专利名称：水运工具的能量系统的制作方法
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 allenWegen”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。
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。
具体实施例方式
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。
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)，其特征在于，一个可以与产生恒定电压和频率的变流器(12，15)连接的交流电网(4，5，14)，可以通过该变流器(12，15)与所述直流电网(2)连接，以便与交流耗电器相连。
2.根据权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述变换器单元(10)产生具有可变电压和/或频率的交流电。
3.根据权利要求1或2所述的能量系统，其特征在于，所述变换器单元(10)构成为可控的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的能量系统，其特征在于，根据功率需求，可以将多个燃料电池模块(6，7，8，9)在串联和/或并联电路中共同连接成一个燃料电池装置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，通过所述直流电网(2)，借助于可控变换器单元(11)，可以为用于辅助机器的、转速可变的三相电动机(13)供电。
6.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述系统包括一个用作应急电源的燃料电池模块(8)，该燃料电池模块可以通过一个直流电网(3)与所述直流电网(2)连接，并通过该直流电网(2)借助于变换器单元(10)与所述电驱动(17)连接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述系统包括一个用作应急电源的燃料电池模块(8)，该燃料电池模块通过一个直流电网(3)和一个变换器单元(15)可以与一个用于交流耗电器的交流电网(5)连接。
8.根据权利要求1所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池具有固定电解质。
9.根据权利要求8所述的能量系统，其特征在于，所述电解质由塑料制成，优选为一种聚合物隔板。
10.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池可以利用来自一个重整器的反应气体运行。
11.根据权利要求10所述的能量系统，其特征在于，所述重整器是一个柴油重整器。
12.根据权利要求10所述的能量系统，其特征在于，所述重整器是一个轻汽油重整器。
13.根据权利要求10所述的能量系统，其特征在于，所述重整器是一个甲醇重整器。
14.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池可以利用空气运行。
15.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，将驱动废气，优选的重整气体和/或吸收气体导引入行驶水中，特别优选地吹入在水射流驱动中的体积空间和/或控制螺旋桨驱动的旋转水中。
16.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池是一个直接甲醇燃料电池(DMFC)。
17.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述燃料电池是一个陶瓷高温燃料电池(SOFC)。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的能量系统，其特征在于，所述重整器是隔热的，并且用一种优选从水运工具的外部引入的洗涤气体对其进行冷却。
19.根据上述权利要求中任一项所述的能量系统，其特征在于，在所述水运工具中设置多个燃料电池模块。
全文摘要
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H
文档编号H02J4/00GK1498450SQ02807032
公开日2004年5月19日 申请日期2002年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者沃尔夫冈·扎德基, 沃尔夫冈 扎德基 申请人:西门子公司