一种安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动船舶及其驱动方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动船舶及其驱动方法。

背景技术

目前,绝大部分船舶都以重油(石油加工过程中在汽油、煤油、柴油之后从原油中分离出来的较重的剩余产物)、LNG(液化天然气)为燃料，不仅消耗了大量的石油资源，而且排放物造成了严重的大气污染，同时LNG加注主要分为三种：船-船加注、槽车-船加注、岸站加注，不同方面的存在加注效率慢、投资操作成本、机动性差的问题。

船舶对于船员就是第二个移动的家，生活用电大多来自柴油发电机，同样伴有空气污染和较大噪音。采用单一蓄电池、或者与风光能配套的复合能量源的全电动船舶，虽然具有良好的环保效果，但是具有充电麻烦、储电困难，必须依靠岸电、太阳能风能等辅助能源，最重要的问题在于目前蓄电池低能和风光能装置的低效率，导致船舶航速和续航力较低，极大地影响了电动船舶的实际应用领域、而难以与传统船舶竞争，目前鲜见应用于开放水域，更难以应用于船舶长途运输。

中国专利文献CN 113386936公开了模块化氢能船舶电传动力系统及方法，设置了甲醇重整制氢模块、燃料电池模块、动力电机模块和低压吸附储氢模块，采用甲醇水重整制氢加热，利用燃料电池模块发电驱动动力电机输出，蓄电池模块提供补充电力，满足船舶启动出气的大功率动力。由于甲醇水重整制氢加热需要10分钟时间，低压吸附储氢模块需要在行驶前提前储存满氢气，在启动时，低压吸附储氢模块为燃料电池模块提供氢气进行发电，蓄电池作为补充电力使用，与燃料电池模块一起实现船舶的行驶，由于低压吸附储氢模块存储氢气有限，且在密闭的发电舱中，低压吸附储氢模块存在一定危险性，不适合于较大船舶的长时间远途行驶。

发明内容

针对现有技术的不足，为了解决目前传统重油船舶排放污染高以及LNG动力船舶加注不方便、投资成本高、同样有污染的问题，现有燃料电池驱动船舶时存在航行用氢安全及续航里程短，无法实现远途长时间运行的缺陷，本发明提供了一种安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动船舶及其驱动方法。

所采用的技术方案如下：

一种安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动船舶，包括船体和中央显示控制台，设置于所述船体底板上的燃料发电舱和驱动系统，所述船体上还设有燃料舱，所述燃料舱内设有甲醇水箱，所述燃料发电舱中设有甲醇重整制氢系统、燃料电池系统、固态储氢罐、蓄电池组和非能动消氢复合器，所述甲醇水箱与所述甲醇重整制氢系统连接，所述燃料电池系统分别与所述的甲醇重整制氢系统、蓄电池组、驱动系统和固态储氢罐连接，所述非能动消氢复合器置于所述燃料发电舱内四周舱壁及舱顶上；所述中央显示控制台分别与所述的甲醇水箱、固态储氢罐、甲醇重整制氢系统、燃料电池系统、蓄电池组和驱动系统通过电路连接。

进一步地，所述船体上还设有与所述中央显示控制台电性连接的氢含量控制器和功率控制器，所述氢含量控制器分别与所述的甲醇重整制氢系统和固态储氢罐上的截止阀电性连接，用于控制氢气的输出量；所述功率控制器与所述的蓄电池组、燃料电池系统和驱动系统电性连接，用于控制电能的输出。

进一步地，所述非能动消氢复合器在所述燃料发电舱中设置至少5个，用于自动将所述燃料发电舱中的氢气浓度降至安全浓度4％水平以下。

所述甲醇重整制氢系统包括截止阀、蒸发器、反应釜、加热器、催化剂储瓶、出料口，所述中央显示控制台通过控制所述截止阀和加热器控制所述甲醇重整制氢系统启动制氢工作，并通过所述出料口将氢燃料输送至所述燃料电池系统；所述加热器用于加热所述反应釜内的催化剂，所述蒸发器用于蒸发甲醇溶液；所述蓄电池组分别与所述的加热器和蒸发器电性连接。

