水运工具的能量系统 |
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申请号 | CN02807032.1 | 申请日 | 2002-01-22 | 公开(公告)号 | CN1498450A | 公开(公告)日 | 2004-05-19 |
申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 沃尔夫冈·扎德基; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及一种 水 运工具的 能量 系统,它包括至少一个 燃料 电池 模 块 (6,7,8,9),优选为H2O2 燃料电池 模块,借助于该燃料电池模块可以通过一个供 电网 络为一个电气驱动(17)和至少一个耗电器提供 电能 ,其中,该电气驱动(17)是一个交流驱动,它通过至少一个功率变换器(10)与供电网络的一个直流电网(2)连接。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于水运工具的能量系统(1),包括:至少一个由燃料产生电 能的、具有多个相互连接的燃料电池的燃料电池模块(6,7,8,9),特别 是H2O2燃料电池模块;一个与燃料电池模块(6,7,8,9)电气连接的直 流电网(2);和至少一个可以通过一个变换器单元(10)与直流电网(2) 连接的水运工具的交流驱动(17), |
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说明书全文 | 技术领域本发明涉及一种用于水运工具的能量系统,特别是用于船只、潜艇等 的水运工具的能量系统。 背景技术不同类型和大小的公知水运工具通常由固定螺旋桨、可调螺旋桨、控 制螺旋桨(Ruderpropeller)和偶尔也由水射流系统驱动。其中,驱动的机 械能量直接从内燃电机,如奥托电机、用重油或轻油运行的柴油电机、或 者燃气涡轮产生。这里作为能量载体分别采用存放在水运工具携带的箱中 的化石燃料。 这里,水运工具船上的内燃电机不仅用于驱动,而且还用于为水运工 具船上的许多耗电器产生电能,例如为同样将电能转换成机械能量的辅助 驱动,为产生热、冷和光的电气设备,为媒体技术的电气设备和为航海的 电气设备产生电能。其中,内燃电机与一些电气机器耦合,后者将由内燃 电机输出的机械能量转换成用于耗电器的电能。这里,用于水运工具驱动 的内燃电机产生的机械功率在一个从大约5kW至大约60MW的范围内,供 水运工具的驱动机构使用。对于耗电器所需要的电能的功率,根据水运工 具的不同类型和大小,有直到大约15MVA。这里,根据所需要的电能,偶 尔采用多个每个包括一个内燃电机的船上电网发电机,用来产生电能。 在水运工具上的、用于驱动水运工具和用于为耗电器馈电产生电能的 电气内燃电机,通过水运工具的船上电网与船上电网发电机相关联,具有 几个缺点。这些内燃电机一方面通过化石燃料的燃烧产生影响环境的有害 气体排放,并且通常在运行中噪声特别强,这特别在水下船只中是有缺点 的,因为这样可以简单地被探测到。此外,由于在箱中携带的化石燃料造 成水运工具船舱空间的损失。另外,由于在箱中存放的化石燃料以及船上 电网发电机使得内燃电机具有一个必须与水运工具一起运动的、提高的重 量。 当水运工具在港口区域行驶时,例如在水运工具在一个港口驶入、驶 出或靠岸的范围内,这些缺点尤其严重,因为通过水运工具在港口区域造 成集中的排放负担。在etz,13-14/2000册中的文章“Sicherheit auf allen Wegen”公开了,借助于由燃料电池提供电能的、直流电运行的电动机驱动 船只,为此,在船只上设置了一个直流电网。 此外,DE 19739917 A1公开了一种用于船只的直流供电电网,其中, 将多个交流发电机通过一个可控整流器在并联电路中这样运行,使得它们 均匀加载。此外,可以配置连接在交流供电电网上的燃料电池。 发明内容考虑到现有技术状态,本发明要解决的技术问题是,提供一种水运工 具的能量系统,该系统除了为水运工具的驱动进行没有排放和进一步减少 噪声的能量供应、传输和变换之外,还有可能为水运工具船上的电气装置 馈电。 