由燃料电池供电的船舶

技术领域

本发明涉及由燃料电池供电的船舶领域，特别是涉及一种大型由燃料电池供电的船舶。

背景技术

对于将燃料电池用作主电源、辅助电源或应急电源的船舶，燃料电池系统直接在机舱内进行布置并运行，存在电能输出功率小、续航能力不足的缺点，可以在小型船只上安装，考虑到在大型船舶上安装，需要提高输出功率和续航能力，这可以通过选用大功率的燃料电池来实现。但对于大功率的燃料电池，需要配备与其容量匹配的甲醇燃料舱。由于机舱的空间有限，无法布置合适的甲醇燃料舱，制约了大功率燃料电池的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的大型船舶没有足够空间布置甲醇燃料舱的缺陷，提供一种由燃料电池供电的船舶。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种由燃料电池供电的船舶，其包括货舱、货物溢流舱和燃料电池系统，所述货舱和货物溢流舱的舱壁均经过特涂处理，所述由燃料电池供电的船舶还包括甲醇加注管路系统，所述甲醇加注管路系统的一端与所述货物溢流舱相连通，所述甲醇加注管路系统的另一端与所述燃料电池系统相连通。

该由燃料电池供电的船舶，其货舱和货物溢流舱均经过特涂处理后，可以装载甲醇，甲醇加注管路系统两端分别与货物溢流舱和燃料电池系统相连通后，货物溢流舱可以兼作甲醇燃料舱使用，不需要在船舶上设置独立的甲醇燃料舱，节省船舶空间，弥补了大型船舶没有足够空间布置甲醇燃料舱的缺陷。

较佳地，所述甲醇加注管路系统包括甲醇燃料准备舱、甲醇燃料日用舱、甲醇燃料重整装置、氢气缓冲罐和氢气供给系统，所述甲醇燃料准备舱、所述甲醇燃料日用舱、所述甲醇燃料重整装置、所述氢气缓冲罐和所述氢气供给系统依次通过管道相连通。

该技术方案，提供一种实现甲醇加注管路系统的具体结构布置方案。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶还包括开敞甲板，所述甲醇燃料准备舱和所述甲醇燃料准备舱均位于所述开敞甲板上。

通过将甲醇燃料准备舱和甲醇燃料准备舱布置在开敞甲板上，以符合安全标准的要求。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶上还有起居舱室和机械舱室，所述甲醇燃料准备舱与所述起居舱室的距离和所述甲醇燃料准备舱与所述机械舱室的距离均在10米以上。

将甲醇燃料准备舱设置与起居舱室和机械舱室的距离均在10米以上，保证了起居舱室和机械舱室内人员和设备的安全，避免甲醇燃料准备舱发生安全事故时波及起居舱室或机械舱室。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶还包括机舱和隔离空舱，所述机舱和所述货物溢流舱之间通过隔离空舱隔开。

在甲醇燃料舱与机舱之间设置隔离空舱，防止燃料泄漏到机舱导致发生火灾或爆炸等险情。

较佳地，在所述机舱内设有二甲板，所述二甲板上设有燃料电池间、储能电池间和集控室；

所述燃料电池间与所述机舱之间的舱壁均为A-60级防火分隔，且燃料电池间与相邻围蔽处所的限界面保持气密。

在机舱的二甲板上设置燃料电池间、储能电池间和集控室，属于就近布置，在满足安全规范的同时，缩短电力电缆路径，节省空间和成本；

较佳地，所述甲醇加注管路系统包括甲醇燃料准备舱、甲醇燃料日用舱、甲醇燃料重整装置、氢气缓冲罐和氢气供给系统，所述甲醇燃料准备舱、所述甲醇燃料日用舱、所述甲醇燃料重整装置、所述氢气缓冲罐和所述氢气供给系统依次通过管道相连通；

所述燃料电池间还包括燃料电池水热管理装置和产物处理装置；所述燃料电池间通过水平布置的隔板分为上层和下层，所述燃料电池间的上层用于放置所述甲醇燃料重整装置、所述氢气缓冲罐和氢气供给系统，所述燃料电池间的下层用于放置所述燃料电池、所述燃料电池水热管理装置和所述产物处理装置。

将燃料电池间通过水平布置的隔板分为上层和下层，上层用于放置所述甲醇燃料重整装置、所述氢气缓冲罐和氢气供给系统，下层用于放置所述燃料电池、所述燃料电池水热管理装置和所述产物处理装置，既满足安全规范要求，又节省空间，布局更为合理。

