CN108438190A - 一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，包括气体机、燃料电池、可逆轴带电机，气体机的输出端通过永磁耦合器与可逆轴带电机的输入端相连，可逆轴带电机的输出端连接螺旋桨，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别与配电板电连，逆变器通过变频器与可逆轴带电机电连，可逆轴带电机与整流器电连。本发明所采用的多种能量形式的布置可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，进一步提高了气体机、可逆轴带电机的运行效率，有效降低了气体机的燃料消耗和排放，同时改善了船舶的动力响应，而且系统的适用范围广泛。

Description

一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种动力系统，具体地说是船舶动力系统。

背景技术

随着我国能源问题和环境问题日益严峻，以及国际油价的快速上涨，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，也使船舶的节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应差、功率不足等缺点。

燃料电池作为一种发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、可靠性高、又易于建设的发电装置，是未来船舶电力推进的新方向。不过由于现阶段技术不成熟，燃料电池还存在着启动较慢、燃料的存储和供应难、功率密度低等缺点。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。

船舶混合动力技术有助于解决能源问题与技术不成熟之间的矛盾，为船舶从传统的内燃机推进方式过渡到纯电力推进方式提供可行性方案。同时，混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供改善船舶动力性、经济性和排放性的一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、燃料电池、可逆轴带电机，气体机的输出端通过永磁耦合器与可逆轴带电机的输入端相连，可逆轴带电机的输出端连接螺旋桨，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别与配电板电连，逆变器通过变频器与可逆轴带电机电连，可逆轴带电机与整流器电连。

本发明还可以包括：

1、气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括机械推进模式：

所述机械推进模式为：气体机和可逆轴带电机处于运行状态，可逆轴带电机为发电机模式，永磁耦合器闭合，由气体机带动螺旋桨运转的同时带动可逆轴带电机发电，经整流器汇入配电板。

2、气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括电力推进模式：

所述电力推进模式包括：燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

(1)燃料电池推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由燃料电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(2)蓄电池推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(3)混合供电推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(4)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，外接电源为蓄电池充电。

3、气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括混合推进模式：

所述混合推进模式为：气体机和可逆轴带电机处于运行状态，可逆轴带电机为电动机模式，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器闭合，由气体机、可逆轴带电机共同带动螺旋桨运转。

4、气体机为天然气发动机或双燃料发动机，可逆轴带电机为永磁电机，燃料电池为可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池为铅酸蓄电池或锂离子电池。

本发明的优势在于：

1.本发明采提出了一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，设置有气体机和可逆轴带电机，增加了功率覆盖范围，可以满足船舶在多种工况下的动力需求，并能使气体机和可逆轴带电机更好的工作在高效率区，从而降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶的加减速性能和倒船性能。

2.气体机搭配燃料电池的供气需求与仅布置有气体机或燃料电池时的成本更加优化。同时燃料电池与蓄电池相结合作为电力供给装置，蓄电池弥补了燃料电池动力响应差、无法充电的缺点，燃料电池弥补了蓄电池容量低、效率低的缺点，并且可以有效延长蓄电池的使用寿命。

3.气体机和可逆轴带电机之间采用永磁耦合器代替传统的离合器连接，实现了气体机的柔性并车，有效改善了气体机在并车时受到的冲击和震动，延长了气体机的使用寿命，虽然相比离合器，永磁耦合器的动力响应较慢，但用在混合动力系统中可以很好的避免该缺点。

4.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过永磁耦合器的闭合及断开以及可逆轴带电机工作模式的切换，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，有效提高了船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

5.采用本系统提供的船舶混合动力系统，船舶可以不用安装发电用的柴油辅机，船舶负载的电力供给可主要由燃料电池和可逆轴带电机代替，紧急情况还可使用蓄电池代替，故可有效节省船舱空间以及减少一定的初期投入。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，包括气体机1、永磁耦合器2、可逆轴带电机3、螺旋桨4、液化天然气罐5、气体供给装置6、气阀7、燃料电池8、充电插头9、蓄电池10、船舶负载11、配电板12、逆变器13、变频器14、整流器15。其连接关系为：气体机1的输出端通过永磁耦合器2与可逆轴带电机3的输入端相连，可逆轴带电机3的输出端与螺旋桨4相连，液化天然气罐5与气体供给装置6气连，并通过气阀7将天然气输送至气体机1和燃料电池8中，燃料电池8、蓄电池10、船舶负载11、逆变器13、整流器15都通过开关与配电板12电连，逆变器13通过变频器14与可逆轴带电机3电连，可逆轴带电机3与整流器15电连，蓄电池10带有可外接充电的插头9。

气体机1优选纯天然气发动机或双燃料发动机，可逆轴带电机3优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，燃料电池8优选可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池10优选成本低、可靠性好的铅酸蓄电池或功率密度高、体积重量小的锂离子电池。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

