CN117446076A - 供气装置、包括其的船舶和向空气润滑设备供气的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于船舶的供气装置(100)。该供气装置(100)包括燃料电池(110)和用于降低船舶阻力的空气润滑设备(120)。该燃料电池(110)的废气出口(111)经由废气管线(112)与空气润滑设备(120)连接，用于向该空气润滑设备(120)供应废气。此外，描述了一种包括根据本文所述的任意实施例的供气装置(100)的船舶(200)以及一种向船舶的空气润滑设备(120)供气的方法。
Description
本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/EP2022/057044、申请日为2022年3月17日的PCT申请并且于2023年9月13日进入中国国家阶段，国家申请号为202280021273.7，名称为“用于船舶的供气装置、包括该供气装置的船舶以及向空气润滑设备供气的方法”。
技术领域
本公开的实施例涉及一种用于降低水摩擦阻力的空气润滑型船舶的供气装置。此外，本公开的实施例涉及一种向船舶的空气润滑设备供气的方法。此外，本公开的实施例涉及一种在供气装置中安装燃料电池的方法。
背景技术
通常，船舶在海上航行时，其船底的水下表面受到水的摩擦阻力。特别是对于大型船舶(例如货船)，船体阻力的很大一部分来自船底外部水的相对流动所产生的摩擦阻力。
为了降低船体的摩擦阻力，能够使用空气润滑，特别是通过将空气排放到船体周围。摩擦阻力的降低具有很大的燃油经济性改善效果，并且因此是减少船舶CO2排放的有效手段。
在现有技术中，存在着各种用于产生用于船体润滑的气泡的系统和方法。例如，为了产生用于船体润滑的气泡，现有技术教导使用单独的或专用的机械电动压缩机或鼓风机。
然而，对用于船体润滑的改进方法和系统的需求不断存在，特别是在能耗和生态友好性方面。
发明内容
鉴于上述情况，根据独立权利要求，提供了一种用于船舶的供气装置、包括该供气装置的船舶、向船舶的空气润滑设备供气的方法以及在供气装置中安装燃料电池的方法。从从属权利要求、说明书和附图中可以明显得出其他的方面、优点和特征。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于船舶的供气装置。该供气装置包括燃料电池和用于降低船舶阻力的空气润滑设备。该燃料电池的废气出口经由废气管线与空气润滑设备连接，用于向该空气润滑设备供应废气。
因此，与用于空气润滑型船舶的常规装置相比，本公开的供气装置在能耗和生态友好性方面有所改进。
根据本公开的另一个方面，提供了一种包括根据本文所述的任意实施例的供气装置的船舶。
根据本公开的另一个方面，提供了一种向船舶的空气润滑设备供气的方法。该方法包括将来自燃料电池的废气供应到空气润滑设备。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于船舶的供气装置。该供气装置包括燃料电池、用于降低船舶阻力的空气润滑设备和连接到加压管线系统以向加压管线系统提供加压流体的压缩机。该加压管线系统连接到燃料电池，为燃料电池提供来自压缩机的加压流体。该加压管线系统还连接到空气润滑设备，为空气润滑设备提供加压流体。
因此，与用于空气润滑型船舶的常规设备相比，本公开的供气装置在能耗和生态友好性方面有所改进。
根据本公开的另一个方面，提供了一种包括根据本文所述的任意实施例的供气装置的船舶。
根据本公开的另一个方面，提供了一种在船舶的供气装置中安装燃料电池的方法。该供气装置包括用于降低船舶阻力的空气润滑设备和用于为该空气润滑设备提供加压流体的压缩机。该方法包括经由进气管线或分叉进气管线连接压缩机出口和燃料电池的入口。该方法还包括经由废气管线将空气润滑设备的入口与燃料电池的废气出口连接，或经由分叉进气管线将空气润滑设备的入口与压缩机出口连接。
本领域技术人员将在阅读以下详细描述和查看附图时认识到附加特征和优点。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考实施例对上文简要总结的公开内容展开更具体的描述。附图涉及本公开的实施例，并描述如下：
图1示出了具有根据本文所述实施例的供气装置的船舶的示意图；
图2示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶示意图；并且
图3a和图3b示出了根据本文所述实施例的用于说明向船舶的空气润滑设备供气的方法的实施例的框图。
图4示出了具有根据本文所述实施例的供气装置的船舶的示意图；
图5a示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；
图5b示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；
图6示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；
图7示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；
图8示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；
