特開 2023-42549 アンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023042549

(43)【公開日】2023-03-27

(54)【発明の名称】アンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム

(51)【国際特許分類】

   B63H 21/20 20060101AFI20230317BHJP

   F02B 43/10 20060101ALI20230317BHJP

   F01D 15/04 20060101ALI20230317BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20230317BHJP

   F01K 25/06 20060101ALI20230317BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230317BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20230317BHJP

【ＦＩ】

B63H21/20

F02B43/10 Z

F01D15/04

F01K25/10 F

F01K25/06

H01M8/04 Z

H01M8/00 Z

H01M8/00 A

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022097354

(22)【出願日】2022-06-16

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-11-15

(31)【優先権主張番号】202111076550.8

(32)【優先日】2021-09-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】520409578

【氏名又は名称】哈爾濱工程大学

(74)【代理人】

【識別番号】100130111

【弁理士】

【氏名又は名称】新保 斉

(72)【発明者】

【氏名】趙 建輝

(72)【発明者】

【氏名】王 偉

(72)【発明者】

【氏名】陳 敬炎

【テーマコード（参考）】

3G081

5H127

【Ｆターム（参考）】

3G081BA02

3G081BB07

5H127AA05

5H127AB04

5H127AB26

5H127AB29

5H127AC04

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB39

(57)【要約】      （修正有）

【課題】液体アンモニア供給装置と、アンモニア燃料動力装置と、水素燃料動力装置と、船舶主母線と、変速機ケースとを含むアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システムを提供する。
【解決手段】液体アンモニアタンクは電気ヒータに接続され、電気ヒータは船舶主母線及びアンモニア燃料エンジンに接続され、アンモニア燃料エンジンは可逆モータに接続され、可逆モータは変速機ケース及び船舶主母線に接続され、水素ガスタンクはプロトン交換膜燃料電池に接続され、圧縮空気はプロトン交換膜燃料電池に接続され、プロトン交換膜燃料電池、第１のインバータ、第２の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、船舶主母線は主電動機スイッチを介して主電動機に接続され、主電動機はメインクラッチを介して変速機ケースに接続され、変速機ケースは船舶プロペラに接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体アンモニア供給装置と、アンモニア燃料動力装置と、水素燃料動力装置と、船舶主母線と、変速機ケースとを含み、前記液体アンモニア供給装置は液体アンモニアタンクを含み、前記アンモニア燃料動力装置は電気ヒータ、アンモニア燃料エンジンおよび可逆モータを含み、液体アンモニアタンクは第１の逆止弁を介して電気ヒータに接続され、電気ヒータは電気ヒータスイッチを介して船舶主母線に接続され、電気ヒータはアンモニア燃料エンジンに接続され、アンモニア燃料エンジンは第１のクラッチを介して可逆モータに接続され、可逆モータは第２のクラッチを介して変速機ケースに接続され、可逆モータは第１の遮断器を介して船舶主母線に接続され、前記水素燃料動力装置は水素ガスタンク、圧縮空気およびプロトン交換膜燃料電池を含み、水素ガスタンクは第１の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、圧縮空気は第２の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、プロトン交換膜燃料電池、第１のインバータ、第２の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、船舶主母線は主電動機スイッチを介して主電動機に接続され、主電動機はメインクラッチを介して変速機ケースに接続され、変速機ケースは船舶プロペラに接続される、ことを特徴とするアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項2】

バッテリエネルギー貯蔵装置をさらに含み、前記バッテリエネルギー貯蔵装置はバッテリを含み、バッテリは第２のインバータに接続され、第２のインバータはバッテリ出口スイッチを介して船舶主母線に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項3】

余熱利用装置をさらに含み、前記余熱利用装置は水タンクと、熱交換器と、セパレータと、パワータービンと、復熱器と、凝縮器とを含み、液体アンモニアタンクは第２の逆止弁を介して水タンクに接続され、熱交換器の２つの入口はアンモニア燃料エンジンおよび水タンクにそれぞれ接続され、熱交換器の出口はセパレータに接続され、セパレータは第３の吸気弁を介してパワータービンに接続され、セパレータはゲートバルブを介して凝縮器に接続され、パワータービン、発電機、第３の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、パワータービン、復熱器、凝縮器は順に接続され、凝縮器は低圧ポンプを介して復熱器に接続され、復熱器は水タンクに接続される、ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項4】

