一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法

1.本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法。


背景技术：

2.随着环境污染问题愈发严重，国际海事组织(imo)对于船舶尾气的排放要求越来越高。尤其在港口和近海区域对于尾气排放的要求更高。目前欧洲国家的许多港口已经提出零碳、零污染排放的要求，因此寻找可以在港口燃用的清洁能源迫在眉睫。
3.集装箱船在港口停泊时，船舶载运的冷藏集装箱仍然需要通过消耗船舶电网的电力，依靠冷藏集装箱自身的制冷设备来制冷。如果采用传统的燃油，利用柴油发电机进行发电，将会产生大量的污染物，不符合港口零碳、零污染排放的要求。为了满足这一要求，可以通过选用更加清洁的燃料进行发电，进而实现对冷藏集装箱的制冷。
4.近年来，氢燃料以其具有无污染、零碳排放等优点，引发了航运业越来越多的关注。其中，氢燃料电池发电是一种较为理想的选择，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其发电效率可以达到50％以上。氢燃烧只会产生水和大量热，在其整个反应过程中不会产生任何污染物，还可以利用产生的废热水。但是由于氢气的密度比较小，为了减小氢气的储存体积，增大运输量，在船舶上通常以液态的形式(液氢，-253℃)储存，在送至氢燃料电池使用之前，需要将液氢气化加热至40℃～60℃，由于液氢的温度极低，在这一过程中会释放出大量的冷能，如果能够有效利用这部分冷能，将会避免冷能的大量浪费。恰巧船舶装载的冷藏集装箱需要消耗大量的冷能来制冷，如果可以将这部分冷能用于冷藏集装箱，不仅可以使冷能得到充分利用，而且还节省了冷藏集装箱对船舶电网的电力消耗。
5.考虑到液氢的发热值约为140mj/kg，密度约为70.8kg/m3，而传统燃油的发热值为42mj/kg，密度约为980kg/m3，因此释放相同发热量所需的液氢的体积约为燃油体积的4倍，即在集装箱船上储存液氢燃料所需体积约为储存燃油所需体积的4倍，而集装箱船主机的功率较大，航线较长，需携带的燃料量多，如果在集装箱船航行过程中采用液氢作为燃料，则船舶需要携带液氢体积过大，占据的船舶宝贵空间太多，影响船舶的载箱数量，不符合集装箱船载箱数量越来越大的发展趋势；此外，液氢价格昂贵，这样集装箱船航行过程中，如果采用液氢作为燃料存在占据空间太多和成本高等突出的问题，并且综合考虑船舶在海上航行时对于尾气排放的要求较低，因此综合上述因素来看，基于现有技术，当前集装箱船航行过程中采用液氢作为燃料有明显的缺点和不足。
6.当集装箱船靠泊时，冷藏集装箱需要利用氢燃料电池产生的电能来制冷，由于冷藏集装箱的数量很多，因此电力消耗较大，氢燃料电池产生的电能需要消耗大量的液氢，如果直接将液氢储罐放在集装箱船上进行运输，在航行过程中将会占据大量船舶甲板的空间，因此可以在集装箱船靠泊的时候，将液氢罐箱吊至船舶甲板上，然后将液氢供给集装箱船上的冷藏集装箱使用。
7.针对上述问题，本发明提出一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法，该系统在港口既能通过氢燃料电池为冷藏集装箱供电，又能将氢燃料电池使用过程中液氢释放的冷能用于冷藏集装箱，不仅满足港口零碳、零污染排放的要求，而且使液氢的冷能得到了充分的利用，提高了液氢冷能应用系统整体的能量利用率，符合绿色港口的要求和船舶节能减排的发展趋势。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是针对上述的技术问题，提出一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法，在集装箱船靠泊时，利用港口桥吊将港口放置的多个液氢罐箱吊至集装箱船上，每个液氢罐箱上都留有罐箱接口，通过罐箱接口与集装箱船上的管道接头相连接，从而连通整个系统。同时液氢在供给氢燃料电池过程中会释放大量冷能，所释放的冷能可通过换热器传递给冷媒，后通过循环泵输送到冷藏集装箱的换热盘管供冷藏集装箱使用。本系统在靠泊时电力供给和冷能应用过程中不产生废气，进而不会污染港口环境，满足了港口的船舶尾气排放要求。因此，本系统具有极好的实际应用价值和经济效益。
