摘 要

21世纪以来,全球化石能源供应状况日渐紧张、各国政府对环保要求也日趋严格,进一步做好船舶的节能减排已经迫在眉睫。作为清洁能源的燃料电池在船舶上的应用引起了船舶科研人员的高度重视。

本文简要介绍了燃料电池的发展历史、研究现状，介绍了按电解质划分的五种燃料电池及其类型、特征、优缺点以及研究现状；选取了质子交换膜燃料电池作为船用燃料电池的研究对象，着重介绍了质子交换膜燃料电池。对质子交换膜燃料电池如何运用在船舶中进行介绍，从船舶动力系统结构中管理系统和供给系统在燃料电池中扮演的角色进行分析。

在船舶动力系统的特性上以质子交换膜燃料电池为例，根据质子交换膜燃料电池的电化学理论，在引用经验公式的基础上，建立了质子交换膜燃料电池的Simulink模型，分析了输出电压、效率、输出功率、消耗功率以及等效内阻与电流密度的关系。结合实际实验和相关研究选择合适的电流密度，综合提高燃料电池的输出性能。

关键词：质子交换膜燃料电池、Simulink仿真、船舶动力系统、电池电压

Abstract

Since the 21st century, the situation of globalized stone energy supply has become increasingly tense, and governments of all countries have become stricter on environmental protection. It is urgent to further improve the energy conservation and emission reduction of ships. The application of fuel cells as clean energy sources on ships has attracted great attention from ship researchers.

This article briefly introduces the development history and research status of fuel cells, introduces five types of fuel cells divided by electrolytes and their types, characteristics, advantages and disadvantages, and research status; selected proton exchange membrane fuel cells as the research object of marine fuel cells, Highlighted the introduction of proton exchange membrane fuel cells. This article introduces how proton exchange membrane fuel cells are used in ships, and analyzes the roles of management systems and supply systems in fuel cells in the ship's power system structure.

Taking the proton exchange membrane fuel cell as an example on the characteristics of the ship's power system, based on the electrochemical theory of the proton exchange membrane fuel cell and citing empirical formulas, a Simulink model of the proton exchange membrane fuel cell is established, and the output voltage is analyzed , Efficiency, output power, power consumption, and the relationship between equivalent internal resistance and current density. Combine the actual experiment and related research to select the appropriate current density to comprehensively improve the output performance of the fuel cell.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Simulink simulation, marine power system, battery voltage

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 船用燃料电池国内外研究发展与现状 2

1.3 国内外的发展历程 2

1.3.1 国内外研究现状 2

1.4 课题的研究意义 3

第二章 船用燃料电池动力系统结构和原理 4

2.1 燃料电池分析 4

2.1.1 船用燃料电池分类 4

2.1.2 船用燃料电池原理 6

2.2 船用燃料电池动力系统结构 8

2.2.1 供给系统 8

2.2.2 管理系统 9

2.3 船用燃料电池动力系统操作参数的控制 10

2.4 本章小结 10

第三章 船用燃料电池动力系统特性的建模与仿真 12

3.1 MATLAB仿真工具介绍 12

3.2 Simulink仿真软件简介 12

3.2.1 模型参数和仿真参数 13

3.2.2 基于Simulink模型的搭建 16

3.3 本章小结 18

第四章 船用燃料电池动力系统特性的仿真分析 20

4.1 船用燃料电池动力系统电池电压的模型 20

4.2 船用燃料电池动力系统电池电压的仿真结果与分析 21

4.2.1 仿真结果分析 21

4.3 本章小结 23

参考文献 26

致谢 27

第一章 绪论

课题的研究背景

时代科技的迅速进步，正是因此改善了人们的生活，推动了社会的进步，以化石燃料为能源构建的全球经济越发繁荣，让化石能源与同经济挂钩，导致能源消耗日益加剧。随之而然，环境的污染与能源的紧缺，变成了当今人类世界的难题，现如今人们需要面对生存以及发展两大挑战，上世纪建立的化石能源体系已经适用于二十一世纪，二十一世纪对能源的要求是要具有经济实用性的绿色能源，近些年来人们频繁的关注全球变暖、能源危机等问题，二十世纪末期到二十一世纪初，战争基本上都发生在中东石油储量比较丰富地方，近些年来将美元与石油挂钩更是能源从关注变成了国家与国家之间博弈的资本，而正是僧多粥少各国都追求仅剩的化石能源导致了战争。现代战争实质大多是围绕着化石能源控制权的再分配问题^[1]。

现如今, 能源问题是世界各国经济发展中需要解决的主要问题。根据某研究报告指出:按照目前的开采速度,全球石油储量只能供应半个世纪,煤炭可以供应一个世纪年左右，天然气可以供应半个世纪左右。随着逐渐而来的能源危机, 世界各国必须面对的问题就是可再生能源以及清洁新能源的开发利用。随着全球化石能源供给状况日趋紧张、地球环境渐渐被破坏,其中海洋环境污染尤其严重。国际海事组织的环保要求逐渐严格、加步做好船舶节能减排的工作在大环境下已经迫在眉睫，并且当前对于我国来讲,由于海洋环境污染使得近海的渔业资源在不断的减少,部分地区甚至出现消亡的状况。因此,在我国经济发展越来越依靠海洋的当前,应该更加注重如何处理海洋环境的污染。造成海洋环境污染的重要方面之一便是船舶污染，经过查阅资料，船舶污染造成了三成以上的海洋环境污染，所以燃料电池在船舶上的应用可以有效的减轻船舶对还海洋环境的污染。现如今船舶推进市场中，柴油发动机扮演者主要角色，占据了设备储存量与功率的95%左右，在过去的半个世纪里，航运市场里燃气轮机占据着重要的地位，由于燃气轮机的局限性，实际使用与研发进度对于船舶而言相对滞后，此时出现的燃料电池运用在交通运输里，其污染环境小以及符合国际社会对节能减排的要求，让它成为了未来主要的清洁能源之一，同时也是以后的发展趋势和研究方向，并且燃料电池中并没有回转部件，在用于船舶发电时，运行状态安静平稳。为船舶设备供电具有显著优势，使用燃料电池替代发电机组可以明显改善船舶的性能，减少噪音、震动和污染^[234]。

船用燃料电池国内以及国外的发展历程与发展现状

国内与国外的发展历程

燃料电池原理在十九世纪三十年代，William Grove爵士将水进行电解，在水电解的逆过程中发现得到了原理。十九世纪技术而言，在空气中得到氢气是不容易的，但是获取电能的方法就是：利用氢气与氧气的反应得到。与此同时，William Grove爵士选取其他替代品又没成功，但是这被公认为第一次演示了燃料电池，在时隔半个世纪后的1889年，Mond和他的助手Langer通过实验和总结，首次提出了有关于燃料电池的概念^[5] 。