图9示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图；并且
图10示出了具有根据本文所述其他实施例的供气装置的船舶的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，每幅图中示出了其一个或更多个示例。每个示例均以解释方式提供，并不用作限制。例如，作为一个实施例的一部分而说明或描述的特征能够用在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用以产生另一个实施例。本公开旨在包括此类修改和变化。
在下面的附图描述中，相同的附图标记是指相同或相似的部件。通常，仅对相对于各实施例的差异进行描述。除非另有说明，否则对一个实施例中的部件或方面的描述也能适用于另一个实施例中的对应部件或方面。
示例性参考图1，其描述了一种根据本公开的用于船舶200的供气装置100。根据能与本文描述的其它实施例相结合的实施例，该供气装置100包括燃料电池110和用于降低船舶200的阻力的空气润滑设备120。特别地，该空气润滑设备120被配置成产生用于船体润滑的气泡。更具体地说，该空气润滑设备通常被配置成通过将空气排放到船体吃水线以下的外表面上而在船体的底表面上产生或形成空气层。换言之，为了降低船体的摩擦阻力，能够使用空气润滑，特别是通过将空气排放到船体周围，尤其是在排放到船体下方。因此，能够有利地降低船舶与水之间的摩擦阻力。如图1所示，燃料电池110的废气出口111经由废气管线112与空气润滑设备120连接，用于向空气润滑设备120供应废气。
因此，与用于空气润滑型船舶的常规装置相比，本文所述空气供应装置的实施例有利地提供了改善的能源效率和生态友好性。
示例性参考图2，根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池110连接到压缩机130以向燃料电池110提供加压空气。换言之，燃料电池110能够是加压燃料电池，这能够有利于向空气润滑设备提供加压流。因此，可以提高船舶的能源效率。此外，能够减少船舶的全球碳排放。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池110连接到燃料供应装置140，如图2示例性所示。燃料供应装置140被配置成向燃料电池110提供燃料。特别地，该燃料能够是氢气、甲烷、甲醇、氨或任何其它合适燃料中的至少一种。因此，与海上运输中使用的诸如重油之类的传统燃料相比，能够提高生态友好性。
示例性参考图2，根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置100还包括选自后燃烧器、氧化器、涡轮机、膨胀器、热交换器、节气门(throttle)、特别是风门(flap)、再循环设备中的至少一个部件150。如图2示例性所示，至少一个部件150通常连接到废气管线112。提供如本文所述的一个或更多个其他部件150可以有利于提高供气装置，特别是全局系统的性能。应当理解，所述至少一个部件150中的每一个都能够串联或并联设置。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置100还包括连接到废气管线112的流量控制设备160。特别地，该流量控制设备能够是阀门或风门。例如，流量控制设备160可以与所述至少一个部件150串联设置，特别是设置在所述至少一个部件150的下游。或者，流量控制设备160能够与所述至少一个部件150并联设置。因此，能够有利地调节向空气润滑设备120的供气速率。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池110是质子交换膜燃料电池(PEMFC)或固体氧化物燃料电池(SOFC)或任何其他燃料电池类型，特别是用于移动应用的任何其他燃料电池。
因此，从图1和图2应当理解，根据本公开的另一方面，提供了一种包括根据本文所述的任意实施例的供气装置的船舶200。因此，能够提供一种具有用于减少水-船体摩擦的更高效且更环保的系统的船舶，从而降低整体运营成本。在本公开中，术语“船舶”还可以包括船只或任何其他水运工具。
示例性参考图3a和图3b所示的框图，其描述了根据本公开向船舶200的空气润滑设备120供气的方法300的实施例。根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，该方法包括从燃料电池110向空气润滑设备120供应废气(由图3a中的方框310表示)。通常，燃料电池的废气是贫O2空气和/或蒸汽。特别是，将废气从燃料电池供应到空气润滑设备通常包括将废气直接输送到空气润滑设备，特别是不使用废气剩余能量来推动涡轮增压器。
示例性参考图3b，根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，该方法300还包括向燃料电池110提供加压空气(由图3b中的方框320表示)。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，该方法300还包括在从空气润滑设备120排出废气之前引导废气通过选自后燃烧器、氧化器、涡轮机、膨胀器、热交换器、节气门、特别是风门和再循环设备中的至少一个部件150(由图3b中的方框330表示)。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，该方法300还包括通过使用流量控制设备160来控制提供给空气润滑设备120的废气流量(由图3b中的方框340表示)。特别是，该流量控制设备160是阀门或风门。