9.本发明的第一个目的是提出一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统。
10.本系统由氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统两个子系统组成。其中所述氢燃料电池电力供给系统包括：液氢罐箱、驳运泵、管道接头、罐箱接口、换热器、b区冷藏集装箱、海水加热器、废水加热器、氢燃料电池、船舶电网和柴油发电机。所述液氢冷能应用系统包括：液氢罐箱、驳运泵、管道接头、罐箱接口、换热器、循环泵、a区冷藏集装箱和换热盘管。
11.在氢燃料电池电力供给系统中，所述驳运泵位于液氢罐箱底部，通过所述罐箱接口与管道接头连接；所述管道接头与所述换热器连接；所述换热器与所述海水加热器连接；所述海水加热器与所述废水加热器连接；所述废水加热器与所述氢燃料电池连接，氢燃料电池经化学反应产生的废水可供给废水加热器利用；所述氢燃料电池与所述船舶电网连接；所述船舶电网与所述b区冷藏集装箱连接。
12.在液氢冷能应用系统中，所述驳运泵位于液氢罐箱底部，通过所述罐箱接口与管道接头连接；所述管道接头与换热器连接；所述换热器、循环泵和换热盘管通过管路依次连接，形成闭路循环。其中所述a区冷藏集装箱与传统冷藏集装箱不同的是，此系统中在a区的冷藏集装箱内加设了一组换热盘管。
13.进一步讲，本系统定义a区的冷藏集装箱包含若干个冷藏集装箱，分别是a1、a2、
……
、an冷藏集装箱，上述连接是基于一个冷藏集装箱的连接过程，实际上a1、a2、
……
、an各冷藏集装箱的连接过程相同；本系统定义b区的冷藏集装箱包含若干个冷藏集装箱，分别是b1、b2、
……
、bn冷藏集装箱，上述连接是基于一个冷藏集装箱的连接过程，实际上b1、b2、
……
、bn各冷藏集装箱的连接过程相同。
14.由于本系统考虑的是船舶靠泊时的电力供给和冷能应用问题，故本系统定义集装箱船上设有c1、c2、
……
、cn个液氢罐箱，但考虑到船舶靠泊时间较短，故通常只设有n≤10个液氢罐箱，上述连接是基于一个液氢罐箱的连接过程，实际上c1、c2、
……
、cn个液氢罐箱的连接过程相同。
15.本发明的第二个目的是提出一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用方法。
16.为了便于液氢在港口的装卸，本发明将液氢储存在罐箱内。当集装箱船靠泊时，在氢燃料电池电力供给系统中，先利用港口桥吊将港口的液氢罐箱吊至船舶甲板上，通过液氢罐箱c1、c2、
……
、cn自身的罐箱接口与船舶上的管道接头连接，随后，所述驳运泵将液氢从液氢罐箱内驳运出来，流经管路到达换热器，经换热处理，后流经管路到达海水加热器进行加热处理，后流经管路到达废水加热器再次进行加热处理，供给氢燃料电池使用，后氢燃料电池通过电路将电力输送至船舶电网，进而将电力通过电路输送给b区的冷藏集装箱实现制冷。
17.此外，当集装箱船靠泊时，在冷能应用系统中。在液氢进入管路的基础上，换热器中液氢将冷能传递给冷媒，利用循环泵使冷媒流经a区冷藏集装箱的换热盘管，将冷能释放给a区的冷藏集装箱实现制冷。当液氢的冷能不能完全满足供给a区冷藏集装箱实现制冷时，还可以通过利用液氢的冷能和船舶电网所提供的电力共同来实现a区冷藏集装箱的制冷。
18.当集装箱船开航前，为了减少液氢罐箱占据的船舶甲板空间，将液氢罐箱接口与管道接头断开连接，利用港口桥吊将液氢罐箱从集装箱船上卸下。
19.在集装箱船航行过程中，考虑到船舶上装载的冷藏集装箱仍需依靠电力实现制冷，故船舶主机可以采用船舶上原有的柴油发电机进行发电，进而实现对冷藏集装箱的制冷。
20.本发明的有益效果：