优选地，所述蓄电池组为镍氢电池蓄电池组。

进一步优选地，所述蓄电池组、燃料电池系统和甲醇重整制氢系统由下至上依次叠置于所述燃料发电舱中，所述固态储氢罐设置于所述燃料发电舱的远离所述驱动系统的一侧，所述甲醇水箱靠近所述固态储氢罐设置。

所述固态储氢罐中设有固态储氢物和加热部件，所述加热部件与蓄电池组电性连接。

优选地，所述驱动系统包括电动机和变速器，设置于船体艉部，并与所述的燃料电池系统、蓄电池组和功率控制器相连接。

所述的燃料电池系统和蓄电池组通过总开关、DC-AC逆变器、多个分开关与多种生活用电设备电性连接，每种所述生活用电设备对应连接一所述分开关。

另一方面，本发明还提供了一种安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动轮船的驱动方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，控制蓄电池组电源开启，直接供驱动系统电能使船舶航行；

步骤二，蓄电池组向固态储氢罐的加热部件及甲醇重整制氢系统的加热器提供电能，固态储氢罐快速释放氢气并提供给燃料电池系统发电，供驱动系统电能；

步骤三，甲醇重整制氢系统达到预设温度后产生富氢气体并进入燃料电池系统发电，供驱动系统电能；

步骤四，中央显示控制台根据船舶实时状态，自动调整固态储氢罐充放氢气质量与蓄电池组充放电功率。

本发明技术方案，具有如下优点：

A.本发明所提供了一种甲醇重整制氢燃料电池电动船舶，用甲醇溶液和固态储氢罐代替传统高压储氢罐储存氢气，提高了安全性,固态储氢罐中的固态储氢物，相比传统储氢罐更安全，储氢量更大，更适合大型电动船舶进行远途更长时间的行驶；同时本发明还在密闭的燃料发电舱中设置非能动消氢复合器，可消除氢气泄漏带来的安全隐患，将燃料发电舱空间中的氢气浓度降低至安全浓度水平4％以下，相比传统氢燃料电池多一层安全保障，实现了氢气制造、储存、释放、传输的移动空间内独立运用的无危险化。

B.本发明在燃料发电舱中设置了固态储氢罐，在船舶启动时，可通过蓄电池组对固态储氢罐加热，从而快速将固态储氢罐中的部分氢气释放到燃料发电系统中，快速实现对驱动系统的供电，从而大大缩短了氢燃料电池系统发电间隔时间，实现大吨位船舶的快速启动航行。

C.本发明通过氢含量控制器对固态储氢罐和甲醇重整制氢系统进行氢含量排放控制，保证船舶瞬时加减载，避免了燃料电池系统间歇排氢导致的压力波动，在功率控制器的协调控制下，中央显示控制台根据船舶航行实时状态，自动调整固态储氢罐充放氢气质量与蓄电池组充放电功率，可以实现在满足驱动用电的前提下将电能进行智能分配。

D.本发明通过对船舶空间进行合理设计，将燃料舱和发电舱单独分仓，充分利用空间，将与氢气关联系统置于同一舱内，统一设置消氢器，更加方便安全措施实施及监管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的电动船舶整体结构示意图；