在该种工作模式下，气体机1和可逆轴带电机3处于运行状态，可逆轴带电机3为发电机模式，永磁耦合器2闭合，由气体机1带动螺旋桨4运转的同时带动可逆轴带电机3发电，经整流器15汇入配电板12。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式。

1)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，可逆轴带电机3处于电动机运行状态，其所需电力完全由燃料电池8提供，汇入配电板12后再经逆变器13、变频器14输入，永磁耦合器2断开，由可逆轴带电机3带动螺旋桨4运转。

2)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，可逆轴带电机3处于电动机运行状态，其所需电力完全由蓄电池10提供，汇入配电板12后再经逆变器13、变频器14输入，永磁耦合器2断开，由可逆轴带电机3带动螺旋桨4运转。

3)混合供电推进模式：在该种工作模式下，可逆轴带电机3处于电动机运行状态，其所需电力由燃料电池8和蓄电池10提供，汇入配电板12后再经逆变器13、变频器14输入，永磁耦合器2断开，由可逆轴带电机3带动螺旋桨4运转。

4)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，可通过充电插头9外接电源为蓄电池10充电。

3.混合推进模式

在该种工作模式下，气体机1和可逆轴带电机3处于运行状态，可逆轴带电机3为电动机模式，其所需电力由燃料电池8和蓄电池10提供，汇入配电板12后再经逆变器13、变频器14输入，永磁耦合器2闭合，由气体机1、可逆轴带电机3共同带动螺旋桨4运转。

上述模式中：机械推进模式适用于当船舶离开港口或码头后，进入海域稳定航行时，以及对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶进出港口或码头，船舶加减速、倒船、靠岸，以及对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率或航速有一定需求时。

采用本发明提供的船舶混合动力系统可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载11所需要的电力主要由燃料电池8提供，可逆轴带电机3工作在发电机模式发电时也可提供部分电力，建议遇到紧急情况再使用蓄电池10提供，以此延长蓄电池10的使用寿命。

下表为本实施例所提供的一种船舶在定负荷时的功率配置方案，该配置方案不考虑能量流转换时的损耗，仅表示能量流分配时的方向：气体机额定功率为900kW，可逆轴电机额定功率为600kW，燃料电池功率为400kW，蓄电池总容量为200kW·h(按2C放电倍率放电时发出功率为400kW，按1/2C充电倍率充电时需求功率为100kW，C为库仑)，船舶负载消耗功率为200kW。如下表所示，当气体机、可逆轴带电机在不同工作模式下都工作高效率区时，系统的功率分布情况。其中S(Shaft power)代表轴功率，E(Electric powe)代表电功率，单位都为kW，+代表部件发出的轴功率或电功率，-代表部件消耗的轴功率或电功率，\代表部件处在关闭状态。M代表可逆轴带电机处于电动机模式，G代表可逆轴带电机处于发电机模式。

如表中所示的混合推进模式，在该模式下，气体机1和可逆轴带电机3处于运行状态，可逆轴带电机3为电动机模式，燃料电池10和蓄电池11都供电，气体机1发出900kW的轴功率，燃料电池10发出400kW的电功率，蓄电池11发出400kW的电功率，可逆轴带电机消耗600kW的电功率并发出600kW的轴功率，船舶负载消耗200kW的电功率，最后船舶用来推进的轴功率为1500kW。

Claims (5)

1.一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、燃料电池、可逆轴带电机，气体机的输出端通过永磁耦合器与可逆轴带电机的输入端相连，可逆轴带电机的输出端连接螺旋桨，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别与配电板电连，逆变器通过变频器与可逆轴带电机电连，可逆轴带电机与整流器电连。

2.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括机械推进模式：

所述机械推进模式为：气体机和可逆轴带电机处于运行状态，可逆轴带电机为发电机模式，永磁耦合器闭合，由气体机带动螺旋桨运转的同时带动可逆轴带电机发电，经整流器汇入配电板。

3.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括电力推进模式：

所述电力推进模式包括：燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

(1)燃料电池推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由燃料电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(2)蓄电池推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(3)混合供电推进模式：可逆轴带电机处于电动机运行状态，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器断开，由可逆轴带电机带动螺旋桨运转；

(4)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，外接电源为蓄电池充电。

4.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：气体机、燃料电池、蓄电池和可逆轴带电机的工作模式包括混合推进模式：

所述混合推进模式为：气体机和可逆轴带电机处于运行状态，可逆轴带电机为电动机模式，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，永磁耦合器闭合，由气体机、可逆轴带电机共同带动螺旋桨运转。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种带燃料电池的单轴式船舶混合动力系统，其特征是：气体机为天然气发动机或双燃料发动机，可逆轴带电机为永磁电机，燃料电池为可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池为铅酸蓄电池或锂离子电池。