应当理解，向船舶200的空气润滑设备120供气的方法300通常包括使用根据本文所述任意实施例的供气装置100(由图3b中的方框350表示)。换言之，能够使用根据本文所述任意实施例的供气装置100来执行向船舶200的空气润滑设备120供气的方法300。此外，应当理解，方法方框310、320、330、340和350的具体组合只是示例。换言之，方法方框320、330、340和350表示可选的附加方法特征，其能任意地与方法300的主方框310组合。更具体地说，从燃料电池110向空气润滑设备120供应废气(由图3a和3b中的方框310表示)能够与本文示例性所述的方法方框320、330、340和350中的一个或更多个组合。
因此，鉴于上述情况，应当理解，与现有技术相比，本文所述的实施例有利地提供了改善的能源效率和生态友好性，使得能够降低CO2排放和运营成本。此外，需要指出的是，与现有技术相比，根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置被配置为将能量和废气流从燃料电池发送到空气润滑设备。特别地，本公开的实施例能够被配置成直接从燃料电池向船体润滑输入提供废气(例如贫O2空气和蒸汽)。换言之，根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池的废气出口经由废气管线直接与空气润滑设备连接，使得来自燃料电池的废气被直接引导到空气润滑设备。
示例性参考图4，其描述了一种根据本公开的一个方面的用于船舶700的供气装置400。根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置400包括燃料电池410和用于降低船舶阻力的空气润滑设备420。
特别地，该空气润滑设备420被配置成产生用于船体润滑的气泡。通常，该空气润滑设备被配置成通过将空气排放到船体吃水线以下的外表面上而在船体的底表面上产生或形成空气层。换言之，润滑可以用于降低船舶与空气的摩擦阻力，特别是通过将空气排放到船体周围，尤其是排放到船体下方。有利的是，能够降低船舶与水之间的摩擦阻力。船体阻力通常代表船舶燃料消耗的主要部分。举例来说，在船体下方注入气泡可以使船舶的消耗提高约10％。无论推进方式如何(柴油、燃气、电池供电、燃料电池、混合动力)，通过注入气泡的方式可以改善基本上所有类型的船舶的燃料消耗。
尽管在本申请全文中使用术语“空气”润滑设备420，但“空气”润滑设备420并不局限于对空气的应用。例如，并且如下文进一步讨论的，可以将源自燃料电池410的废气引入(可选地以进一步加压的方式)到空气润滑设备420中。在这种情况下，废气可以简单地对应于空气，然而，它也可以对应于(高度)潮湿的空气，或者可以含有其它气体或颗粒(在这种情况下，这些颗粒通常对环境无害)。因此，尽管优选使用空气，但“空气”润滑设备420可以使用任何类型的加压流体来完全运行，并且不局限于使用空气来运行。
为了产生气泡，供气装置400包括压缩机430。压缩机430连接到加压管线系统，用于向加压管线系统提供加压流体。该加压管线系统可以对应于若干单独气体管线或管线部分的歧管，例如，但不限于废气管线412、512、进气管线414、分叉进气管线514、第一分支进气管线515和第二分支进气管线516中的一个或更多个。
在图4所示的示例性实施例中，该加压管线系统包括废气管线412和流体连接压缩机和燃料电池410的进气管线(未标有附图标记)。
加压管线系统412、414、512、514、515、516还连接到燃料电池410，用于向燃料电池410提供来自压缩机430的加压流体。换言之，燃料电池410是加压燃料电池，其能够(在部分实施例中)有利于向空气润滑设备提供加压流。因此，可以提高船舶的能源效率。此外，能够减少船舶的全球碳排放。燃料电池的加压有利于燃料电池效率和功率密度的提高。
提供给燃料电池410的加压流体通常是压缩空气。在实施例中，压缩机出口和燃料电池410的入口可以通过进气管线直接连接，如图4所示。在其它实施例中，还可以在连接压缩机和燃料电池410的管线中设置其它部件，如下文进一步所述。
加压管线系统412、414、512、514、515、516还连接到空气润滑设备420，用于向空气润滑设备420提供加压流体。输送到空气润滑设备420的加压流体可以是，例如燃料电池的加压空气或诸如潮湿空气之类的废气。
本公开的实施例允许为燃料电池以及空气润滑设备提供加压流体，同时只需要一个用于此目的的压缩机或压缩机系统。与现有技术的系统相比，本公开的供气装置不太复杂且更易于实现。此外，本供气装置减少了空气压缩功，从而减少了对燃料电池和空气润滑设备加压所需的能耗。如果船上已经存在压缩机和空气润滑设备，则能够将供气装置改装到现有的系统中，如下文进一步讨论。在这种情况下，从能量上讲，燃料电池因此被“免费”加压。燃料电池可以处于各个目的而被设置在船上，例如燃料电池可用于船舶推进，但也可用于其他目的，例如为船上的其它电气设备供电。无论将燃料电池安装在船上的目的如何，都可以将本公开的供气装置付诸实践。本公开的供气装置能够允许在某些情况下(例如在船舶不移动的情况下)关闭空气润滑系统，同时保持燃料电池使用加压流体来运行，同时优选地回收至少部分加压流体的能量(如下文进一步所述)。
