一种船用氢燃料电池安全监控系统及方法与流程

1.本发明涉及船舶安全监控技术领域，具体而言，设计了船用氢燃料电池系统，尤其涉及一种船用氢燃料电池安全监控系统及方法。


背景技术：

2.随着减少温室气体排放需求的日益增长，预计未来几年船用发动机将转向使用各种替代燃料。在众多替代品中，氢凭借其在能源和汽车行业作为零排放燃料的广泛应用，吸引了全球的兴趣，发展氢能船舶势在必行。众所周知，海运业是温室气体主要排放源之一。海运业每年的二氧化碳排放量达到3亿吨左右，大约占全球温室气体排放的3％，推广绿色船舶则有望减少这一行业的碳排放。随着全球货运量的增加，过去10年全球海洋运输活动的直接二氧化碳排放量大幅上升。因此，实现减排目标对船运业而言仍然存在非常大的挑战。近年来，研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为绿色船舶的重要发展方向，而将零排放的氢燃料电池技术应用于船舶，则被普遍视为一种有效的解决方案。
3.从技术层面来看，氢燃料电池在船舶领域应用具有三大优势：其一，可以实现工业规模化生产，电源稳定可靠。氢燃料电池是稳定直流电源的来源，可以分布在整个船舶上，为船舶的发动机提供动力并满足其所有电力需求。目前燃料电池系统的电能效率可达55％，它不产生温室气体，唯一的副产品是干净可用的水。燃料电池系统几乎不需要专门维护，维护成本低(燃料电池系统可重建)且使用寿命极长。其二，支持远程运输，可快速加氢。氢气的能量密度比锂电池更高，因此燃料电池驱动的船舶可在再次加氢前运行更长时间、行驶得更远。与锂电池供电相比，这对于寻求更换船舶燃料动力系统的船队运营商来说，氢燃料电池系统更实用。其三，氢气可储存在大型液体储存设施中，以便于在码头加氢，固定线路轮渡、近海船只、进出峡湾的游轮等都适合采用氢燃料电池技术。
4.由于氢气的易燃易爆特性，对氢燃料电池安全监控显得尤为重要。与车用工况环境不同，船用燃料电池系统通常安装在比较密闭的船舱室内，不利于氢气的扩散，容易积聚较高浓度的氢气从而发生危险，为了保证安全，必须确保燃料电池系统氢浓度低于可燃值，故需要设置燃料电池安全监控系统进行实时监测以确保系统安全。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中存在无法对密闭船舶舱室内氢气浓度进行有效监测的技术问题，本发明提供一种船用氢燃料电池安全监控系统及方法。本发明设计了在功能上独立于氢燃料电池系统控制单元的氢燃料电池安全监测系统，实现了在密闭舱室内对于氢气浓度的实时监测。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种船用氢燃料电池安全监控系统，包括：
8.电堆氢气浓度检测装置，用于采集电堆内的氢气浓度，并将采集的第一氢气浓度值反馈至安全监控控制单元scu；
9.箱体氢气浓度检测装置，用于采集箱体内的氢气浓度，并将采集的第二氢气浓度值反馈至安全监控控制单元scu，所述箱体为设置于燃料电池系统外部的密闭封装箱；
10.安全监控控制单元scu，一方面用于判断第一氢气浓度值和第二氢气浓度值是否超过预设阈值，另一方面用于当判断第一氢气浓度值或者第二氢气浓度值超过预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。
11.进一步地，系统还包括：
12.设置于所述箱体上的通风装置，用于通过轴流风机维持箱体的通风状态，降低箱体内的氢气浓度；
13.所述安全监控控制单元scu采集轴流风机的输入电流值，并对所述电流值进行判断，当判断电流值低于预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。
14.进一步地，系统还包括：
15.报警装置；
16.当安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时激活所述报警装置进行预警。
17.进一步地，所述燃料电池系统包括排氢电磁阀、空气压缩机以及燃料电池系统控制单元；
18.安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令，包括：
19.一方面通过总线将停机指令发送至燃料电池系统控制单元，控制燃料电池系统停机；
20.一方面通过总线控制燃料电池系统的空气压缩机停机；
21.另一方面通过硬线控制燃料电池系统的排氢电磁阀打开，排放氢气。
22.进一步地，所述安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时向气源装置发送关闭指令，所述气源装置包括供氢系统，所述供氢系统根据指令关闭。