21.1.本系统在集装箱船靠泊时采用氢燃料电池发电用于冷藏集装箱的制冷，实现了港口零碳、零污染排放，满足港口对船舶尾气的排放要求，并且将液氢供给氢燃料电池过程中释放的冷能用于冷藏集装箱，不仅使液氢的冷能得到了充分的利用，提高了液氢冷能应用系统整体的能量利用率，而且还节省了冷藏集装箱对船舶电网的电力消耗。
22.2.本发明在集装箱船靠泊时，将液氢罐箱吊至船舶上，实现液氢燃料的利用，在船舶开航前，又可以将液氢罐箱卸下，避免了在集装箱船航行过程中因携带大量的液氢而占据过多的船舶宝贵空间，影响船舶的载箱数量，因此本方法不仅解决了集装箱船载箱空间的利用问题，并且本发明实施的方法灵活方便，易于实现。
附图说明
23.图1为本发明在船舶靠泊时氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统的示意图；
24.图2为本发明的一种集装箱船结构示意图；
25.附图中：1.液氢罐箱；2.驳运泵；3.管道接头；4.罐箱接口；5.换热器；6.循环泵；7.a区冷藏集装箱；8.b区冷藏集装箱；9.海水加热器；10.废水加热器；11.氢燃料电池；12.船舶电网；13.换热盘管；14.柴油发电机。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
27.一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法，如图1所示，本系统由氢
燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统两个子系统组成。其中所述氢燃料电池电力供给系统包括：液氢罐箱1、驳运泵2、管道接头3、罐箱接口4、换热器5、b区冷藏集装箱8、海水加热器9、废水加热器10、氢燃料电池11、船舶电网12和柴油发电机14。所述液氢冷能应用系统包括：液氢罐箱1、驳运泵2、管道接头3、罐箱接口4、换热器5、循环泵6、a区冷藏集装箱7和换热盘管13。
28.在氢燃料电池电力供给系统中，所述液氢罐箱1中用于储存液氢，并通过管路与驳运泵2连接；所述驳运泵2通过管路与罐箱接口4连接；所述罐箱接口4与管道接头3连接；所述管道接头3通过管路与换热器5连接；所述换热器5通过管路与海水加热器9连接；所述海水加热器9通过管路与废水加热器10连接；所述废水加热器10通过管路与氢燃料电池11连接；所述氢燃料电池11通过电路与船舶电网12连接；所述船舶电网12通过电路分别与b1、b2、
……
、bn冷藏集装箱连接；其中，氢燃料电池11产生的废水通过另一管路与废水加热器10连接。
29.在液氢冷能应用系统中，液氢罐箱1中用于储存液氢燃料，并通过管路与驳运泵2连接；所述驳运泵2通过管路与罐箱接口4连接；所述罐箱接口4与管道接头3连接；所述换热器5通过管路与循环泵6连接；所述循环泵6通过管路分别与a1、a2、
……
、an冷藏集装箱内的换热盘管13连接，所述换热器5、循环泵6和换热盘管13通过管路依次连接，形成闭路循环。其中所述a区冷藏集装箱7与传统冷藏集装箱不同的是，此系统中的换热盘管13设在a区冷藏集装箱7内。
30.为了便于液氢在港口的装卸，本发明将液氢储存在罐箱内。当集装箱船靠泊时，通过港口桥吊将液氢罐箱1吊至船舶甲板上，罐箱接口4与管道接头3相互配合连接：b区冷藏集装箱8的制冷采用氢燃料电池电力供给系统，在该系统中，所述驳运泵2将液氢罐箱1中的液氢驳运出来，后通过管路流经换热器5进行换热处理，这样做是将液氢的冷能传递给冷媒，将这部分冷能暂存在换热器5内，后通过管路流经海水加热器9进行加热处理，后通过管路流经废水加热器10再次进行加热处理，经过加热处理后的液氢将转化为气态，达到符合氢燃料电池11使用的温度，后通过管路将氢燃料输送给氢燃料电池11，后将氢燃料电池11所产生的电力通过电路供给船舶电网12，最后将电力通过电路供给b1、b2、
……
、bn冷藏集装箱实现制冷。
31.在氢燃料电池电力供给系统中，氢燃料电池11产生的废水会通过另一管路与废水加热器10连接，这样做的目的是利用氢燃料电池11所产生的废水以及余热，对供给氢燃料电池11过程中的液氢进行加热，大大提高了系统的能量利用率，降低了实际成本。