根据实施例，燃料电池410的废气出口411经由加压管线系统的废气管线412与空气润滑设备420连接，以向空气润滑设备420供应废气。图4、图5a、图5b和图6示出了此类实施例的示例。通过将燃料电池的废气供应给空气润滑设备，不一定需要在燃料电池下游添加膨胀器或涡轮机以回收一小部分压力焓，因为加压流体另外用于空气润滑设备。另外将加压流体用于空气润滑设备可减少效率损失，因为减少了(不同形式的能量之间)热力学转换，并且减少了供气装置的机械复杂性。
根据另一实施例，压缩机430的压缩机出口经由加压管线系统的分叉进气管线514与空气润滑设备420连接，用于从压缩机出口向空气润滑设备420供应加压流体。在该实施例中，该加压流体通常可以是加压空气。例如，其示例性实施例在图7中示出。根据优选实施例，分叉对应于至少两条分支管线，它们不会在该分岔的下游进一步结合或合并。在该实施例中，源自燃料电池410的加压流体或废气可优选地不输送到空气润滑设备420。相反，源自燃料电池410的加压流体或废气可用于其它目的，例如用于回收一小部分压力焓。
该分叉进气管线514可以包括连接到燃料电池410的第一分支进气管线515和连接到空气润滑设备420的第二分支进气管线516。图8至图10示出了第一分支进气管线515和第二分支进气管线516的示例。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置400还包括连接到加压管线系统(特别是分叉进气管线514或进气管线414和废气管线412)的燃料电池旁路415。图5a示出了包括连接到进气管线414的燃料电池旁路415的示例性实施例。进一步参考图5a和图6，该供气装置可以包括燃料电池旁路流量控制设备416，其被配置成独立地控制流向燃料电池410的加压流体的流量。燃料电池旁路流量控制设备416可以可选地被进一步配置成控制流向空气润滑设备420的加压流体的流量。燃料电池旁路流量控制设备416可以优选为阀门或风门。燃料电池旁路流量控制设备416允许根据特定操作模式的需要设置压力。
在一个实施例中，该供气装置还可以包括用于释放加压流体的排出阀480。排出阀480的示例如图5a和图5b所示。在不需要对供气装置的一个或更多个部件加压的情况下，排出阀480允许将大部分加压流体或者甚至全部过压释放到大气中。示意性地，排出阀480可以连接到废气管线412、512。例如，在某一应用需要对燃料电池进行加压，但是不希望对空气润滑设备进行加压的情况下(例如，在船舶不移动的情况下)，那么可以在加压流体注入空气润滑设备420之前将其释放。排出阀480可以设置在燃料电池410的下游和/或空气润滑设备420的上游。该供气装置还可以包括与废气管线412、512连接的排出流出管线。排出阀480可以设置在排出流出管线中。
在一个示例性实施例中，排出阀480和/或排出流出管线可以设置在涡轮机450的上游(在下文进一步详细描述)和/或设置在涡轮机旁路451的上游(在下文进一步详细描述)。排出阀480被设置在涡轮机450上游的示例如图5a所示。
在另一示例性实施例中，排出阀480和/或排出流出管线可以设置在涡轮机450的下游(在下文进一步详细描述)和/或设置在涡轮机旁路451与废气管线412、512合并或结合处的上游(在下文进一步详细描述)。排出阀480被设置在涡轮机450下游的示例如图5b所示。这允许在燃料电池加压且空气润滑设备未使用(例如，如果船舶不移动或在船舶在港口或浅海床时避免任何潜在损坏)的情况下回收背压能量/焓。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置400还包括流量控制设备460、560、561。流量控制设备460、560、561优选为阀门或风门。例如，流量控制设备460、560、561可以是节气门。图6至图10中的每一个都示出了流量控制设备460、560、561的示例。流量控制设备460、560、561优选设置在燃料电池410的下游和/或空气润滑设备120的上游。流量控制设备460、560、561优选地设置在燃料电池旁路415与废气管线412、512合并或结合处的下游。优选地，流量控制设备460、560、561连接到废气管线412、512和/或第二分支进气管线516。流量控制设备460、560、561可以允许调节第一分支进气管线515和第二分支进气管线516中的流量，并由此调节分别喷射到燃料电池410和空气润滑设备420的加压流体的流量。流量控制设备460、560、561连接到废气管线412、512(如图6中所示)允许独立于空气润滑设备压力来控制燃料电池410的充注压力。空气润滑设备所需的压力通常由船舶的吃水深度决定。
