典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究

典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究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。