按照本发明,上述技术问题的解决是通过这样一种水运工具的能量系 统实现的,即该水运工具的能量系统包括:至少一个由燃料产生电能的、 具有多个相互连接的燃料电池的燃料电池模块,特别是一个H2O2燃料电池 模块;一个和该燃料电池模块电气连接的直流电网;以及至少一个可以通 过变换器单元与直流电网连接的、水运工具的交流驱动。其中,一个可以 与产生恒定电压和频率的变流器连接的交流电网,可以通过该变流器与该 直流电网连接,以便与交流耗电器相连。优选地可以省略一个为交流耗电 器的分离的供电电源。此外,还可以将交流耗电器纳入一个应急供电的概 念中。 按照本发明,仅仅使用一种形式的能量来源为水运工具提供船上的各 种能量,在此优选地有多个相互连接的燃料电池组成的至少一个燃料电池 模块。燃料电池使得可以从氢气和氧气直接产生电能。作为燃料使用氢气, 而作为氧化剂使用氧气。通过化学反应产生电压,而作为反应物排出水。 由此,在这种电能的产生中不会形成任何影响环境的有害物质。按照本发 明,由此产生的电能通过一个供电网络送至至少一个电驱动,用于严生水 运工具的推进,以及送至水运工具的耗电器。其中,优选地实现了效率的 提高。此外,燃料电池使得可以从氢气和氧气直接产生电能并表现出高的 电效率、良好的部件负载特性和低的噪声发生。 燃料电池模块产生一个直流电压,并可以在负载下输出一定的电功率。 根据水运工具船上的功率需求,优选地将多个燃料电池模块在一个串联和/ 或并联电路中共同连接成一个燃料电池装置。 燃料电池模块表现出高的电效率、良好的部件负载特性、低的有害物 质排放以及特别低的噪声发生,因此,既适用于分布式的应用,又适用于 如同在按照本发明的水运工具能量系统的、集中的应用。 按照本发明的一种扩展,燃料电池具有一个优选地由塑料制成的、固 定电解质。在本发明的一个特别优选的结构中,该电解隔板是一种聚合物 隔板。它具有这样的优点,即燃料电池具有一个特别简单的结构。这种在 其中转换出能量的、实际的电化学元件是隔板电极单元。它由聚合物电解 质、具有作为催化器的铂的气体扩散电极、和电极两侧的碳纸组成。质子 从阳极移动到形成反应反应水处的阴极。对于氢气的热值上限,理论上H2O2 燃料电池的输出电压为1.48V,在空载的状态下每个燃料电池提供大约大于 1V。借助于一个冷却装置将反应物均匀地引导至电极,而将热量从电极导 出。反应水借助于一个微小的氧气流从燃料电池导出,其中,不同的介质 相互密封。有一个聚合物隔板作为电解质的燃料电池具有有利的接通或者 断开特性、有利的负载和温度循环特性、微小的电压退化、高的寿命长度、 有利的过载特性、大约80℃的极低的运行温度,并且表现出没有流体腐蚀 的电解质。由此,聚合物电解隔板燃料电池(PEM燃料电池)成为一种接 近理想的电流产生器。特别有利的是用氢气的运行,氢气可以按与电气或 物理相关的形式携带并在一个产生氢气的设备中释放。其中,能量的密度 比用例如耐用瓶(Dauerflaschen)的氢气容器的携带的密度高出十次幂。 按照本发明的另一优选结构,燃料电池可以用来自一个重整器(特别 是柴油、甲醇、轻汽油、和/或天然气重整器)的反应气体和用空气运行。 在用空气的运行中燃料电池的氧气一侧含有21%的氧气。在用来自一个重 整器,即所谓重整器气体的反应气体运行中燃料电池的氢气一侧含有氮和 二氧化碳的混合物。这造成PEM燃料电池既在氧气一侧又在氢气一侧不再 变成“死胡同”(DEAD-ENDED)。燃料电池模块优选地设计为用于剩余运 行。既将氧气一侧又将氢气一侧的污染保持为低。这里,必须避免例如一 氧化碳的成分、硫化物或者氯化钠的混合。因此,对水面空气进行一次或 两次过滤,其中,在两次过滤中的过滤器是一个有源过滤器。 相对于柴油重整器,甲醇、轻汽油、和/或天然气重整器具有低的温度, 并具有较少的难度,将例如甲醇、轻汽油或液化气体转换成一种氢气气流。 对于海上的用途柴油重整器特别适用,但是轻汽油重整器也适用,因为柴 油燃料和净化后的轻汽油具备一个高的可支配性。 用一个柴油重整器运行PEM燃料电池对于按照本发明的船只的能量系 统特别优选,尤其是对于战船。一方面由此提供了一种有害物质安全和噪 声少的能量系统的供电。柴油燃料在全球都可以得到,所以不需要特殊的 后勤。此外,柴油燃料对于海上船只是一个由北约组织标准化的燃料。在 船只上不需要为新的附加运行材料提供额外的存放能力。 根据本发明的一种特别优选的结构,燃料电池是一种直接甲醇燃料电 池(DMFC)。在本发明的另一种特别优选的结构中,燃料电池是一种陶瓷 高温燃料电池(SOFC)。