论文部分内容阅读
氢燃料电池发电作为较理想的能源利用方式,在船舶行业有广阔的应用前景。为研究氢燃料电池动力系统输出功率特性是否满足典型船舶载荷对动力的需求,应测试氢燃料电池功率输出系统,由此展开系统优化。本文基于所搭建的3kW质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统特性测试平台,研究了燃料电池的反应条件对其放电性能的影响,确定燃料电池动力系统的最优输出功率时的反应条件及主要控制参数,同时应用太阳能电力观光游览船舶的电力推进系统仿真模型,分析氢燃料电池动力系统在船舶推进系统应用的可行性与可靠性。具体研究工作如下:(1)氢燃料电池放电性能影响因素分析。影响燃料电池发电能力的因素除燃料电池制作材料外,还包括反应气体的压力、相对湿度及反应平台温度。以研发并营运的太阳能电力观光游览船舶(L×W×H:15m×6m×1.9m)的电力推进系统运行环境参数为依据,测试并分析了氢燃料系统在以船舶运营环境相适配环境下的功率输出特性,确定了氢燃料电池的进气压力、流率、进气相对湿度及反应平台温度。(2)氢燃料电池动力系统特性测试平台搭建。以构建3kW氢燃料电池船舶电力推进系统为目的,在完成电力推进系统设计的基础上,进行气体及热管理系统的管路、换热器、加湿器及阀门的结构设计及选型计算,并通过Pro/ENGINEER三维建模软件,确定测试平台主要设备模型,进而建立氢燃料电池测试平台。(3)氢燃料电池动力系统特性测试与优化。利用测试平台研究燃料电池的进气压力、进气流率及相对湿度、反应平台温度对输出电流密度、电压和功率的影响,并根据测试结果确定燃料电池作为船舶动力时的最佳反应条件。结果显示,氢燃料电池动力系统测试平台最佳输出功率的反应条件为:反应平台温度60℃、反应气体压力均为0.3MPa、气体相对湿度100%、氢气流率35L/min、空气流率150L/min、氢气利用效率50%。(4)船用氢燃料电池推进系统的建模与仿真。以配置船舶氢燃料电池/锂电池混合动力系统为目的,应用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立氢燃料电池模型、DC/DC变换器模型、能量管理模型、太阳能观光游览船的直流电机模型和螺旋桨模型,并对封装后的船舶氢燃料电池推进系统进行仿真实验。根据仿真实验结果可发现,氢燃料电池发电系统可有效为船舶推进系统提供能量,为氢燃料电池用于船舶动力系统的设计提供参考。