图2为本发明所提供的船舶制氢与控制结构示意图。

图中标识如下：

1-船体；2-中央显示控制台；3-燃料发电舱；4-驱动系统

5-燃料舱；6-甲醇水箱；7-甲醇重整制氢系统；8-燃料电池系统

9-固态储氢罐；10-蓄电池组；20-非能动消氢复合器；30-氢含量控制器

40-功率控制器；50-总开关；60-DC-AC逆变器；70-分开关

80-生活用电设备；90-驾驶室及生活区；100-装载区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本发明提供了安全用氢的甲醇重整制氢燃料电池电动船舶，包括电动船舶船体1、驾驶室及生活区90、燃料发电舱3、燃料舱5，其中，驾驶室及生活区90、燃料发电舱3、燃料舱10和装载区100，各自独立于船体1内部；船体1的驾驶室及生活区90内设有多种生活用电设备80和中央显示控制台2，燃料舱5内设置甲醇水箱6，燃料发电舱3内设有甲醇重整制氢系统7、燃料电池系统8、固态储氢罐9、蓄电池组10和非能动消氢复合器20，装载区100负责货运或者客运，在艉部设有驱动系统4(即电动推进装置)用于推动电动船舶航行。甲醇水箱6与甲醇重整制氢系统7连接，提供制氢的原料，燃料电池系统8分别与甲醇重整制氢系统7、蓄电池组10、驱动系统4和固态储氢罐9连接，非能动消氢复合器20置于燃料发电舱3内四周舱壁及舱顶上；中央显示控制台2分别与甲醇水箱6、固态储氢罐9、甲醇重整制氢系统7、燃料电池系统8、蓄电池组10和驱动系统4通过电路连接。

在甲醇水箱6内设有甲醇容量测量仪，用于测量并显示甲醇剩余容量，并具有报警警示功能，此检测仪器采用现有技术；在船体1上还设有与中央显示控制台2电性连接的氢含量控制器30和功率控制器40，氢含量控制器20分别与甲醇重整制氢系统7和固态储氢罐9上的截止阀电性连接，用于控制氢气的输出量；功率控制器40与蓄电池组10、燃料电池系统8和驱动系统4电性连接，用于控制电能的输出。这里的中央显示控制台2作为整个船舶的控制系统，用于监测或者控制甲醇水箱6、固态储氢罐9、甲醇重整制氢系统7、燃料电池系统8、镍氢电池蓄电池组10、电动推进装置、功率控制器40、氢含量控制器30和总开关50。驾驶室及生活区100设置在艉部甲板上，由图1中可以看出，在驾驶室及生活区100下方从左至右依次是电动推进装置、燃料发电舱3、燃料舱5和装载区100。燃料发电舱3内船底板上设置蓄电池组10，在蓄电池组10上依次罗列燃料电池系统8、甲醇重整制氢系统7，其右是固态储氢罐9，在固态储氢罐9的左侧燃料舱5中设置了甲醇水箱6。

由于氢气具有易燃易爆的特性，同时在整个燃料发电舱3内装配有甲醇重整制氢系统7、固态储氢罐9和氢气运输管路，难免有泄漏风险，本发明在燃料发电舱3的舱壁及舱顶处分别设置了非能动消氢复合器20，非能动消氢复合器20可以确保在设计基准事故和严重事故时不需要外接能源，可自动启动，并将氢气浓度降至安全浓度水平4％以下，其中燃料发电舱3中可以沿着燃料发电舱3的舱壁和舱顶设置至少5个。

非能动消氢复合器是通过可控的氧化反应消耗燃料发电舱3内的高浓度氢气，防止氢气浓度达到爆燃极限，控制燃料发电舱3整体空间中的氢气体积浓度小于4％。非能动消氢复合器的核心部件是催化板，催化板由不锈钢制成，外面包裹一层氧化铝作为催化剂载体，氧化铝上面粘着催化剂(铂/钯)。催化剂的主要成分为铂，钯主要是加快低温下催化反应的初始速度。氢气在催化剂的表面氧化变成水蒸气，使整体舱内中的氢浓度处于安全状态，实现船舶行驶的无危险化。

为了更好地使非能动消氢复合器20具有很好的消氢能力，在燃料发电舱3外部设置多个通风口，可以保证非能动消氢复合器20所需供氧量，确保消氢效率，通风口还可以带走燃料电池系统8发电时和消氢过程中所产生的多余热量。

