典型船舶燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)及儲(chǔ)氫技術(shù)研究.pdf

1、氫能是一種可再生的綠色能源，氫燃料電池因具有諸多優(yōu)點(diǎn)而受到重視，氫燃料電池在船舶中的應(yīng)用同樣面臨制氫、儲(chǔ)氫及燃料電池成本等方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文基于該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，通過(guò)質(zhì)子交換膜燃料電池功率曲線及所選船舶不同運(yùn)行工況下的功率測(cè)試，展開(kāi)典型船舶燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)，并基于動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率與燃料電池氫燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)供氫速率相匹配的原則，研究適配的儲(chǔ)氫方式。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　第一，原型船的選擇及燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、。原型船為廈門(mén)地區(qū)運(yùn)行的太陽(yáng)能雙體游覽船(船長(zhǎng)×寬×高:15m×6m×1.9m)，其空載吃水為0.8m。針對(duì)其電力推進(jìn)系統(tǒng)及海試情況，確定了原船僅由太陽(yáng)能發(fā)電推進(jìn)的經(jīng)濟(jì)航速，即電機(jī)轉(zhuǎn)速在800r/min時(shí)，運(yùn)行工況的功率需求約為3.6kW。故需選擇輸出功率為3.5kW的質(zhì)子交換膜燃料電池。依據(jù)原船的電力推進(jìn)系統(tǒng)和能量管理策略，提出了由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、檢測(cè)及能量管理控制系統(tǒng)組成的動(dòng)力系統(tǒng)方案。
　　第二，燃料電

3、池輸出功率性能測(cè)試平臺(tái)搭建。根據(jù)原型船典型工況下的輸出功率，選配了3.5kW級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池，并完成了燃料電池發(fā)電功率測(cè)試平臺(tái)的搭建。在55℃條件下測(cè)試的燃料電池的輸出功率為:額定功率點(diǎn)為(155A，21V)，額定功率為3.2kW。當(dāng)電堆電流值達(dá)到175A左右時(shí)，其輸出功率可達(dá)到3.6kW。
　　第三，船用燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真?；贛ATLAB/Simulink，建立船舶DC/DC變換器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量管理以及推進(jìn)裝置

4、數(shù)學(xué)模型，并對(duì)燃料電池船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在典型工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，單燃料電池電堆推進(jìn)時(shí)，燃料電池輸出功率能夠滿足3.6kW的功率需求;但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1400r/min時(shí)，鋰電池組放電量的高達(dá)13kW，不符合能量管理的設(shè)計(jì)要求。因此，將系統(tǒng)完善為雙電堆推進(jìn)，仿真結(jié)果表明電機(jī)轉(zhuǎn)速在1400r/min時(shí)，系統(tǒng)中鋰電池組放電量?jī)H為8.5kW。而僅在雙電堆運(yùn)行時(shí)，船舶電機(jī)轉(zhuǎn)速可維持在1000r/min的工況下航行，滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)燃料電

5、池的供氫速率約為31 L/min，1min仿真實(shí)驗(yàn)耗氫量達(dá)5g。
　　第四，儲(chǔ)氫方式的研究。為研究“氫溢流”對(duì)于常溫下活性炭的吸附儲(chǔ)氫的影響，對(duì)負(fù)載金屬Ni前后的比表面積為1916m2/g的活性炭進(jìn)行儲(chǔ)氫量測(cè)試。結(jié)果表明:負(fù)載Ni后活性炭的儲(chǔ)氫量在40℃、8MPa條件下提高了1.45倍，其對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度分別為0.18wt％、0.26wt％;在溫度60℃、8MPa條件下，負(fù)載Ni后活性炭的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度可達(dá)到0.23wt％，與40