船舶始動モードでは、第１の逆止弁が開き、第２の逆止弁が閉じ、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、主電動機スイッチがオフになり、主電動機が始動せず、電気ヒータスイッチがオンになり、船舶主母線は電気ヒータに給電し、電気ヒータが始動して液体アンモニアを加熱し、液体アンモニアは、気化した後、燃焼のためにアンモニア燃料エンジンに入り、第１のクラッチと第２のクラッチが結合され、第１の遮断器が切断し、可逆モータは電動機作動状態に切り替え、出力動力は変速機ケースを介して船舶プロペラの回動を駆動する、ことを特徴とする請求項３に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項5】

船舶加速モードでは、第１の吸気弁および第２の吸気弁が開き、水素ガスタンクはセルスタックアノードにアクセスし、圧縮空気はセルスタックカソードにアクセスし、プロトン交換膜燃料電池が作動し、出力電力は第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、バッテリ出口スイッチがオフになり、プロトン交換膜燃料電池は電気ヒータに給電し、主電動機スイッチがオンになり、メインクラッチが結合され、船舶主母線はアンモニア燃料エンジンと共にメイン変速機ケースの作動を駆動する、ことを特徴とする請求項３に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項6】

船舶減速モードでは、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータ装置を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、遮断器が切断し、第１の吸気弁および第２の吸気弁が閉じ、水素燃料動力装置が作動を停止し、第１の遮断器がオンになり、第２のクラッチがオフになり、可逆モータは発電機作動状態に切り替えて電力を発して船舶主母線に供給し、バッテリ出口スイッチがオフになり、船舶はアンモニア燃料エンジンによって可逆モータを駆動して発電して船舶主母線に供給し、船舶主母線によって主電動機に給電し、船舶プロペラを駆動する、ことを特徴とする請求項３に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項7】

余熱利用モードでは、第２の逆止弁が開き、液体アンモニアの一部が液体アンモニアタンクの第２の出口を通過して水タンクに入ってアンモニア水溶液に混合され、第２の出口から流出する液体アンモニアの体積が設定値に達するとき、第２の逆止弁が閉じ、アンモニア燃料エンジンの出口排ガスは熱交換器内でアンモニア水溶液を加熱し、アンモニア水溶液はセパレータにおいて飽和アンモニア蒸気および希釈アンモニア溶液に分離され、第３の吸気弁が開き、飽和アンモニア蒸気はパワータービンに入って膨張して仕事をし、発電機の作動を駆動し、第３の遮断器およびバッテリ出口スイッチがオンになり、余熱利用装置によって出力された電力は船舶主母線を介して分配されかつバッテリに貯蔵され、ゲートバルブが開き、仕事を完了したアンモニア蒸気は復熱器を介して凝縮器に入って、希釈アンモニア溶液はゲートバルブを介して凝縮器に入ってアンモニア蒸気と共に凝縮され、低圧ポンプは凝縮されたアンモニア水溶液を復熱器を介して水タンクに戻して次回の熱的サイクルを行う、ことを特徴とする請求項３に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は船舶動力装置に関し、具体的には船舶混合動力装置に関する。

