典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究

发布时间：2017-04-20 15:12

  本文关键词：典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氢能是一种可再生的绿色能源,氢燃料电池因具有诸多优点而受到重视,氢燃料电池在船舶中的应用同样面临制氢、储氢及燃料电池成本等方面的关键技术问题。本文基于该领域的研究现状,通过质子交换膜燃料电池功率曲线及所选船舶不同运行工况下的功率测试,展开典型船舶燃料电池推进系统结构设计及仿真实验,并基于动力系统输出功率与燃料电池氢燃料存储系统供氢速率相匹配的原则,研究适配的储氢方式。主要研究内容如下:第一,原型船的选择及燃料电池推进系统设计。原型船为厦门地区运行的太阳能双体游览船(船长×宽×高:15m×6m×1.9m),其空载吃水为0.8m。针对其电力推进系统及海试情况,确定了原船仅由太阳能发电推进的经济航速,即电机转速在800r/min时,运行工况的功率需求约为3.6k W。故需选择输出功率为3.5k W的质子交换膜燃料电池。依据原船的电力推进系统和能量管理策略,提出了由燃料电池发电系统、储能系统、推进系统、检测及能量管理控制系统组成的动力系统方案。第二,燃料电池输出功率性能测试平台搭建。根据原型船典型工况下的输出功率,选配了3.5k W级质子交换膜燃料电池,并完成了燃料电池发电功率测试平台的搭建。在55℃条件下测试的燃料电池的输出功率为:额定功率点为(155A,21V),额定功率为3.2k W。当电堆电流值达到175A左右时,其输出功率可达到3.6k W。第三,船用燃料电池推进系统的建模与仿真。基于MATLAB/Simulink,建立船舶DC/DC变换器、储能系统、能量管理以及推进装置数学模型,并对燃料电池船舶电力推进系统在典型工况下进行仿真实验。结果表明,单燃料电池电堆推进时,燃料电池输出功率能够满足3.6k W的功率需求;但当电机转速在1400r/min时,锂电池组放电量的高达13k W,不符合能量管理的设计要求。因此,将系统完善为双电堆推进,仿真结果表明电机转速在1400r/min时,系统中锂电池组放电量仅为8.5k W。而仅在双电堆运行时,船舶电机转速可维持在1000r/min的工况下航行,满足设计要求。此时燃料电池的供氢速率约为31L/min,1min仿真实验耗氢量达5g。第四,储氢方式的研究。为研究“氢溢流”对于常温下活性炭的吸附储氢的影响,对负载金属Ni前后的比表面积为1916m2/g的活性炭进行储氢量测试。结果表明:负载Ni后活性炭的储氢量在40℃、8MPa条件下提高了1.45倍,其对应的储氢质量密度分别为0.18wt%、0.26wt%;在温度60℃、8MPa条件下,负载Ni后活性炭的储氢质量密度可达到0.23wt%,与40℃时的相比虽然储氢量较少,但相差不大。这说明温度升高,负载的Ni催化作用增强,可以保证负载Ni后的活性炭在较高温度下仍具有一定的储氢能力。
【关键词】：燃料电池 典型船舶 仿真 氢溢流 储氢
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.14
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.1.1 研究背景10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 燃料电池船舶11-13
• 1.2.1 国内外研究现状11
• 1.2.2 典型船舶的选取11-12
• 1.2.3 燃料电池的选取12-13
• 1.3 储氢方式13-15
• 1.3.1 化学吸附储氢13-14
• 1.3.2 物理吸附储氢14-15
• 1.4 本文的研究内容15-16
• 第2章 原型船舶及燃料电池推进改造方案16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 原型船16-21
• 2.2.1 原船电力推进系统及控制策略17-18
• 2.2.2 推进系统18-19
• 2.2.3 能量管理策略19-20
• 2.2.4 海试情况20-21
• 2.3 燃料电池船舶的改造方案21-23
• 2.3.1 燃料电池推进系统21-22
• 2.3.2 燃料电池推进系统能量管理策略22-23
• 2.4 小结23-24
• 第3章 燃料电池性能测试24-32
• 3.1 引言24
• 3.2 质子交换膜燃料电池性能参数24-25
• 3.3 1~5kW级质子交换膜燃料电池测试系统25-30
• 3.3.1 氢气供应系统26-27
• 3.3.2 空气供应系统27-28
• 3.3.3 冷却水系统28-29
• 3.3.4 燃料电池负载系统29-30
• 3.4 燃料电池性能测试30-31
• 3.5 小结31-32
• 第4章 船用燃料电池推进系统的建模仿真32-49
• 4.1 引言32
• 4.2 MATLAB/Simulink/Sim PowerSysterms简介32
• 4.3 燃料电池推进系统仿真模型32-43
• 4.3.1 燃料电池发电系统33-36
• 4.3.2 推进系统36-39
• 4.3.3 储能系统及双向DC/DC变换器39-41
• 4.3.4 能量管理的控制模型41-42
• 4.3.5 整船的电力推进系统仿真42-43
• 4.4 系统的仿真与分析43-48
• 4.4.1 系统控制性能实验及推进方案的改进分析43-45
• 4.4.2 改进燃料电池推进系统的仿真实验45-48
• 4.5 小结48-49
• 第5章 储氢方式49-56
• 5.1 引言49
• 5.2 氢溢流49-55
• 5.2.1 溶液浸渍法制备活性炭负载Ni49-51
• 5.2.2 负载后活性炭储氢性能测试51-55
• 5.3 小结55-56
• 第6章 总结与展望56-58
• 6.1 总结56-57
• 6.2 下一步工作展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-62
• 在学校期间发表的学术论文62

【参考文献】

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本文编号：318939