在一个实施例中，供气装置400还包括连接到废气管线412、512的涡轮机450、550。该涡轮机如图5a和图8-10所示。该涡轮机被设置在燃料电池410的下游和/或空气润滑设备420的上游。该涡轮机优选设置在流量控制设备460、560、561(如果存在)的上游。涡轮机450、550优选设置在燃料电池旁路415与废气管线412、512合并或结合处的下游。涡轮机450、550允许回收来自燃料电池410的废气的一小部分能量。例如，如果废气被释放到大气中，涡轮机450、550允许回收一小部分能量。如果废气被输送到空气润滑设备420，则供气装置400还可以包括涡轮机450、550。与燃料电池410相比，空气润滑设备通常具有较低的压力要求。因此，一小部分能量可由涡轮机450、550回收，同时仍保证足够高的压力以运行空气润滑设备420。此外，该涡轮机允许独立地调节燃料电池和空气润滑设备的充注压力，例如根据船舶速度、燃料电池负载或航行条件的要求。涡轮机450、550优选与流量控制设备460、560、561串联设置和/或与排出阀480和排出流出管线并联设置。
如果供气装置400包括涡轮机450、550，则供气装置400还可以包括涡轮机旁路451和涡轮旁路阀452。涡轮机旁路451如图5a所示。该涡轮机旁路可以连接到废气管线412。涡轮机旁路451和/或涡轮机旁路阀452允许限制由涡轮机回收能量导致的压力降低。
涡轮机450可以是几何形状固定的涡轮机，并且可选地包括涡轮机旁路451和涡轮机旁路阀452。或者，涡轮机450可以是几何形状可变的涡轮机450并且可选地包括涡轮机旁路451和涡轮机旁路阀452。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置400还包括设置在压缩机430下游和燃料电池410上游的高压压缩机530，用于向燃料电池410提供加压流体。高压压缩机的示例如图10所示。通常，高压压缩机530被设置在第一分支进气管线515中。在许多应用中，与空气润滑系统相比，燃料电池需要更高的压力，甚至需要比一级压缩过程所提供的最大压力更高的压力。可将与高压压缩机530连接的压缩机430视为两级压缩机。在本实施例中，压缩机430也可被称为低压压缩机。该两级压缩机确保充注压力对于燃料电池410足够高。
供气装置400还可以包括设置在(低压)压缩机430和高压压缩机530之间的中冷器。换言之，中冷器可以设置在高压压缩机530上游的第一分支进气管线515中。有利的是，中冷器提高了压缩效率。
在一个示例性实施例中，空气供应装置400可以包括根据本文所述任意实施例的高压压缩机530，以及根据本文所述任意实施例的涡轮机450、550。图10示出了包括高压压缩机530和涡轮机550的示例性实施例。例如，高压压缩机530可以向燃料电池提供压力为4巴或更高的加压流体，而来自燃料电池的废气可以释放到大气中或者被提供给空气润滑设备，例如，该空气润滑设备通常只需要具有1.5或2巴压力的加压流体。将高压压缩机530与涡轮机450、550相结合，对于从高压压缩机530产生的高压流体中回收能量是特别有利的。
在一个实施例中，高压压缩机530被配置成经由燃料电池410向空气润滑设备420供应加压流体。在一个实施例中，燃料电池410的废气管线512与分叉进气管线514(特别是第二分支进气管线516)连接。该连接管线518由图10右侧的虚线绘制。供气装置400还可以包括至少一个阀门、风门和设置在连接管线518内的另外一个涡轮机(未在图10中示出)。附加地或替代地，第二分支进气管线516还可以包括空气润滑设备420上游的流量控制设备460、560、561和/或涡轮机450、550(图10中未示出)。
供气装置400可以包括流入控制设备570。例如，流入控制设备如图9所示。流入控制设备570可以设置在压缩机430的下游和燃料电池410的上游。流入控制设备570优选与燃料电池410串联设置和/或设置在第一分支进气管线515或进气管线414中。流入控制设备570优选设置在燃料电池旁路415的上游。流入控制设备570可以被配置成控制燃料电池410的充注压力。在优选实施例中，该流入控制设备570是阀门、风门和第二涡轮机中的至少一个。
在实施例中，供气装置400可以包括第二涡轮机旁路和/或第二涡轮机旁路阀，其中流入控制设备570是第二涡轮机。第二涡轮机旁路被配置为绕过第二涡轮机。需要注意的是，供气装置400可以包括第二涡轮机和/或第二涡轮机旁路和/或第二涡轮机旁路阀，而不包括(第一)涡轮机和/或(第一)涡轮机旁路和/或(第一)涡轮机旁路阀。这些涡轮机的不同之处在于，(第一)涡轮机优选地连接到废气管线412、512，而第二涡轮机570优选地设置在燃料电池410的上游。
下面，将对本发明的部分优选实施例进行总结：
1)根据本文公开的任意实施例的供气装置400，包括压缩机430、燃料电池410、空气润滑设备420、涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561。涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561连接到废气管线412、512。流量控制设备560、560、561优选为阀门。流量控制设备460、560、561设置在涡轮机450、550的下游。废气管线412、512可选地为具有第一分支废气管线和第二分支废气管线的分叉废气管线。涡轮机450、550，流量控制设备460、560、561和空气润滑设备420可以串联设置在第一分支废气管线中。第二分支废气管线可以包括第三涡轮机和另一个流量控制设备。第二分支废气管线，以及特别是该另一个流量控制设备，可以被配置为直接将加压流体释放到大气中。该另一个流量控制设备优选设置在第三涡轮机的下游。