【背景技術】

【0002】

海洋排出規制の厳格化に伴い、各国の海運部門から船舶汚染物質の排出問題への関心が高まっている。さらに、世界貿易の継続的な発展は、船舶の載貨力に対するより高い要件も提唱している。従来のディーゼルエンジン推進法は、船舶の航行中の負荷要件を迅速に満たすことができるが、エネルギー利用率が低く、運転中の燃料消費量が多すぎ、騒音が大きすぎるなどの欠点がある。電気推進は、クリーンで、応答速度が速く、運転効率が高いなどの利点があるが、航続力の悪さ、運転条件の頻繁な切り替えなど、船舶の送電網に損傷を与えやすく、運用・維持費が高すぎるなどの欠点がある。ディーゼル推進と電気推進を組み合わせて船舶混合動力システムを形成することで、両者の利点を効果的に組み合わせ、それぞれの欠点を補うことができる。混合動力システムは、純粋なディーゼル推進と比較して、運転中の燃料消費ノイズを低減し、エネルギー利用率を向上させ、混合動力システムは、純粋な電気推進と比較して、船舶の航続力を改善し、船舶の送電網の維持費を削減する。

【0003】

中国特許出願「新エネルギー船舶用リチウムイオン電池－燃料油混合動力システム」（特許文献１）は新エネルギー船舶用リチウムイオン電池－燃料油混合動力システムを提供し、運転中に騒音がなく、船舶の航続距離が長くなるなどの利点を有するが、それはエンジン燃料として燃料油を用いるため、二酸化硫黄、一酸化炭素などの汚染物質の排出が多く、かつリチウムイオン電池を電気推進源とし、充電時間が長く、運転寿命が低いなどの欠点が存在する。

【0004】

中国特許出願「船舶エンジンの余熱利用システムおよび方法」（特許文献２）は新規な船舶エンジンの余熱利用システムを提供し、船舶エンジンのスモークと冷却水の結合階段利用を実現し、エンジンの効率を顕著に向上させるが、水蒸気と有機物をランキンサイクル作動媒体として余熱を回収して発電し、出力電力が安定せず、余熱利用率が高くないなどの欠点が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ＣＮ１１２５７２７４５Ａ

【特許文献2】ＣＮ１０９７３６９６３Ｂ

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、現在の船舶が航行しているときの二酸化硫黄および炭化水素の過剰排出や余熱の低い利用率などの問題を解決するためのアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の目的は、以下のように実現される。

【0008】

本発明のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システムは、液体アンモニア供給装置と、アンモニア燃料動力装置と、水素燃料動力装置と、船舶主母線と、変速機ケースとを含み、前記液体アンモニア供給装置は液体アンモニアタンクを含み、前記アンモニア燃料動力装置は電気ヒータ、アンモニア燃料エンジンおよび可逆モータを含み、液体アンモニアタンクは第１の逆止弁を介して電気ヒータに接続され、電気ヒータは電気ヒータスイッチを介して船舶主母線に接続され、電気ヒータはアンモニア燃料エンジンに接続され、アンモニア燃料エンジンは第１のクラッチを介して可逆モータに接続され、可逆モータは第２のクラッチを介して変速機ケースに接続され、可逆モータは第１の遮断器を介して船舶主母線に接続され、前記水素燃料動力装置は水素ガスタンク、圧縮空気およびプロトン交換膜燃料電池を含み、水素ガスタンクは第１の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、圧縮空気は第２の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、プロトン交換膜燃料電池、第１のインバータ、第２の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、船舶主母線は主電動機スイッチを介して主電動機に接続され、主電動機はメインクラッチを介して変速機ケースに接続され、変速機ケースは船舶プロペラに接続される、ことを特徴とする。

【0009】

本発明は、さらに以下を含んでもよい。
１、バッテリエネルギー貯蔵装置をさらに含み、前記バッテリエネルギー貯蔵装置はバッテリを含み、バッテリは第２のインバータに接続され、第２のインバータはバッテリ出口スイッチを介して船舶主母線に接続される。

【0010】

２、余熱利用装置をさらに含み、前記余熱利用装置は水タンクと、熱交換器と、セパレータと、パワータービンと、復熱器と、凝縮器とを含み、液体アンモニアタンクは第２の逆止弁を介して水タンクに接続され、熱交換器の２つの入口はアンモニア燃料エンジンおよび水タンクにそれぞれ接続され、熱交換器の出口はセパレータに接続され、セパレータは第３の吸気弁を介してパワータービンに接続され、セパレータはゲートバルブを介して凝縮器に接続され、パワータービン、発電機、第３の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、パワータービン、復熱器、凝縮器は順に接続され、凝縮器は低圧ポンプを介して復熱器に接続され、復熱器は水タンクに接続される。