SOFC燃料电池的运行温度介于大约950至1000℃。 因为进行了后加的热量利用,所以不仅SOFC燃料电池的效率特别高,例 如>60%,而且由重整器排出的热空气在大约300℃。可以简单地将该热空 气导入水中。SOFC燃料电池在液化气体重整器的组合中的应用特别优选地 适合于民用船只的驱动。 优选地,将废气,特别是重整气体和吸收气体在能量系统一侧直接导 引至行驶水中,特别优选地吹入控制螺旋桨驱动的旋转水中或者在水射流 驱动中的体积空间中。由此,水运工具可以不再由于其废气和废气的热辐 射而被探测到,否则有可能通过红外辐射或类似的被探测到。这里,较小 的废气量不能通过红外辐射被证实出。为了避免各种热特征优选地为重整 器设置一种热屏蔽,优选地借助于气体洗涤装置来冷却洗涤气体,该洗涤 气体在水运工具的船外通过水进行冷却。 供电网络优选地包括一个直流供电电网,通过该网络在燃料电池模块 一侧产生的电能被传输至各个耗电器或者耗电器组,并在那按照需要变换 成各个应用场合所需的能量形式。优选地,在燃料电池模块一侧产生的直 流电压,通过至少一个变换器装置转换成一种用于推进水运工具的电驱动 的、具有可变的电压和/或可变的频率的交流电。然后,水运工具的电驱动 将为其送入的电能变换成机械能量,并将其提供给水运工具的驱动。 在本发明的另一优选结构中,用于如冷却水泵、空调设备压缩机和类 似的辅助机器的、转速可变的三相电动机,通过可控变换器单元被馈以电 能。交流耗电器,例如加热设备、冷却设备和照明设备,优选地通过具有 恒定电压和频率的变换器单元被馈以电能。在本发明的另一个优选结构中, 为了给具有固定电压和频率的耗电器供电,使用了电动机-发电机组,优选 地由一个直流电机和一个三相同步发电机,或者一个变换器单元或一个三 相电动机和一个三相同步发电机组成。 按照本发明的一个特别优选的结构,该能量系统具有至少一个用于产 生应急电流或者船上电流的燃料电池模块,该燃料电池模块优选地用于在 港口区域运行水运工具。 附图说明 本发明的其它细节、特征和优点借助于附图由下面对优选实施方式 的描述给出。其中, 图1表示在一个单螺旋桨船只上的按照本发明的水运工具的能量系统 的原理构造, 图2表示在一个双螺旋桨船只上的按照本发明的水运工具的能量系统 的原理构造。 具体实施方式图1和2分别示出了一个水运工具的能量系统1的实施方式。按照图1 能量系统1用于单螺旋桨船只,并包括一个对应的电驱动17,该电驱动通 过一个轴18用推力轴承19驱动一个船只螺旋桨20。图2示出了用于双螺 旋桨船只的能量系统1,其中,在船的后侧和船舵一侧分别设置一个电驱动 17,该电驱动分别通过一个轴18并用推力轴承19驱动一个船只螺旋桨20。 图1和2中的电驱动17通过一个三相交流电网与在船的后侧和船舵一 侧的直流电网2连接,每个直流电网2由至少一个燃料电池模块6和7或 者6、7和9提供电能。这里,直流电网2包括多个开关元件,这些开关元 件根据所需功率与一个这里没有明显示出的控制装置连接,其中,根据功 率需求燃料电池模块6,7或者9在串联和/或并联电路中共同连接成一个燃 料电池装置。直流电网2通过变换器11以及12与用于如冷却水泵、空调 设备、压缩机和类似的辅助机器的、转速可变的三相电动机13以及交流电 网14连接。用于为转速可变的三相电动机13供电的变换器11在此被构成 为可控的。通过每个变换器16,即一个现有的变压器,将在船的后侧和船 舵一侧的交流电网14与其它在船的后侧和船舵一侧的交流电网4连接。这 里,变换器16为具有固定电压和频率的耗电器供电,这些例如加热设备、 冷却设备和照明设备的耗电器可以与交流电网4或者5连接。 正如在图1和2中所示,能量系统1额外包括一个通过直流电网3提 供应急电源的燃料电池模块8。燃料电池模块8一方面通过直流电网3与在 船的后侧和船舵一侧的直流电网2连接,另一方面通过变换器15与为交流 耗电器设置的应急电源交流电网5连接。 根据不同功率需求直流电网2和3以及交流电网4、5和14与一个这 里没有明显示出的控制装置连接。其中,直流电网和交流电网的电路这样 设置,使得在任意时刻单个燃料电池模块出现故障时,保证了对于电驱动 17以及船上耗电器的供电,船上耗电器例如是用于如冷却水泵、空调设备、 压缩机和类似的辅助机器以及加热设备、冷却设备和照明设备的三相电动 机。 在图中示出的实施方式仅仅作为对本发明的解释,但并不局限于此。 |