较佳地，所述货舱和所述货物溢流舱之间通过管道连通。

将货舱与货物溢流舱通过管道连通，设置阀门，当货舱中的甲醇燃料处于低位或溢流的甲醇燃料无法满足燃料电池系统所需时，可以通过该管道补充甲醇燃料，避免电力供应不足。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶包括至少四套所述燃料电池系统，每套所述燃料电池系统由多组燃料电池模块扩展组成。

该燃料电池设计方案，包含了常规运行的燃料电池系统和备用燃料电池系统，在常规运行过程中燃料电池系统出现故障时，启用备用燃料电池系统保证电力供应系统的正常运转，提高电力供应系统供配电的冗余性和连续性；每套燃料电池系统由多组燃料电池模块扩展组成，各模块可以根据船舶用电需求分级启停投切，便于精细化管控和提升能效。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶还包括储能电池系统。

储能电池系统除了为主电网削峰填谷外，还可以抵消主电网中的动态负载，提高主电网的抗波动性。

较佳地，所述由燃料电池供电的船舶包括至少两套所述储能电池系统。

设置至少两套储能电池系统，提高了可抵消的动态负载的范围，使主电网抗波动性更强。

本发明的积极进步效果在于：

该由燃料电池供电的船舶，通过将货舱和货物溢流舱的舱壁均进行特涂处理，使得货舱和货物溢流舱；通过设置甲醇加注管路系统，甲醇加注管路系统的一端与货物溢流舱相连通，甲醇加注管路系统的另一端与所述燃料电池系统相连通，使得货物溢流舱可以兼作甲醇燃料舱使用，不需要在船舶上设置独立的甲醇燃料舱，节省了船舶空间弥补了大型船舶没有足够空间布置甲醇燃料舱的缺陷。

附图说明

图1为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的甲醇燃料舱的俯视布局图。

图2为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的甲醇燃料舱和甲醇燃料准备舱的侧视布局图。

图3为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的甲醇燃料日用舱和甲醇燃料准备舱的俯视布局图。

图4为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的燃料电池间的上层俯视布局图。

图5为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的燃料电池间的下层俯视布局图。

图6为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的燃料电池间侧视布局图。

图7为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的燃料电池间入口的俯视布局图。

图8为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的储能电池间和集控室的俯视布局图。

图9为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的主电网的构架图。

图10为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的燃料电池系统的总体流程框架图。

图11为本发明一实施例的由燃料电池供电的船舶的混合电能管理系统的拓扑结构图。

附图标记说明：

货舱1

机舱2

舵机舱3

二甲板31

燃料电池331

燃料电池间32

燃料电池间上层321

甲醇燃料重整装置3211

氢气缓冲罐3212

燃料电池间下层33

燃料电池水热管理和产物处理装置332

燃料电池阀控箱及接线盒333

燃料电池间入口34

储能电池351

储能电池间35

主配电板352

集控室36

集控台361

燃料电池交换器柜362

燃料电池应急切断装置363

燃料电池管理系统364

燃料电池辅助装置365

储能电池变换器柜366

三甲板37

四甲板38

货物溢流舱4

隔离空舱5

压载泵舱6

开敞甲板7

甲醇燃料准备舱71

甲醇燃料日用舱72

居住区域73

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

本实施例提供了一种由燃料电池供电的船舶，该由燃料电池供电的船舶具体包括货舱1、货物溢流舱4和燃料电池系统，货舱1和货物溢流舱4的舱壁均经过特涂处理，该由燃料电池供电的船舶还包括甲醇加注管路系统，甲醇加注管路系统的一端与货物溢流舱4相连通，甲醇加注管路系统的另一端与燃料电池系统相连通，通过甲醇加注管路系统向燃料电池系统加注用于运行的燃料。

图1为该由燃料电池供电的船舶的甲醇燃料舱布局图，该由燃料电池供电的船舶的货舱1和货物溢流舱4均经过特涂处理后，可以装载甲醇，具体来说，加注至货舱1中的甲醇能够溢流至货物溢流舱4，并通过甲醇加注管路系统两端分别与货物溢流舱4和燃料电池系统相连通的方式，使得货物溢流舱4可以兼作甲醇燃料舱使用，同时满足承接溢流甲醇和储存甲醇以供燃料电池系统使用的目的，不需要在由船舶上设置独立的甲醇燃料舱，节省船舶空间，减少建造周期，弥补了大型船舶没有足够空间布置甲醇燃料舱的缺陷。其中，特涂处理是指货舱和货物溢流舱均采用无机硅酸锌油漆特涂工艺流程，使得货舱和货物溢流舱在处理后具备装载甲醇的作用。另外，货舱1和货物溢流舱4均为现有技术中船舶所具备的结构，布局舱位布局和溢流原理均属于现有技术范畴，在此不再赘述。