23.进一步地，所述安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时向值班处所发送警报指令，所述值班处所包括报警装置，所述报警装置根据指令启动警报。
24.本发明还公开了一种船用氢燃料电池安全监控方法，基于上述任意一项所述的系统实现，包括以下步骤：
25.s1、获取电堆氢气浓度、箱体氢气浓度以及轴流风机的输入电流值；
26.s2、判断电堆氢气浓度或者箱体氢气浓度是否超过预设阈值，若未超过阈值则执行s1，否则执行s3；同时判断风机电流值是否低于预设阈值，若未低于阈值则执行s1，否则执行s3；
27.s3、控制燃料电池系统停机，包括关闭燃料电池系统、关闭空气压缩机并打开排氢电磁阀。
28.进一步地，s3还包括：控制气源装置停止向燃料电池系统供氢。
29.进一步地，s3还包括：控制值班处所报警装置启动警报。
30.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.1、本发明提供了一种船用氢燃料电池安全监控系统，拥有一套独立的核心控制单元，采用氢气浓度检测装置实时监测氢气浓度，检测轴流风机电流值判断通风装置状态，发现异常进行紧急停机，激活安全监控系统报警装置，保证了氢燃料电池系统安全稳定运行。
32.2、本发明在功能上独立于氢燃料电池系统控制单元，采用氢气浓度检测装置实时监测氢气浓度，检测轴流风机电流值判断通风装置状态，发现异常及时关闭气源，急停氢燃料电池系统；并可以在氢燃料电池系统控制单元出现失效以后，及时停止空气压缩机同时排出燃料电池电堆及系统管路中的带压力气体从而保证电堆及系统的安全；能够激活安全监控系统报警装置，并且上传报警信号至值班处所以便于及时发现问题，保证了氢燃料电池系统安全性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明一种船用氢燃料电池安全监控系统结构示意图。
35.图2为本发明一种船用氢燃料电池安全监控方法流程图。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.如图1所示，本实施例提供了一种船用氢燃料电池安全监控系统，包括：安全监控控制单元scu、电堆氢气浓度检测装置、箱体氢气浓度检测装置、通风装置以及报警装置。安全监控系统独立于燃料电池系统以及气源装置和值班处所。
39.本实施例中燃料电池系统包括排氢电磁阀、空气压缩机以及燃料电池系统控制单元。气源装置包括供氢系统。值班处所包括报警装置。
40.具体来说，安全监控系统通过第一总线与燃料电池系统、气源装置以及值班处所联系，并通过硬线与燃料电池系统中的排氢电磁阀及值班处所中的报警装置联系，通过第二总线与燃料电池系统中的空气压缩机和燃料电池系统控制单元通信联系。
41.当安全监控系统中的电堆氢气浓度检测装置或者箱体氢气浓度检测装置监测到氢气浓度超标时，安全监控控制单元scu通过第二总线及硬线进行信息传递。此时，燃料电池系统控制单元会发出紧急停机指令，及时停止空气压缩机同时打开排氢电磁阀排出燃料
电池电堆及系统管路中的带压力气体。同时，安全监控控制单元scu通过第一总线通知气源装置立即关闭供氢系统，并向值班处所发出警告。
42.对于安全监控系统中的通风装置，其包括轴流风机，安全监控控制单元scu检测轴流风机输入电流值，如果该电流值低于额定电流超过一定的差值，则安全监控系统认为通风装置处于失效状态，同理，安全监控控制单元scu通过第二总线及硬线的信息传递，燃料电池系统控制单元会发出紧急停机指令，及时停止空气压缩机同时打开排氢电磁阀排出燃料电池电堆及系统管路中的带压力气体。同时，安全监控控制单元scu通过第一总线通知气源装置立即关闭供氢系统，并向值班处所发出警告。
43.在燃料电池系统箱体内部设置一个报警装置，该报警装置由安全监控控制单元scu进行管理，当系统出现影响安全的因素时，比如氢气浓度检测超标或者通风装置失效，安全监控控制单元scu会激活报警装置发出声光提示来提醒相关人员进行处理。同时，安全监控系统将会向值班处所中传递一个故障电位，该电位可以触发值班处所内部的报警装置，便于值班处所人员及时发现相应的故障状态。
44.本实施例的另一方面还提供了一种基于上述系统的船用氢燃料电池安全监控方法，包括以下步骤：
45.s1、获取电堆氢气浓度、箱体氢气浓度以及轴流风机的输入电流值；
46.s2、判断电堆氢气浓度或者箱体氢气浓度是否超过预设阈值，若未超过阈值则执行s1，否则执行s3；同时判断风机电流值是否低于预设阈值，若未低于阈值则执行s1，否则执行s3；
47.s3、控制燃料电池系统停机，包括关闭燃料电池系统、关闭空气压缩机并打开排氢电磁阀。