【0011】

３、船舶始動モードでは、第１の逆止弁が開き、第２の逆止弁が閉じ、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、主電動機スイッチがオフになり、主電動機が始動せず、電気ヒータスイッチがオンになり、船舶主母線は電気ヒータに給電し、電気ヒータが始動して液体アンモニアを加熱し、液体アンモニアは、気化した後、燃焼のためにアンモニア燃料エンジンに入り、第１のクラッチと第２のクラッチが結合され、第１の遮断器が切断し、可逆モータは電動機作動状態に切り替え、出力動力は変速機ケースを介して船舶プロペラの回動を駆動する。

【0012】

４、船舶加速モードでは、第１の吸気弁および第２の吸気弁が開き、水素ガスタンクはセルスタックアノードにアクセスし、圧縮空気はセルスタックカソードにアクセスし、プロトン交換膜燃料電池が作動し、出力電力は第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、バッテリ出口スイッチがオフになり、プロトン交換膜燃料電池は電気ヒータに給電し、主電動機スイッチがオンになり、メインクラッチが結合され、船舶主母線はアンモニア燃料エンジンと共にメイン変速機ケースの作動を駆動する。

【0013】

５、船舶減速モードでは、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータ装置を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、遮断器が切断し、第１の吸気弁および第２の吸気弁が閉じ、水素燃料動力装置が作動を停止し、第１の遮断器がオンになり、第２のクラッチがオフになり、可逆モータは発電機作動状態に切り替えて電力を発して船舶主母線に供給し、バッテリ出口スイッチがオフになり、船舶はアンモニア燃料エンジンによって可逆モータを駆動して発電して船舶主母線に供給し、船舶主母線によって主電動機に給電し、船舶プロペラを駆動する。

【0014】

６、余熱利用モードでは、第２の逆止弁が開き、液体アンモニアの一部が液体アンモニアタンクの第２の出口を通過して水タンクに入ってアンモニア水溶液に混合され、第２の出口から流出する液体アンモニアの体積が設定値に達するとき、第２の逆止弁が閉じ、アンモニア燃料エンジンの出口排ガスは熱交換器内でアンモニア水溶液を加熱し、アンモニア水溶液はセパレータにおいて飽和アンモニア蒸気および希釈アンモニア溶液に分離され、第３の吸気弁が開き、飽和アンモニア蒸気はパワータービンに入って膨張して仕事をし、発電機の作動を駆動し、第３の遮断器およびバッテリ出口スイッチがオンになり、余熱利用装置によって出力された電力は船舶主母線を介して分配されかつバッテリに貯蔵され、ゲートバルブが開き、仕事を完了したアンモニア蒸気は復熱器を介して凝縮器に入って、希釈アンモニア溶液はゲートバルブを介して凝縮器に入ってアンモニア蒸気と共に凝縮され、低圧ポンプは凝縮されたアンモニア水溶液を復熱器を介して水タンクに戻して次回の熱的サイクルを行う。

【発明の効果】

【0015】

本発明の利点は、以下のとおりである。
１、アンモニア－水素駆動の複合型船舶混合動力システムを採用し、船舶の運転中に燃料が完全に燃焼する生成物は窒素と水であり、二酸化硫黄、炭化水素、カーボンスモーク、一酸化炭素などの汚染物の排出を低減させ、省エネルギーで排出を低減させ、グリーンで低炭素、海洋環境保護という目的を達成する。

【0016】

２、アンモニア水混合物を作動媒体として熱的サイクルに参与し、アンモニア水混合物が変温プロセスにおいて沸騰を実現できるという特徴を利用し、吸熱プロセスにおける不可逆損失を効果的に削減し、それによりアンモニア燃料エンジン排気ガスの余熱利用率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の概略構造図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。
図１を合わせて、本発明は、液体アンモニア供給装置１と、アンモニア燃料動力装置２と、余熱利用装置３と、バッテリエネルギー貯蔵装置４と、水素燃料動力装置５と、船舶主母線６と、主電動機スイッチ７と、主電動機８と、メインクラッチ９と、変速機ケース１０と、船舶プロペラ１１とを含む。