32.当集装箱船靠泊时，a区冷藏集装箱7仍需要消耗大量冷能来制冷：此时采用液氢冷能应用系统，将液氢罐箱1中的液氢通过驳运泵2驳运出来，后通过管路流至换热器5，在换热器5内液氢将冷能传递给冷媒，利用循环泵6使冷媒流经a区冷藏集装箱7的换热盘管13，将冷能释放给a1、a2、
……
、an冷藏集装箱实现制冷。通过采用集装箱船在靠泊时，利用氢燃料电池的电力供给和液氢冷能供给船舶冷藏集装箱的方法，解决了集装箱船燃用燃油造成的港口污染问题，实现了港口零碳、零污染排放，满足港口对船舶尾气的排放要求。
33.值得注意的是，当液氢的冷能不能完全满足供给a区冷藏集装箱7实现制冷时，还可以通过利用液氢的冷能和船舶电网12所提供的电力共同来实现a区冷藏集装箱7的制冷。这样做的目的是能够保证冷藏集装箱的正常工作。
34.在上述各液氢罐箱1中的液氢供给氢燃料电池11以及制冷过程中，只有当c1液氢罐箱中的液氢用完以后，才对其他液氢罐箱1中的液氢进行应用，以此类推，对c1、c2、
……
、cn(n≤10)液氢罐箱中的液氢依次进行利用。
35.当集装箱船开航前，为了减少液氢罐箱1占据的船舶甲板空间，罐箱接口4与管道接头3断开连接，利用港口桥吊将所有的液氢罐箱1，包括用完的以及未被用完的从集装箱船上卸下，使得集装箱船在航行过程中能够装载更多的集装箱，大大提高了船舶甲板空间的利用率。
36.在集装箱船航行过程中，由于冷藏集装箱的数量较多，电力消耗较大，因此氢燃料电池11需要消耗大量的液氢，如果直接将液氢储罐放在集装箱船上进行运输，会占据大量船舶的装货空间，影响载箱数量。因此在集装箱船停泊的时候，本发明采用岸上的液氢供给氢燃料电池11使用，利用港口桥吊将液氢罐箱1输送至船舶甲板上。
37.在本发明中集装箱船保留原有的主柴油机动力装置和柴油发电机供电系统，氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统安装在集装箱船上。当集装箱船靠泊时，采用氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统，利用氢燃料电池11产生的电力进行供电，并将液氢供给氢燃料电池11发电过程中释放的冷能供给冷藏集装箱实现制冷；在集装箱船航行过程中，采用柴油发电机供电系统，将该系统产生的电力供给a区冷藏集装箱7和b区冷藏集装箱8实现制冷，此时主柴油机动力装置和柴油发电机采用传统燃油或其他价格低廉的燃料，这是因为液氢作为燃料存在占据甲板空间太多和成本高等突出的问题，并且船舶在海上航行时对于尾气排放的要求较低，故在船舶航行过程中，会从船舶靠泊时的氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统改换成船舶上原有的主柴油机动力装置和柴油发电机14产生的电力供给a区冷藏集装箱7和b区冷藏集装箱8实现制冷。这样不仅可以节省成本，还提高了对于整个船舶甲板空间的利用率，解决了集装箱船载箱空间的利用问题。
38.以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统，其特征在于：本系统包括氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统；所述氢燃料电池电力供给系统包括：液氢罐箱(1)、驳运泵(2)、管道接头(3)、罐箱接口(4)、换热器(5)、b区冷藏集装箱(8)、海水加热器(9)、废水加热器(10)、氢燃料电池(11)、船舶电网(12)和柴油发电机(14)，其中所述b区冷藏集装箱(8)共有n个，分别是b1、b2、
……
、bn冷藏集装箱；在氢燃料电池电力供给系统中，所述液氢罐箱(1)中用于储存液氢，并通过管路与驳运泵(2)连接；所述驳运泵(2)通过管路与罐箱接口(4)连接；所述罐箱接口(4)与管道接头(3)连接；所述管道接头(3)通过管路与换热器(5)连接；所述换热器(5)通过管路与海水加热器(9)连接；所述海水加热器(9)通过管路与废水加热器(10)连接；所述废水加热器(10)通过管路与氢燃料电池(11)连接；其中氢燃料电池(11)产生的废水通过另一管路与废水加热器(10)连接；所述氢燃料电池(11)通过电路与船舶电网(12)连接；所述船舶电网(12)通过电路分别与b1、b2、
