罐，43-過濾器，44-換向閥，45-循環泵，5-水冷卻系統，51-水箱，52-散熱器，53-水泵，54-去離子器，6-空氣加濕系統，61-加濕水箱，611-補水口，612-加熱器，62-水泵，63-加濕器，631-濕氣出口，632-噴霧器，633-干氣進口，634-出液口，635-脫濕珠加濕部，7-燃氣加濕系統。

具體實施方式

實施例1：

如圖1所示，本發明的基于燃料電池的船動力系統，包括燃料電池1、驅動系統2、空氣供應系統3、燃氣供應系統4、及水冷卻系統5；該燃料電池1為質子交換膜燃料電池；燃料電池1內具有空氣通路、水冷通路、及燃氣通路，燃氣通路設置有燃氣閥；燃料電池1可以為質子交換膜燃料電池1，并可以以氫氣作為燃料。

驅動系統2包括電力推進系統21、及備用供電系統；燃料電池1依次通過穩流器24和逆變器25為電力推進系統21供電。備用供電系統包括串聯的蓄電池組22和直流調壓器23，備用供電系統與穩流器24及燃料電池1并聯。穩流器24為單向DC/DC轉換器，直流調壓器23為雙向DC/DC轉換器，蓄電池組22可由燃料電池1充電。電力推進系統21包括控制柜、交流電機、變速器、及螺旋槳；控制柜由燃料電池1供電，控制柜與交流電機電連接，交流電機通過變速器驅動螺旋槳。逆變器25為三相DC/AC轉換器，交流電機為三相交流電機。燃料電池1還為用電設備26供電，用電設備26包括空氣供應系統3、燃氣供應系統4、及水冷卻系統5的耗電設備。燃料電池1輸出功率為W1，電力推進系統21及用電設備26的消耗功率為W2；W1=W2時，燃料電池1輸出功率單獨為電力推進系統21及用電設備26供電；W1>W2時,燃料電池1輸出功率單獨為電力推進系統21及用電設備26供電并未蓄電池組22充電，W1<W2時,燃料電池1輸出功率與蓄電池組22共同為電力推進系統21及用電設備26供電。當燃料電池1輸出功率與蓄電池組22不足以為電力推進系統21及用電設備26供電時，降低電力推進系統21及用電設備26的消耗功率。

水冷卻系統5包括冷卻水箱51、電導傳感器、水箱51溫度傳感器、冷卻水泵53、去離子切斷閥、散熱器52、去離子裝置、調速閥；冷卻水箱51依次通過冷卻水泵53、冷卻切斷閥、散熱器52、流量計、連接水冷通路的進口，連接水冷通路的出口連回到冷卻水箱51；水箱51溫度傳感器和電導傳感器分別連接在冷卻水箱51上；水冷通路的進口和出口分別連接有溫度傳感器；冷卻水泵53的輸出端依次通過去離子切斷閥、調速閥、去離子裝置連回至冷卻水箱51。

空氣供應系統3包括空氣過濾器、風機、空氣加濕系統6、限壓閥33、及氣液分離器34；空氣過濾器、風機、流量計、及空氣加濕系統6依次串聯后連接到燃料電池1的空氣通路的進口；空氣通路的出口依次連接限壓閥33及氣液分離器34，氣液分離器34的水流入冷卻水箱51中；溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器分別連接在空氣通路的進口處。

燃氣系統包括燃氣罐41組、氮氣罐42、燃氣截止閥、氮氣截止閥、氮氣切斷閥、進氣切斷閥、減壓閥、過濾器、防火回閥、燃氣加濕系統7、兩位三通換向閥44、尾氣限壓閥33、燃氣循環泵45、燃氣尾氣限壓閥33、及吹掃排氣閥；燃氣罐41組包括多個并列的氫氣罐，燃氣罐41組依次連接燃氣截止閥、進氣切斷閥、減壓閥、過濾器、防火回閥、流量計、第二增濕裝置、及燃氣通路的進口；燃氣通路的進口連接有兩位三通換向閥44，兩位三通換向閥44通過氫氣循環泵45和流量計連回燃氣通路的進口；氫氣循環泵45的出口處并聯有吹掃排氣閥，吹掃排氣閥連通排氣管路。

