摘 要

随着化石能源的不断开采，环境问题日益严峻。人们对现有燃烧化石能源的载具、设施更加关注，对排放提出了更高的要求。严重依赖燃油的船舶行业亟待能源层面上的“大革命”。与此同时，氢能源与燃料电池的出现改变了传统观念，使“零排放”变成可能。若采用氢燃料电池作为船舶的主要动力来源，就能大幅降低船舶的污染排放。

本文以游艇和小型内河船舶作为研究对象，设计了一种船舶燃料电池混合动力系统。这一种混合动力系统结合了新型的燃料电池作为主动力源，传统的柴油机作为辅动力源。燃料电池、发电机组、DC-DC变换器、蓄电池、电控单元、推进电机和螺旋桨共同组成本船舶燃料电池混合动力系统。并且，本文对该系统的各个部件进行详细的对比选型。

最后，本文对设计的船舶燃料电池混合动力系统进行了仿真模拟实验。输入模拟的船舶工况，得到了燃料电池—蓄电池联合供电单元的输出特性曲线。经分析得出了设计的船舶燃料电池混合动力系统符合预期的结论。

关键词：燃料电池；节能减排；混合动力系统；仿真分析；小型内河船舶。

Abstract

With the continuous exploitation of fossil energy, environmental problems are becoming increasingly severe. People pay more attention to the existing vehicles and facilities burning fossil energy, and put forward higher requirements on emissions. The shipbuilding industry, which relies heavily on fuel oil, urgently needs the "revolution" on the energy level. At the same time, the emergence of hydrogen energy and fuel cells has changed traditional concepts and made "zero emissions" possible. If hydrogen fuel cells are used as the main source of power for ships, the pollution emissions from ships can be greatly reduced.

This article takes yachts and small inland ships as research objects, and designs a marine fuel cell hybrid power system. This kind of hybrid power system combines a new type of fuel cell as the main power source and a traditional diesel engine as the auxiliary power source. The fuel cell, generator set, DC-DC converter, battery, electric control unit, propulsion motor and propeller together form the ship's fuel cell hybrid power system. In addition, this article compares and selects various components of the system in detail.

Finally, this paper conducted a simulation experiment on the designed marine fuel cell hybrid power system. Input the simulated ship operating conditions to get the output characteristic curve of the fuel cell power supply unit. After analysis, it is concluded that the designed marine fuel cell hybrid system is in line with expectations.

Keywords: fuel cell; energy saving and emission reduction; hybrid power system; simulation analysis; small inland ships.

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 燃料电池系统 4

2.1 燃料电池的优势 4

2.2 燃料电池的分类及其具体原理 6

2.2.1 燃料电池类别与工作特性的对比 6

2.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理 7

2.3 本章小结 8

第3章 船舶燃料电池混合动力系统总体设计 10

3.1 船舶燃料电池混合动力系统 10

3.1.1 直接并联混合动力系统结构 10

3.1.2 间接并联混合动力系统结构 10

3.1.3 混合动力系统拟采用类型的对比选择 11

3.2 船舶燃料电池混合动力系统关键部件选型及特性分析 11

3.2.1 推进电机 11

3.2.2 DC-DC变换器 14

3.2.3 辅助蓄电池 16

3.3 本章小结 19

第4章 船舶燃料电池混合动力系统仿真分析 20

4.1 Matlab软件与Simulink模块简介 20

4.2 燃料电池Simulink建模 20

4.2.1 电堆气模型 22

4.2.2 电堆水模型 23

4.2.3 电堆电模型 25

4.3 燃料电池—蓄电池联合供电单元仿真分析 27

4.4 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 全文总结 35

5.2 工作展望 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

科技的进步推动并催化了化石能源的大量开采与燃烧，由于化石燃料的脱硫技术应用晚，燃烧过程排放污染多且复杂，燃烧废气的后处理实施成本较高等一系列因素，减少化石能源等传统不可再生能源的开采利用已是当今社会的重点议题。自第一次工业革命以来，人类社会开始大量开采、利用化石能源，由于其易于获取、能量密度高的特点，直至今日依旧是世界各国能源分布饼状图中占据主导地位、无法舍弃的部分。18世纪以来，随着人类社会的飞速发展，化石能源的大规模普及利用逐渐引出了许多新的问题，严重的环境污染与大规模的开采行为导致生态环境受到严重污染，化石能源的获取也不再乐观，调整能源结构刻不容缓。除了提升化石能源的利用效率与降低化石能源燃烧排放污染外，另一大重要途径即是开发利用可再生的清洁能源。

由于第二次工业革命电能的普及，目前已有多种清洁可再生能源投入实际生产生活中，如太阳能、风能、潮汐能、氢能等等。其中，氢能有着能量密度高，获取来源广，反应产物零污染等优秀特点，拥有成为常用载具主要动力来源的潜力。氢气除了通过直接燃烧反应放热做功外，还可以通过燃料电池将氢气的内能直接转化为电能，这一技术有着反应快、效率高、噪声小等诸多优势。根据电解质的不同，燃料电池被划分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)5类。