典型船舶燃料電池推進系統(tǒng)及儲氫技術(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、儲氫及燃料電池成本等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文基于該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，通過質(zhì)子交換膜燃料電池功率曲線及所選船舶不同運行工況下的功率測試，展開典型船舶燃料電池推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真實驗，并基于動力系統(tǒng)輸出功率與燃料電池氫燃料存儲系統(tǒng)供氫速率相匹配的原則，研究適配的儲氫方式。主要研究內(nèi)容如下:
　　第一，原型船的選擇及燃料電池推進系統(tǒng)設(shè)計

2、。原型船為廈門地區(qū)運行的太陽能雙體游覽船(船長×寬×高:15m×6m×1.9m)，其空載吃水為0.8m。針對其電力推進系統(tǒng)及海試情況，確定了原船僅由太陽能發(fā)電推進的經(jīng)濟航速，即電機轉(zhuǎn)速在800r/min時，運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)、儲能系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、檢測及能量管理控制系統(tǒng)組成的動力系統(tǒng)方案。
　　第二，燃料電

3、池輸出功率性能測試平臺搭建。根據(jù)原型船典型工況下的輸出功率，選配了3.5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池，并完成了燃料電池發(fā)電功率測試平臺的搭建。在55℃條件下測試的燃料電池的輸出功率為:額定功率點為(155A，21V)，額定功率為3.2kW。當電堆電流值達到175A左右時，其輸出功率可達到3.6kW。
　　第三，船用燃料電池推進系統(tǒng)的建模與仿真。基于MATLAB/Simulink，建立船舶DC/DC變換器、儲能系統(tǒng)、能量管理以及推進裝置

4、數(shù)學模型，并對燃料電池船舶電力推進系統(tǒng)在典型工況下進行仿真實驗。結(jié)果表明，單燃料電池電堆推進時，燃料電池輸出功率能夠滿足3.6kW的功率需求;但當電機轉(zhuǎn)速在1400r/min時，鋰電池組放電量的高達13kW，不符合能量管理的設(shè)計要求。因此，將系統(tǒng)完善為雙電堆推進，仿真結(jié)果表明電機轉(zhuǎn)速在1400r/min時，系統(tǒng)中鋰電池組放電量僅為8.5kW。而僅在雙電堆運行時，船舶電機轉(zhuǎn)速可維持在1000r/min的工況下航行，滿足設(shè)計要求。此時燃料電

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