……
、bn冷藏集装箱连接。2.根据权利要求1中所述的一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统，其特征在于：所述液氢冷能应用系统包括液氢罐箱(1)、驳运泵(2)、管道接头(3)、罐箱接口(4)、换热器(5)、循环泵(6)、a区冷藏集装箱(7)、换热盘管(13)，其中所述a区冷藏集装箱(7)共有n个，分别是a1、a2、
……
、an冷藏集装箱；所述换热盘管(13)共有n个，分别设置在a1、a2、
……
、an冷藏集装箱内；在液氢冷能应用系统中，所述液氢罐箱(1)中用于储存液氢燃料，并通过管路与驳运泵(2)连接；所述驳运泵(2)通过管路与罐箱接口(4)连接；所述罐箱接口(4)与管道接头(3)连接；所述管道接头(3)通过管路与换热器(5)连接；所述换热器(5)通过管路与循环泵(6)连接；所述循环泵(6)通过管路分别与a1、a2、
……
、an冷藏集装箱内的换热盘管(13)连接。3.一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用方法，使用权利要求1中所述的系统，其特征在于：在船舶靠泊时，采用氢燃料电池电力供给系统，该系统的应用方法是：将c1、c2、
……
、cn(n≤10)液氢罐箱(1)吊至船舶甲板上，后将液氢罐箱(1)的罐箱接口(4)与管道接头(3)连接，利用驳运泵(2)将液氢罐箱(1)内的液氢驳运出来后通过管路流至换热器(5)内进行换热处理，后通过管路流至海水加热器(9)进行加热处理，后通过管路流至废水加热器(10)再次进行加热处理，后将处理过的氢燃料通过管路供给氢燃料电池(11)使用，后将氢燃料电池(11)的电力通过电路供给船舶电网(12)，最后将电力供给b区冷藏集装箱(8)实现制冷，实现了氢燃料电池发电用于冷藏集装箱制冷的方法；另外，在船舶靠泊时，还采用液氢冷能应用系统，该系统的应用方法是：将液氢运至管路内的基础上在换热器(5)内将液氢的冷能传递给冷媒，再利用循环泵(6)使冷媒流经a区冷藏集装箱(7)的换热盘管(13)，将冷能释放给a区的冷藏集装箱(7)实现制冷；当集装箱船开航前，先将罐箱接口(4)与管道接头(3)断开连接，再利用港口桥吊将液氢罐箱(1)从集装箱船上卸下；当集装箱船在航行过程中，将不再使用船舶靠泊时的氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统，而是改换成船舶上原有的柴油发电机(14)产生的电力供给a区冷藏集装箱(7)和b区冷藏集装箱(8)实现制冷。4.根据权利要求3中所述的一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用方法，其特征
在于：船舶靠泊时，当液氢的冷能不能完全满足供给a区冷藏集装箱(7)实现制冷时，还可以通过利用液氢的冷能和船舶电网(12)所提供的电力共同实现a区冷藏集装箱(7)的制冷。

技术总结
本发明提出一种集装箱船氢燃料的电力供给和冷能应用系统及方法，本系统包括氢燃料电池电力供给系统和液氢冷能应用系统，当集装箱船靠泊并将液氢罐箱吊至船舶甲板上时，本发明采用氢燃料电池电力供给系统，该系统最终将电力输送至B区冷藏集装箱实现制冷，节省了冷藏集装箱对于船舶电网的电力消耗；同时，液氢冷能应用系统将液氢释放的大量冷能输送至A区冷藏集装箱的换热盘管内实现制冷。本发明将氢燃料电池产生的电力供给冷藏集装箱实现制冷，并且使氢燃料供给过程中释放的冷能得到充分利用，提高了整个系统的能量利用率，解决了港口零碳、零污染排放问题，符合绿色港口的要求和船舶节能减排的发展趋势。船舶节能减排的发展趋势。


技术研发人员：刁福军 刘亚琦 钟永健 赵晶 李博洋 张荣秀
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/3/14