2)根据本文公开的任意实施例的供气装置400，包括压缩机430、燃料电池410、空气润滑设备420、涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561。涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561连接到废气管线412、512。流量控制设备460、560、561优选为阀门。流量控制设备460、560、561设置在涡轮机450、550的下游。废气管线412、512可选地为具有第一分支废气管线和第二分支废气管线的分叉废气管线。涡轮机450、550可以设置在该分叉的上游。流量控制设备460、560、561和空气润滑设备420可以串联设置在第一分支废气管线中。第二分支废气管线可以包括另一个流量控制设备。第二分支废气管线，以及特别是该另一个流量控制设备，可以被配置为直接将加压流体释放到大气中。
3)根据本文公开的任意实施例的供气装置400，包括压缩机430、燃料电池410、空气润滑设备420、涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561。涡轮机450、550和流量控制设备460、560、561连接到废气管线412、512。流量控制设备460、560、561优选为阀门。废气管线412、512可选地为具有第一分支废气管线和第二分支废气管线的分叉废气管线。流量控制设备460、560、561和空气润滑设备420可以串联设置在第一分支废气管线中。第二分支废气管线可以包括涡轮机450、550和另一个流量控制设备。该另一个流量控制设备460、560、561设置在在涡轮机450、550的下游。第二分支废气管线，以及特别是该另一个流量控制设备，可以被配置为直接将加压流体释放到大气中。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池410连接到燃料供应装置。该燃料供应装置被配置成为向燃料电池410提供燃料。特别地，该燃料能够是氢气、甲烷、甲醇、氨或任何其它合适燃料中的至少一种。因此，与海上运输中使用的诸如重油之类的传统燃料相比，能够提高生态友好性。
供气装置400还可以包括选自后燃烧器、氧化器、热交换器和再循环设备的至少一个部件。通常，所述至少一个部件连接到废气管线412。提供本文所述的一个或更多个其他部件可能有利于改善供气装置，特别是全局系统的性能。应当理解，所述至少一个部件中的每一个都能够串联或并联设置。例如，流量控制设备460、560、561可以与所述至少一个部件串联设置，特别设置在所述至少一个部件450的下游。或者，流量控制设备460、560、561能够与所述至少一个部件并联设置。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，燃料电池410是质子交换膜燃料电池(PEMFC)或固体氧化物燃料电池(SOFC)或燃料电池混合系统或任何其他燃料电池类型，特别是用于移动应用的任何其他燃料电池。
根据能够与本文描述的其它实施例相结合的实施例，供气装置400可以包括多个燃料电池和/或多个空气润滑设备。所述多个燃料电池和/或多个空气润滑设备中的每一个可以连接到加压管线系统和/或可以与压缩机保持流体连通。压缩机430可以被配置成向所述多个燃料电池和/或多个空气润滑设备中的每一个提供加压流体。
根据本公开的另一方面，提供了一种包括根据本文所述的任意实施例的供气装置400的船舶700。因此，能够提供一种具有用于减少水-船体摩擦的更高效且更环保的系统的船舶，从而降低整体运营成本。在本公开中，术语“船舶”还可以包括船只或任何其他水运工具。
在本公开的另一方面中，提供了一种在船舶的供气装置中安装燃料电池的方法。该供气装置包括用于降低船舶阻力的空气润滑设备和用于为空气润滑设备提供加压流体的压缩机。该方法可以包括提供燃料电池和具有进气管线或分叉进气管线和废气管线的加压管线系统。该方法还包括经由进气管线或分叉进气管线连接压缩机出口和燃料电池的入口。该方法包括经由废气管线将空气润滑设备的入口与燃料电池的废气出口连接，或经由分叉进气管线将空气润滑设备的入口与压缩机出口连接。
该方法可以包括根据本文所述的任意实施例的供气装置、燃料电池和加压管线系统。此外，该方法可以包括将根据本文所述的任意实施例的任何部件安装在本文所述的任意位置(即加压管线系统内的位置和其它部件的上游/下游)中。例如，该方法还可以包括安装涡轮机和/或流量控制设备。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于船舶200的供气装置100。
实施例1：供气装置100包括燃料电池110和用于降低船舶200的阻力的空气润滑设备120，其中燃料电池110的废气出口111经由废气管线112与空气润滑设备120连接，用于向空气润滑设备120供应废气。
实施例2：如实施例1所述的供气装置100，其中燃料电池110连接到用于向燃料电池110提供加压空气的压缩机130。