甲醇重整制氢系统7包括截止阀、蒸发器、反应釜、加热器、催化剂储瓶、出料口，中央显示控制台2通过控制截止阀和加热器控制甲醇重整制氢系统7启动制氢工作，并通过出料口将氢燃料输送至燃料电池系统8；加热器用于加热反应釜内的催化剂，蒸发器用于蒸发甲醇溶液；蓄电池组10分别与加热器和蒸发器电性连接，通过加热使甲醇水箱6中的甲醇蒸发进入甲醇重整制氢系统7，与进入反应釜中的催化剂反应制得氢气。燃料电池系统8包括燃料电池发电机、截止阀、冷却系统，其与功率控制器40、甲醇重整制氢系统7和驱动系统4相连，燃料电池系统8是一种不经过燃烧，直接以电化学反应将存在于燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，以驱动驱动系统4工作。截止阀设置在甲醇重整制氢系统7制氢后的管路上，且与功率控制器40形成控制连接，通过功率控制器40调节截止阀的开度，将甲醇重整制氢系统7产生的氢气的压力和流量转换为燃料电池发电机所需的压力和流量。上述所采用的甲醇重整制氢系统和燃料电池系统都可以采用现有技术，具体结构在此不再赘述。

优选的，本发明所采用的燃料电池系统为质子交换膜燃料电池(PEMFC，ProtonExchange Membrane Fuel Cell)技术，此技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术，燃料电池的能量转换效率高达60％以上，具有功率密度高、噪声低等良好性能。通过设置固态储氢罐9作为缓冲氢气使用罐，方便对燃料发电能力实时作出调整控制，且具有储氢量大的优势，解决了传统船舶高污染、噪音以及现有电动船舶续航里程短、充电不方便的问题，保证船舶在不同航行环境下的正常驱动及日常用电设备的运行稳定。

本发明所采用的固态储氢罐9还可以用于储存多余的低压氢气，其包括储放构件和加热部件，储放构件形成有放置固态储氢物的储存空间以及用于对固态储氢物进行加热的加热部件，加热部件与蓄电池组电性连接。由于固态储氢罐3具有放氢时间短的优点，可以保证大型船舶在不同行驶环境下的瞬时加减载，从而避免了燃料电池系统8间歇排氢所导致的压力波动。同时，整个船舶停机后，固态储氢罐9内的氢气能够进入反应室并对催化剂进行冷却，防止催化剂被氧化，进而减少了催化剂的消耗。

这里的蓄电池组10优选为镍氢电池蓄电池组，设置在燃料发电舱3底并与功率控制器40、燃料电池系统8、固态储氢罐9加热部件和电动推进装置相连，负责前期甲醇重整制氢系统7催化板加热到预定温度和固态储氢罐9加热部件的加热至开始放氢前驱动船舶行驶和供给生活用电，燃料电池系统8发电后多余的电量储存到镍氢电池蓄电池组10。

其中的驱动系统(即电动推进装置)包括电动机和变速器，电动机采用以SPWM或PWM方式控制交流电动机或永磁电动机。变速器采用无级调速或有档调速装置，动力强、效率高，工况适应性好，更适用大吨位船舶。

驾驶室及生活区90包括多个生活用电设备80、DC-AC逆变器60、分开关70和一个总开关50；总开关50、DC-AC逆变器60与设备转换分开关70依次连接于燃料电池系统8、镍氢电池蓄电池组10与生活用电设备80之间；其中，分开关70与生活用电设备80的数量一致，每一生活用电设备80对应一分开关70。

本发明具体的驱动方法如下：

电动船舶启动时由镍氢电池蓄电池组10供电驱动系统4使船舶航行，同时将电能供给到固态储氢罐9的加热部件和甲醇重整制氢系统7的加热器，首先使固态储氢罐9释放氢气，中央显示控制系统启动燃料电池系统8，优先消耗固态储氢罐内氢气，为甲醇重整制氢系统7反应釜达到预设温度争取时间，达到预设温度后开始产生富氢气体并进入燃料电池系统8，此后，燃料电池系统8开始持续工作发电，中央显示控制台根据船舶实时状态自动调整固态储氢罐9充放氢气质量与镍氢电池蓄电池组10充放电功率，保证船舶正常航行的情况下确保生活用电设备正常使用，燃料电池系统8所产生的多余电能可以存储在镍氢电池蓄电池组10中。若燃料发电舱3内有氢气泄漏，非能动消氢复合器20将在无外接能源条件下安全用氢，保证船舶用氢安全。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。