空氣加濕系統6和燃氣加濕系統7分別包括：加濕水箱、加濕器、及水泵53。加濕器包括加濕部和脫濕部，加濕部與脫濕部連通，加濕部和脫濕部上分別具有進氣口和出氣口，水泵53、水箱51、加濕部、及脫濕部連成加濕回路。在加濕水箱上設置有加熱器、液位計、溫度計、及補水口，加熱器用于對水箱51內的去離子水加熱至60-70度；在水泵532的輸出端串聯有流量計4。

加濕部內具有加濕腔，脫濕部內具有脫濕腔，加濕腔與脫濕腔連通；加濕部用于對氣體加濕使氣體超過飽和濕度，脫濕腔通過脫濕珠使氣體脫濕至飽和濕度。在脫濕腔內設有脫濕珠，加濕腔與脫濕腔之間設有隔網，隔網的網孔小于脫濕珠；脫濕珠用于吸附多余的水霧使氣體濕度飽和。在加濕腔內設置有噴霧器，噴霧器通過加濕部上的進水口連通水泵53，噴霧器具有多個噴霧頭，噴霧頭均勻對稱設置在加濕腔的內側壁上且噴出的水霧相互對沖；出氣口設置脫濕腔的頂部且在脫濕腔底部設置有出水口，出水口連通加濕水箱。加濕部與脫濕部連為一體，加濕部的輸出方向垂直于脫濕部的軸向；加濕部和脫濕部分別呈罐狀，加濕部連接在脫濕部的側壁中部，加濕部橫向布置，脫濕部豎向布置。干燥的空氣或燃氣經干氣進口進入加濕腔，并沿水平方向輸送，加濕水箱中的去離子水由水泵53抽取并經流量計流入加濕腔，去離子水由噴霧器豎直方向噴出，噴霧器噴出的水霧與待加濕的氣體充分混合為過濕氣體，過濕氣體經過隔網進入脫濕腔；過濕氣體進入脫濕腔中發生分層，其過濕程度高的氣體下沉，過濕程度低的氣體上升，過濕氣體中多余的水分被吸附到玻璃珠即脫濕珠的表面，在脫濕腔的上層過濕氣體脫濕為具有飽和濕氣的氣體，然后通過濕氣出口輸出；被玻璃珠吸附的水分冷凝為水滴下落，然后僅脫濕腔下部的出液口排出流回加濕水箱中。還包括智能控制器和檢測器，燃料電池1通過智能控制器分別與空氣供應系統3、燃氣供應系統4、水冷卻系統5、及電力推進系統21電連接，智能控制器分別控制空氣、燃氣、或冷卻水進入燃料電池1的速度，并控制燃料電池1的內的壓力、溫度、及濕度。通過該結構的設計能夠實現燃料電池1的自動控制，能夠有效的保證燃料電池1從分利用空氣和燃氣，保證燃料電池1的電力供應，有效的保證燃料電池1的使用壽命。

智能控制器和傳感器，燃料電池1通過智能控制器分別與空氣供應系統3、燃氣供應系統4、水冷卻系統5、及電力推進系統21電連接；燃料電池1或蓄電池為智能控制器供電，智能控制器分別與空氣供應系統3、燃氣供應系統4、及水冷卻系統5的動力部件或閥門電連接，燃料電池1的各連接口上設置有溫度傳感器、壓力傳感器、或濕度傳感器；智能控制器根據溫度傳感器、壓力傳感器、或濕度傳感器的反饋，分別控制空氣、燃氣、或冷卻水進入燃料電池1的速度，并控制燃料電池1的內的壓力、溫度、及濕度。與智能控制器連接的閥門為電磁閥。