实施例3：如实施例1或2所述的供气装置100，其中燃料电池110连接到用于向燃料电池110提供燃料的燃料供应装置140，特别地该燃料为氢气、甲烷、甲醇、氨或任何其他合适的燃料中的至少一种。
实施例4：如实施例1至3中任一个所述的供气装置100，还包括选自后燃烧器、氧化器、涡轮机、膨胀器、热交换器、节气门、特别是风门、和再循环设备中的至少一个部件150，其中所述至少一个部件150连接到废气管线112。
实施例5：如实施例1至4中任一个所述的供气装置100，还包括连接到废气管线112的流量控制设备160，特别地该流量控制设备160为阀门或风门。
实施例6：如实施例4和5所述的供气装置100，其中流量控制设备160与所述至少一个部件150串联设置，特别地设置在所述至少一个部件150的下游，或者其中流量控制设备160与所述至少一个部件150并联设置。
实施例7：如实施例1至6中任一个所述的供气装置100，其中燃料电池110为质子交换膜燃料电池PEMFC或固体氧化物燃料电池SOFC或用于移动应用的任何其他燃料电池。
实施例8：如实施例1至7中任一个所述的供气装置100，其中燃料电池110的废气出口111经由废气管线112直接与空气润滑设备120连接，使得来自燃料电池的废气被直接引导到空气润滑设备，特别是在不使用废气剩余能量来推动涡轮增压器的情况下。
根据本公开的另一个方面，提供了一种包括根据实施例1至8中任一个所述的供气装置100的船舶200。
根据本公开的又一个方面，提供了一种向船舶200的空气润滑设备120供气的方法300。
实施例9：方法300包括将来自燃料电池110的废气供应310到空气润滑设备120。
实施例10：如实施例9所述的方法300，还包括向燃料电池110提供320加压空气。
实施例11：如实施例9或10所述的方法300，还包括在将废气从空气润滑设备120中喷出之前，引导330废气通过选自后燃烧器、氧化器、涡轮机、膨胀器、热交换器、节气门、特别是风门、和再循环设备中的至少一个部件150。
实施例12：如实施例9至11中任一个所述的方法300，还包括通过使用流量控制设备160，特别是阀门或风门来控制340提供给空气润滑设备120的废气流量。
实施例13：如实施例9至12中任一个所述的方法300，其中废气为贫O2空气和/或蒸汽。
实施例14：如实施例9至13中任一个所述的方法300，其中，将来自燃料电池110的废气供应310给空气润滑设备120包括将废气直接引导到空气润滑设备120。
实施例15：如实施例9至14中任一个所述的方法300，其中，将来自燃料电池110的废气供应310到空气润滑设备120包括：在不使用废气剩余能量来推动涡轮增压器的情况下将所述废气引导到所述空气润滑设备。
实施例16：如实施例9至15中任一个所述的方法300，还包括使用350根据实施例1至8中任一个所述的供气装置100。
因此，鉴于上述情况，应当理解，与现有技术相比，本文所述的实施例有利地提供了改善的能源效率和生态友好性，使得能够降低CO2排放和运营成本。
虽然前述是针对实施例的，但可以在不脱离基本范围的情况下设计其它和另外的实施例，并且该范围由所附权利要求确定。
附图标记说明
100 供气装置
110 燃料电池
111 废气出口
112 废气管线
120 空气润滑设备
140 燃料供应装置
150 部件
160 流量控制设备
200 船舶
300 向空气润滑设备供气的方法
310,320,330,340,350 表示向空气润滑设备供气的方法的方法步骤的方框
400 供气装置
410 燃料电池
411,511 废气出口
412,512 废气管线
414 进气管线
415 燃料电池旁路
416 燃料电池旁路流量控制设备
420 空气润滑设备
430 压缩机
450,550 涡轮机
451 涡轮机旁路
452 涡轮机旁路阀
460,560,561 流量控制设备
480 排出阀
514 分叉进气管线
515 第一分支进气管线
516 第二分支进气管线
530 高压压缩机
570 流入控制设备
700 船舶
Claims (21)
1.一种用于船舶(700)的供气装置(400)，包括：
-燃料电池(410)；
-用于降低所述船舶(700)的阻力的空气润滑设备(420)；
-连接到加压管线系统(412、414、512、514、515、516)的压缩机(430)，用于向所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)提供加压流体，其中
所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)连接到所述燃料电池(410)，用于向所述燃料电池(410)提供来自所述压缩机(430)的加压流体，并且其中
所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)还连接到所述空气润滑设备(420)，用于向所述空气润滑设备(420)提供加压流体。
2.如权利要求1所述的供气装置(400)，其中所述燃料电池(410)的废气出口(411)经由所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)的废气管线(412)与所述空气润滑设备(420)连接，用于向所述空气润滑设备(420)供应废气。