48.进一步地，s3还包括：控制气源装置停止向燃料电池系统供氢。
49.进一步地，s3还包括：控制值班处所报警装置启动警报。
50.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，包括：电堆氢气浓度检测装置，用于采集电堆内的氢气浓度，并将采集的第一氢气浓度值反馈至安全监控控制单元scu；箱体氢气浓度检测装置，用于采集箱体内的氢气浓度，并将采集的第二氢气浓度值反馈至安全监控控制单元scu，所述箱体为设置于燃料电池系统外部的密闭封装箱；安全监控控制单元scu，一方面用于判断第一氢气浓度值和第二氢气浓度值是否超过预设阈值，另一方面用于当判断第一氢气浓度值或者第二氢气浓度值超过预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。2.根据权利要求1所述的一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，系统还包括：设置于所述箱体上的通风装置，用于通过轴流风机维持箱体的通风状态，降低箱体内的氢气浓度；所述安全监控控制单元scu采集轴流风机的输入电流值，并对所述电流值进行判断，当判断电流值低于预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。3.根据权利要求1所述的一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，系统还包括：报警装置；当安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时激活所述报警装置进行预警。4.根据权利要求1所述的一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括排氢电磁阀、空气压缩机以及燃料电池系统控制单元；安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令，包括：一方面通过总线将停机指令发送至燃料电池系统控制单元，控制燃料电池系统停机；一方面通过总线控制燃料电池系统的空气压缩机停机；另一方面通过硬线控制燃料电池系统的排氢电磁阀打开，排放氢气。5.根据权利要求1所述的一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，所述安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时向气源装置发送关闭指令，所述气源装置包括供氢系统，所述供氢系统根据指令关闭。6.根据权利要求1所述的一种船用氢燃料电池安全监控系统，其特征在于，所述安全监控控制单元scu向燃料电池发送停机指令时，同时向值班处所发送警报指令，所述值班处所包括报警装置，所述报警装置根据指令启动警报。7.一种船用氢燃料电池安全监控方法，基于权利要求1-6中任意一项所述的系统实现，其特征在于，包括以下步骤：s1、获取电堆氢气浓度、箱体氢气浓度以及轴流风机的输入电流值；s2、判断电堆氢气浓度或者箱体氢气浓度是否超过预设阈值，若未超过阈值则执行s1，否则执行s3；同时判断风机电流值是否低于预设阈值，若未低于阈值则执行s1，否则执行s3；s3、控制燃料电池系统停机，包括关闭燃料电池系统、关闭空气压缩机并打开排氢电磁阀。
8.根据权利要求7所述的一种船用氢燃料电池安全监控方法，其特征在于，s3还包括：控制气源装置停止向燃料电池系统供氢。9.根据权利要求7所述的一种船用氢燃料电池安全监控方法，其特征在于，s3还包括：控制值班处所报警装置启动警报。

技术总结
本发明提供一种船用氢燃料电池安全监控系统及方法。系统包括：电堆氢气浓度检测装置，用于采集电堆内的第一氢气浓度；箱体氢气浓度检测装置，用于采集箱体内的第二氢气浓度；安全监控控制单元SCU，一方面用于判断第一氢气浓度值和第二氢气浓度值是否超过预设阈值，另一方面用于当判断第一氢气浓度值或者第二氢气浓度值超过预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。同时安全监控控制单元SCU还用于采集轴流风机的输入电流值，当判断电流值低于预设阈值时，向燃料电池系统发送停机指令。本发明设计了在功能上独立于氢燃料电池系统控制单元的氢燃料电池安全监测系统，实现了在密闭舱室内对于氢气浓度的实时监测。舱室内对于氢气浓度的实时监测。舱室内对于氢气浓度的实时监测。


技术研发人员：李克强 张宝 安勇攀 王鹏 穆永权 姜帅
受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/14