【0019】

上記液体アンモニア供給装置１は、液体アンモニアタンク１０１と、圧力計１０２と、圧力警報器１０３と、制御ユニット１０４と、第１の逆止弁１０５と、第２の逆止弁１０６とを含む。圧力計１０２は第１の液体アンモニアタンク１０１の上端に取り付けられ、圧力計１０２は圧力警報器１０３と連結され、圧力警報器１０３は制御ユニット１０４と連結され、制御ユニット１０４は第１の逆止弁１０５の電磁弁コアと連結され、液体アンモニアタンクの第１の出口は第１の逆止弁１０５の入口と連結され、第１の逆止弁１０５の出口は電気ヒータ２０１の入口に接続される。液体アンモニアタンク１０１の第２の出口は第２の逆止弁１０６の入口と連結され、第２の逆止弁１０６の出口は水タンク３０１の入口に接続される。

【0020】

前記アンモニア燃料動力装置２は、電気ヒータ２０１と、アンモニア燃料エンジン２０２と、第１のクラッチ２０３と、可逆モータ２０４と、第２のクラッチ２０５と、遮断器２０６と、電気ヒータスイッチ２０７とを含む。電気ヒータ２０１は電気ヒータスイッチ２０７を介して船舶主母線６に接続される。電気ヒータ２０１の出口はアンモニア燃料エンジン２０２の入口と連結され、アンモニア燃料エンジン２０２は第１のクラッチ２０３と同軸に連結され、第１のクラッチ２０３は可逆モータ２０４に接続され、可逆モータ２０４は第２のクラッチ２０５および遮断器２０６とそれぞれ連結され、遮断器２０６は船舶主母線６に接続され、第２のクラッチ２０５は変速機ケース１０に接続され、変速機ケース１０は船舶プロペラ１１に接続される。

【0021】

前記余熱利用装置３は、水タンク３０１と、熱交換器３０２と、セパレータ３０３と、吸気弁３０４と、パワータービン３０５と、発電機３０６と、遮断器３０７と、ゲートバルブ３０８と、復熱器３０９と、凝縮器３１０と、低圧ポンプ３１１とを含む。液体アンモニアタンク１０１は第２の逆止弁１０６を介して液体アンモニアを水タンク３０１に輸送し、液体アンモニアと水を混合する。水タンク３０１の出口は熱交換器３０２の第１の入口と連結され、熱交換器３０２の第２の入口はアンモニア燃料エンジン２０２の排ガス出口と連結され、熱交換器３０２の出口はセパレータ３０３の入口と連結される。セパレータ３０３において、アンモニア水溶液は飽和アンモニア蒸気および希釈アンモニア溶液に分離される。飽和アンモニア蒸気は吸気弁３０４を介してパワータービン３０５に入って膨張して仕事をし、パワータービン３０５は発電機３０６と同軸に連結され、発電機３０６は電力を出力するために遮断器３０７を介して船舶主母線６に接続される。仕事を完了した飽和アンモニア蒸気は復熱器３０９を介して凝縮器３１０に入って、希釈アンモニア溶液はゲートバルブ３０８を介して凝縮器３１０に入って共に凝縮される。凝縮器３１０の出口にある液体は低圧ポンプ３１１を通過して、まず復熱器３０９に流入してから水タンク３０１に戻り、次回の熱的サイクルに参与する。

【0022】

前記バッテリエネルギー貯蔵装置４は、バッテリ４０１と、インバータ４０２と、バッテリ出口スイッチ４０３とを含む。バッテリ４０１はインバータ４０２に接続され、インバータ４０２はバッテリ出口スイッチ４０３と連結され、バッテリ出口スイッチ４０３は船舶主母線６に接続される。