具体来说，甲醇加注管路系统包括甲醇燃料准备舱71、甲醇燃料日用舱72、甲醇燃料重整装置3211、氢气缓冲罐3212和氢气供给系统，甲醇燃料准备舱71、甲醇燃料日用舱72、甲醇燃料重整装置3211、氢气缓冲罐3212和氢气供给系统依次通过管道相连通。

该技术方案，提供一种实现甲醇加注管路系统的具体结构布置方案。

图2为甲醇燃料舱和甲醇燃料准备舱71的布局，图3为甲醇燃料日用舱72和甲醇燃料准备舱71的布局，本实施例中，由燃料电池供电的船舶还包括开敞甲板7，甲醇燃料日用舱72和甲醇燃料准备舱71均位于开敞甲板7上。

通过将甲醇燃料日用舱72和甲醇燃料准备舱71布置在开敞甲板7上，以符合安全标准的要求。

进一步地，由燃料电池供电的船舶上还有起居舱室和机械舱室，甲醇燃料准备舱71与起居舱室的距离和甲醇燃料准备舱71与机械舱室的距离均在10米以上。

将甲醇燃料准备舱71设置与起居舱室和机械舱室的距离均在10米以上，保证了起居舱室和机械舱室内人员和设备的安全，避免甲醇燃料准备舱71发生安全事故时波及起居舱室或机械舱室。

本实施例中，由燃料电池供电的船舶还包括机舱2和隔离空舱5，货物溢流舱4位于机舱2前壁和货舱1后壁之间，机舱2和货物溢流舱4之间通过隔离空舱5隔开。

在甲醇燃料舱与机舱2之间设置隔离空舱5，防止燃料泄漏到机舱2导致发生火灾或爆炸等险情。

在机舱2内设有二甲板31，二甲板31上设有燃料电池间32、储能电池间35和集控室36；燃料电池间32与机舱2之间的舱壁均为A-60级防火分隔，且燃料电池间32与相邻围蔽处所的限界面保持气密。

在二甲板31上设置燃料电池间32、储能电池间35和集控室36，属于就近布置，在满足安全规范的同时，缩短电力电缆路径，节省空间和成本。

图4-7为燃料电池间32的布置，本实施例中，燃料电池间32还包括燃料电池水热管理装置和产物处理装置332；燃料电池间32通过水平布置的隔板分为上层和下层，燃料电池间32的上层用于放置甲醇燃料重整装置3211、氢气缓冲罐3212和氢气供给系统，燃料电池间32的下层用于放置燃料电池331、燃料电池水热管理装置和产物处理装置332，燃料电池间入口34位于上甲板机舱2棚后部。

将燃料电池间32通过水平布置的隔板分为上层和下层，上层用于放置甲醇燃料重整装置3211、氢气缓冲罐3212和氢气供给系统，下层用于放置燃料电池331、燃料电池水热管理装置和产物处理装置332，既满足安全规范要求，又节省空间，布局更为合理。

图8为储能电池间35和集控室36布置，在储能电池间35内，放置储能电池351，在集控室36内，放置主配电板352、集控台361、燃料电池系统变换器柜、燃料电池管理系统364(Fuel Cell Management System,FCMS)、燃料电池应急切断装置363、燃料电池辅助装置365、储能电池变换器柜366，储能电池变换器柜366内置储能电池管理系统(BatteryManagement System,BMS)、储能电池应急切断装置等。

考虑到为甲醇燃料舱设置备用的补充途径，将货舱1与货物溢流舱4通过液态甲醇货物/燃料加注系统连通，当货舱1中的甲醇燃料处于低位或溢流的甲醇燃料无法满足燃料电池系统所需时，可以通过该加注系统补充甲醇燃料，避免电力供应不足。

本实施例中，由燃料电池供电的船舶包括四套燃料电池系统，每套燃料电池系统由多组燃料电池模块扩展组成；由燃料电池供电的船舶还包括两套储能电池系统。

具体来说，主电网配置如下：

四套1200kW燃料电池系统，每套净输出最大电功率975kW，每套1200kW燃料电池系统的输出电压范围控制在1000VDC以下，每套1200kW燃料电池系统可以由六组200kW或者五组240kW的燃料电池模块扩展而成，各模块可以根据船舶用电需求分级启停投切；采用质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)，电池预期寿命按选用厂商的标准；

两套600kWh储能电池系统，每套最大放电功率600kW，每套600kWh储能电池系统的输出电压范围控制在1000VDC以下，储能电池351可以采用镍钴锰酸锂电池或磷酸铁锂电池，充电倍率0.5C，放电倍率1C。