3.如权利要求1所述的供气装置(400)，其中所述压缩机(430)的压缩机出口经由所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)的分叉进气管线(514)与所述空气润滑设备(420)连接，用于将加压流体从所述压缩机出口供应到所述空气润滑设备(420)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，还包括燃料电池旁路(415)，所述燃料电池旁路(415)连接到所述加压管线系统(412、414、512、514、515、516)。
5.如权利要求3所述的供气装置(400)，还包括连接到所述分叉进气管线(514)的燃料电池旁路(415)。
6.如权利要求2所述的供气装置(400)，还包括连接到进气管线(414)和所述废气管线(412)的燃料电池旁路(415)。
7.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，其中所述分叉进气管线(514)包括连接到所述燃料电池(410)的第一分支进气管线(515)和连接到所述空气润滑设备(420)的第二分支进气管线(516)。
8.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，还包括流量控制设备(460、560、561)和排出阀(480)中的至少一个，其中所述流量控制设备连接到所述废气管线(412、512)或所述第二分支进气管线(516)；其中所述排出阀用于释放加压流体，其中所述排出阀(480)连接到所述废气管线(412、512)。
9.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，还包括连接到所述废气管线(412、512)的涡轮机(450、550)，其中所述涡轮机(450、550)与所述流量控制设备(460、560)串联设置。
10.如权利要求1至3中任一项所述的供气装置(400)，还包括连接到所述废气管线(412、512)的涡轮机(450、550)，其中所述涡轮机(450、550)在所述流量控制设备(460、560)的上游与所述流量控制设备串联设置。
11.如权利要求9所述的供气装置(400)，还包括连接到所述废气管线(412)的涡轮机旁路(451)和涡轮机旁路阀(452)。
12.如权利要求8所述的供气装置(400)，其中，所述排出阀(480)设置在所述涡轮机(450)的下游或所述涡轮机旁路(451)与所述废气管线(412、512)合并或结合处的上游。
13.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，还包括设置在所述压缩机(430)的下游和所述燃料电池(410)的上游的流入控制设备(570)，用于控制所述燃料电池(410)的充注压力。
14.如权利要求13所述的供气装置(400)，其中所述流入控制设备(570)为阀门、风门和第二涡轮机中的至少一个。
15.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，还包括高压压缩机(530)，其中所述高压压缩机(530)设置在所述压缩机(430)的下游和所述燃料电池(410)的上游，用于向所述燃料电池(410)提供加压流体。
16.如权利要求15所述的供气装置(400)，还包括设置在所述压缩机(430)和所述高压压缩机(530)之间的中冷器。
17.如权利要求15所述的供气装置(400)，其中所述高压压缩机(530)被配置成经由所述燃料电池(410)向所述空气润滑设备(420)供应加压流体。
18.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，其中所述燃料电池(410)连接到用于向所述燃料电池(410)提供燃料的燃料供应装置，所述燃料是氢气、甲烷、甲醇、氨或任何其他合适燃料中的至少一种。
19.如权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)，其中所述燃料电池(410)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)或固体氧化物燃料电池(SOFC)、燃料电池混合系统或用于移动应用的任何其他燃料电池。
20.一种包括根据权利要求1-3中任一项所述的供气装置(400)的船舶(400)。
21.一种在用于船舶(400)的供气装置(400)中安装燃料电池(410)的方法，所述供气装置(400)包括用于降低所述船舶(400)的阻力的空气润滑设备(420)和用于向所述空气润滑设备(420)提供加压流体的压缩机(430)，所述方法包括：
-经由进气管线(414)或分叉进气管线(514)将压缩机出口和燃料电池(410)的入口连接；以及
-经由废气管线(412、512)将所述空气润滑设备(420)的入口与所述燃料电池(410)的废气出口(411)连接；或者经由所述分叉进气管线(514)将所述空气润滑设备(420)的入口与所述压缩机出口连接。
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