【0023】

前記水素燃料動力装置５は、水素ガスタンク５０１と、圧縮空気５０２と、吸気弁５０３と、吸気弁５０４と、プロトン交換膜燃料電池５０５と、インバータ５０６と、遮断器５０７とを含む。水素ガスタンク５０１は吸気弁５０３を介してプロトン交換膜燃料電池５０５のセルスタックアノードに接続され、圧縮空気５０２は吸気弁５０４を介してプロトン交換膜燃料電池５０５のセルスタックカソードに接続され、セルスタックの出口はインバータ５０６に接続され、インバータ５０６の出口は遮断器５０７に接続され、さらに船舶主母線６に接続される。

【0024】

前記船舶主母線６は主電動機スイッチ７を介して主電動機８と連結され、主電動機８はメインクラッチ９に接続され、メインクラッチ９は変速機ケース１０に接続され、さらに船舶プロペラ１１に接続される。

【0025】

船舶始動モードでは、圧力計１０２は、圧力測定値が正常範囲内にあり、圧力警報器１０３および制御ユニット１０４は動作せず、第１の逆止弁１０５が開き、第２の逆止弁１０６が閉じる。バッテリ出口スイッチ４０３をオンにし、バッテリ４０１はインバータ装置４０２を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線６に充電する。主電動機スイッチ７がオフになり、主電動機８は始動しない。電気ヒータスイッチ２０７がオンになり、船舶主母線６は電気ヒータ２０１に給電する。電気ヒータ２０１が始動して液体アンモニアを加熱し、液体アンモニアは、気化した後、燃焼のためにアンモニア燃料エンジン２０２に入り、第１のクラッチ２０３と第２のクラッチ２０５が結合され、遮断器２０６が切断し、可逆モータ２０５は電動機作動状態に切り替え、出力動力は変速機ケース１０を介して船舶プロペラ１１の回動を駆動する。このとき、船舶が始動する。

【0026】

船舶加速モードでは、船舶が始動した後、吸気弁５０３および吸気弁５０４が開き、水素ガスタンク５０１はセルスタックアノードにアクセスし、圧縮空気５０２はセルスタックカソードにアクセスし、プロトン交換膜燃料電池５０５が作動し、出力電力はインバータ装置５０６を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線６に充電する。バッテリ出口スイッチ４０３をオフにし、バッテリ４０１と船舶主母線６との接続を遮断し、プロトン交換膜燃料電池５０５によって電気ヒータ２０１に給電する。主電動機スイッチ７をオンにし、主電動機８が始動し、メインクラッチ９が結合し、船舶主母線およびアンモニア燃料エンジン２０２は共にメイン変速機ケース１０の作動を駆動し、船舶プロペラ１１を作動させる。このとき、船舶はアンモニア燃料エンジン－電力によって混合推進され、供給される動力が増加し、加速モードに入る船舶の負荷需要を満たすことができる。

【0027】

船舶減速モードでは、バッテリ出口スイッチ４０３をオンにし、バッテリ４０１はインバータ装置４０２を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線６に充電する。遮断器５０７は切断してプロトン交換膜燃料電池５０５と船舶主母線６との接続を遮断する。吸気弁５０３および吸気弁５０４が閉じ、水素燃料動力装置５は作動を停止する。遮断器２０６をオンにし、第２のクラッチ２０５を切断し、可逆モータ２０５は発電機作動状態に切り替えて電力を発して船舶主母線６に供給する。バッテリ出口スイッチ４０３はオフになってバッテリ４０１と船舶主母線６との接続を遮断する。このとき、船舶は、アンモニア燃料エンジン２０２によって発電機２０４を駆動して発電させて船舶電力網６に供給し、船舶電力網６によって電動機８に給電して船舶プロペラ１１を駆動する。