图9为主电网构架，主配电板352的汇流排分为两段，之间通过母排联络开关连接。燃料电池系统和储能电池系统经逆变后，平均分配接入主配电板352的两段汇流排。

图10为燃料电池系统的总体流程框架，进一步地，每组燃料电池模块主要由燃料电池331堆、氢气供给循环系统、空气供给系统、水热管理系统、电控系统等部分组成；每套1200kW燃料电池系统均配置对应的甲醇燃料重整装置3211、氢气缓冲罐3212及供给系统、空气供给系统、燃料电池管理系统364(FCMS)、燃料电池应急切断装置363、变换器柜、燃料电池331水热管理和产物处理等辅助装置。

每套600kWh储能电池系统均配置对应的储能电池管理系统(BMS)和变换器柜。

甲醇燃料重整装置3211通过催化剂作用，让甲醇与水发生重整反应产出富氢气体，经冷却降温后进行气液分离，再进行提纯，直至氢气纯度≧99.97％后输送到氢气缓冲罐3212。

各燃料电池系统和储能电池系统经对应的变换器柜输出低压交流电(440VAC，三相，60Hz)，利用自动同步装置控制调整各电池系统逆变输出端和由燃料电池供电的船舶的低压交流配电板汇流排端的电压、频率和相位以达到同步，然后通过断路器自动合闸接入由燃料电池供电的船舶的低压交流电网实现并网运行。并网逆变器运行时，输出电压和频率波动、谐波成分满足船级社关于供电品质的规范要求，注入由燃料电池供电的船舶的低压交流电网的电流谐波总畸变率小于5％。

燃料电池系统和储能电池系统经逆变后，平均分配接入主配电板352的两段汇流排，提高主电网供配电的冗余性和连续性。

各工况下的电站投入如下：

正常航行时，一套1200kW燃料电池系统运行，储能电池系统并网为主电网削峰填谷；

进出港时，一套1200kW燃料电池系统和两套600kWh储能电池系统并网运行；

港口装卸货时，四套1200kW燃料电池系统运行，储能电池系统并网为主电网削峰填谷；

港口停泊时，一套1200kW燃料电池系统降功率运行，储能电池系统并网为主电网削峰填谷。

该燃料电池设计方案，包含了常规运行的燃料电池系统和备用燃料电池系统，在常规运行过程中燃料电池系统出现故障时，启用备用燃料电池系统保证电力供应系统的正常运转，提高电力供应系统供配电的冗余性和连续性；每套燃料电池系统由多组燃料电池模块扩展组成，各模块可以根据船舶用电需求分级启停投切，便于精细化管控和提升能效。

储能电池系统除了为主电网削峰填谷外，还可以抵消主电网中的动态负载，提高主电网的抗波动性。设置至少两套储能电池系统，提高了可抵消的动态负载的范围，使主电网抗波动性更强。

图11为该船混合电能管理系统的拓扑结构，为了提升该燃料电池加储能电池混合电力系统的能效和经济性，设置全船电站管理系统(PMS)与燃料电池管理系统364(FCMS)、储能电池管理系统(BMS)，全船电站管理系统(PMS)与燃料电池管理系统364(FCMS)、储能电池管理系统(BMS)通过串行接口或总线接口连接相互通信进行联动，即时分析投入电站的发电情况、电网负荷状态和用电需求，自动调配电能。

具体来说，全船电站管理系统(PMS)分析电网中投入电站的发电情况、电网负荷状态和用电需求，基于该船的电能管理目标和管理策略，向燃料电池管理系统364(FCMS)、储能电池管理系统(BMS)发出指令、调配电能，同时燃料电池管理系统364(FCMS)、储能电池管理系统(BMS)监控各自系统状态，向全船电站管理系统(PMS)作出响应和反馈。

为了进一步提高燃料电池管理系统364(FCMS)和储能电池管理系统(BMS)的安全性，设置全船监测报警系统(Alarm Monitoring System,AMS)。具体来说，每套燃料电池管理系统364(FCMS)与各燃料电池模块管理系统(Fuel Cell Module Management System,FCMMS)形成环网通信，实施状态监测分析、控制管理、报警管理、安全保护和信息管理，并输出报警信号至全船监测报警系统(AMS)；每套储能电池管理系统(BMS)与各组电池包管理系统(Battery Pack Management System,BPMS)形成环网通信，每组电池包管理系统(BPMS)与各电池模块管理系统(Battery Module Management System,BMMS)形成环网通信，实施状态监测分析、控制管理、报警管理、安全保护和信息管理，并输出报警信号至全船监测报警系统(AMS)。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。