【0028】

余熱利用モードでは、第２の逆止弁１０６が開き、液体アンモニアの一部は液体アンモニアタンクの第２の出口を通過して水タンク３０１に入ってアンモニア水溶液に混合される。第２の出口から流出する液体アンモニアの体積が設定値に達するとき、第２の逆止弁１０６が閉じる。アンモニア燃料エンジン２０２の出口排ガスは熱交換器３０２内でアンモニア水溶液を加熱する。アンモニア水溶液はセパレータ３０３において飽和アンモニア蒸気および希釈アンモニア溶液に分離され、吸気弁３０４を開け、飽和アンモニア蒸気はパワータービン３０５に入って膨張して仕事をし、発電機３０６の作動を駆動し、遮断器３０７およびバッテリ出口スイッチ４０３がオンになり、余熱利用装置によって出力された電力は船舶主母線を介して分配されかつバッテリ４０１に貯蔵される。ゲートバルブ３０８が開き、仕事を完了したアンモニア蒸気は復熱器３０９を介して凝縮器３１０に入る。希釈アンモニア溶液もゲートバルブ３０８を介して凝縮器３１０に入ってアンモニア蒸気と共に凝縮される。低圧ポンプ３１１は凝縮されたアンモニア水溶液を復熱器３０９を介して水タンク３０１に戻して次回の熱的サイクルを行う。

【符号の説明】

【0029】

１ 液体アンモニア供給装置
２ アンモニア燃料動力装置
３ 余熱利用装置
４ バッテリエネルギー貯蔵装置
５ 水素燃料動力装置
６ 船舶主母線
７ 主電動機スイッチ
８ 主電動機
９ メインクラッチ
１０ 変速機ケース
１１ 船舶プロペラ
１０１ 液体アンモニアタンク
１０２ 圧力計
１０３ 圧力警報器
１０４ 制御ユニット
１０５ 第１の逆止弁
１０６ 第２の逆止弁
２０１ 電気ヒータ
２０２ アンモニア燃料エンジン
２０３ 第１のクラッチ
２０４ 可逆モータ
２０５ 第２のクラッチ
２０６ 遮断器
２０７ 電気ヒータスイッチ
３０１ 水タンク
３０２ 熱交換器
３０３ セパレータ
３０４ 吸気弁
３０５ パワータービン
３０６ 発電機
３０７ 遮断器
３０８ ゲートバルブ
３０９ 復熱器
３１０ 凝縮器
３１１ 低圧ポンプ
４０１ バッテリ
４０２ インバータ
４０３ バッテリ出口スイッチ
５０１ 水素ガスタンク
５０２ 圧縮空気
５０３ 吸気弁
５０４ 吸気弁
５０５ プロトン交換膜燃料電池
５０６ インバータ
５０７ 遮断器

【図1】

【手続補正書】

【提出日】2022-09-02

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体アンモニア供給装置と、アンモニア燃料動力装置と、水素燃料動力装置と、船舶主母線と、変速機ケースとを含み、前記液体アンモニア供給装置は液体アンモニアタンクを含み、前記アンモニア燃料動力装置は電気ヒータ、アンモニア燃料エンジンおよび可逆モータを含み、液体アンモニアタンクは第１の逆止弁を介して電気ヒータに接続され、電気ヒータは電気ヒータスイッチを介して船舶主母線に接続され、電気ヒータはアンモニア燃料エンジンに接続され、アンモニア燃料エンジンは第１のクラッチを介して可逆モータに接続され、可逆モータは第２のクラッチを介して変速機ケースに接続され、可逆モータは第１の遮断器を介して船舶主母線に接続され、前記水素燃料動力装置は水素ガスタンク、圧縮空気およびプロトン交換膜燃料電池を含み、水素ガスタンクは第１の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、圧縮空気は第２の吸気弁を介してプロトン交換膜燃料電池に接続され、プロトン交換膜燃料電池、第１のインバータ、第２の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、船舶主母線は主電動機スイッチを介して主電動機に接続され、主電動機はメインクラッチを介して変速機ケースに接続され、変速機ケースは船舶プロペラに接続され、
バッテリエネルギー貯蔵装置をさらに含み、前記バッテリエネルギー貯蔵装置はバッテリを含み、バッテリは第２のインバータに接続され、第２のインバータはバッテリ出口スイッチを介して船舶主母線に接続され、
余熱利用装置をさらに含み、前記余熱利用装置は水タンクと、熱交換器と、セパレータと、パワータービンと、復熱器と、凝縮器とを含み、液体アンモニアタンクは第２の逆止弁を介して水タンクに接続され、熱交換器の２つの入口はアンモニア燃料エンジンおよび水タンクにそれぞれ接続され、熱交換器の出口はセパレータに接続され、セパレータは第３の吸気弁を介してパワータービンに接続され、セパレータはゲートバルブを介して凝縮器に接続され、パワータービン、発電機、第３の遮断器は順に接続されかつ船舶主母線に接続され、パワータービン、復熱器、凝縮器は順に接続され、凝縮器は低圧ポンプを介して復熱器に接続され、復熱器は水タンクに接続され、
船舶減速モードでは、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータ装置を介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、遮断器が切断し、第１の吸気弁および第２の吸気弁が閉じ、水素燃料動力装置が作動を停止し、第１の遮断器がオンになり、第２のクラッチがオフになり、可逆モータは発電機作動状態に切り替えて電力を発して船舶主母線に供給し、バッテリ出口スイッチがオフになり、船舶はアンモニア燃料エンジンによって可逆モータを駆動して発電して船舶主母線に供給し、船舶主母線によって主電動機に給電し、船舶プロペラを駆動する、ことを特徴とするアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項2】

船舶始動モードでは、第１の逆止弁が開き、第２の逆止弁が閉じ、バッテリ出口スイッチがオンになり、バッテリは第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、主電動機スイッチがオフになり、主電動機が始動せず、電気ヒータスイッチがオンになり、船舶主母線は電気ヒータに給電し、電気ヒータが始動して液体アンモニアを加熱し、液体アンモニアは、気化した後、燃焼のためにアンモニア燃料エンジンに入り、第１のクラッチと第２のクラッチが結合され、第１の遮断器が切断し、可逆モータは電動機作動状態に切り替え、出力動力は変速機ケースを介して船舶プロペラの回動を駆動する、ことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項3】

船舶加速モードでは、第１の吸気弁および第２の吸気弁が開き、水素ガスタンクはセルスタックアノードにアクセスし、圧縮空気はセルスタックカソードにアクセスし、プロトン交換膜燃料電池が作動し、出力電力は第２のインバータを介して直流電力を交流電力に変換して船舶主母線に充電し、バッテリ出口スイッチがオフになり、プロトン交換膜燃料電池は電気ヒータに給電し、主電動機スイッチがオンになり、メインクラッチが結合され、船舶主母線はアンモニア燃料エンジンと共にメイン変速機ケースの作動を駆動する、ことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。

【請求項4】

余熱利用モードでは、第２の逆止弁が開き、液体アンモニアの一部が液体アンモニアタンクの第２の出口を通過して水タンクに入ってアンモニア水溶液に混合され、第２の出口から流出する液体アンモニアの体積が設定値に達するとき、第２の逆止弁が閉じ、アンモニア燃料エンジンの出口排ガスは熱交換器内でアンモニア水溶液を加熱し、アンモニア水溶液はセパレータにおいて飽和アンモニア蒸気および希釈アンモニア溶液に分離され、第３の吸気弁が開き、飽和アンモニア蒸気はパワータービンに入って膨張して仕事をし、発電機の作動を駆動し、第３の遮断器およびバッテリ出口スイッチがオンになり、余熱利用装置によって出力された電力は船舶主母線を介して分配されかつバッテリに貯蔵され、ゲートバルブが開き、仕事を完了したアンモニア蒸気は復熱器を介して凝縮器に入って、希釈アンモニア溶液はゲートバルブを介して凝縮器に入ってアンモニア蒸気と共に凝縮され、低圧ポンプは凝縮されたアンモニア水溶液を復熱器を介して水タンクに戻して次回の熱的サイクルを行う、ことを特徴とする請求項１に記載のアンモニア－水素駆動に基づく複合型船舶混合動力システム。