摘 要

随着环境恶化及资源枯竭，船舶行业的发展急需变革。燃料电池作为新型能源的一种，其清洁、高效、可再生的特性使得基于燃料电池的船舶电力推进系统的研究迫在眉睫。世界各国都已展开燃料电池船舶的研究和应用。由于国内在燃料电池电力推进船舶这方面的研究仍处于初步阶段，本文主要的研究目的是探讨燃料电池在电力推进船舶上的应用情况。采用的方法主要是通过收集了解燃料电池以及船舶电力推进系统相关文献资料，具体了解了当前基于燃料电池的船舶电力推进系统的国内外发展现状。并根据对电力推进系统的主流模式探究，着重分析了热力源发电机和燃料电池的优缺点。并在文中基于300吨渡船作为设计对象，根据渡船本身的尺寸参数、性能特点、电网容量等方面进行船舶推进功率和船上电力负载计算，并据此进行燃料电池和蓄电池的选型计算，对整船电力推进系统进行了构型设计并提出相应的能量控制系统策略。通过以上所做的主要工作，确定燃料电池在电力推进船舶上的应用是可行的且具有十分积极的意义。

关键词：燃料电池；船舶电力推进系统；电池选型计算

Abstract

As the environment deteriorates and resources dry up, the development of the shipping industry is in urgent need of change. Fuel cells are a new type of energy, and their clean, highly efficient and renewable properties make the research of the electric propulsion system based on the fuel cell's electric propulsion system urgent. The research and applications of fuel cell ships have been developed in the developed countries of the world, especially in the developed countries, led by northern Europe. Due to domestic in fuel cell electric propulsion ship is still at the preliminary stage, the research in this paper, the main purpose of the study is to investigate the fuel cell in the application of electric propulsion ship. Methods mainly by collecting fuel cell and Marine electric propulsion system related literature, the specific understanding of the current Marine electric propulsion system based on fuel cell development present situation at home and abroad. According to the main mode of electric propulsion system, the advantages and disadvantages of thermal generator and fuel cell are analyzed. In this paper, based on the 300 tons of ferry as design object, according to the size of the ferry itself parameters, performance characteristics, such as power grid capacity for ship propulsion power and ship power load calculation, and selection of fuel cell and battery is calculated on the basis of, the whole ship electric propulsion system for the configuration design strategy and put forward the corresponding energy control system. Through the above work, it is feasible and very positive to determine the application of fuel cell in electric propulsion vessel.

KeyWords: Fuel Cell; Marine Electric Propulsion System; Battery Selection Calculation

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

世界经济的迅速增长使得全球化趋势越来越明显，其中贸易已经成为全球各个国家外交的重要方式。船运行业的重要性在日渐繁荣的贸易全球化中得以体现，为世界经济的发展贡献了巨大的力量。

19世纪40年代以前，世界上的几乎机械推进系统都普及到了所有船舶，自1838年第一艘电动船诞生以来，100多年的应用历史使得船舶电力推进系统变得越发炙手可热，但是长久以来，传统的看法认为，用发电机、配电装置、变频器和电动机等来代替机械推进方式会增加空间及经济成本，而且存在二次能量转换，导致其效率低于传统的机械推进方式。因此其发展一直比较缓慢^[6]。但是自从20世纪80年代以来，得益于电力电子技术在此阶段的高速发展，大功率交流电机的在开发和应用变频调速技术方面取得突破，在国内外船舶电力推进均得到良好发展且具有十分广泛的应用前景

目前，船舶航行主要依靠柴油机来提供动力，其污染物排放量极高，根据相关研究表明，经船舶排放的氮氧化物占全球总排放量的10%~15%，的占比为4%~6%，二氧化碳的占比为2%。同时，传统柴油机所有燃油属于不可再生资源。人类面临能源日益减少、生态环境逐步恶化等问题，不得不令开发可持续能源提上议程。如今世界上众多国家对新能源动力装置和环保型船舶十分重视，诸如太阳能、风能、核能和氢能等清洁能源具有较好的应用前景。其中氢能可以高效转化成电能，并且该转化是可逆的。在与其他类型电池相比，电能可由氢燃料电池的化学能直接转化，且卡诺循环不适用于这一过程，因此其能量的利用效率较高。综合这些优点，燃料电池在船舶上的运用前景十分广泛^[8]。

1.2 国内外的发展和现状

1.2.1 电力推进系统的国内外发展现状

在国外，电力推进船的研究和应用比较早，其技术比较成熟，主要有潜艇采用的AIP技术、吊舱式电力推进系统、超导电磁推进系统等。其中，吊舱式电力推进系统是一种全方位转动的装置，电动机位于吊舱内，直接驱动螺旋桨。由于吊舱式推进系统操作性能好、节省大量空间等诸多优点，致使诸如由瑞典Rolls-Royce和法国Alston公司合作研发的Mermaid吊舱式电力推进装置，在德国SIEMENS与SCHOTT设计开发下的ESSP吊舱式电力推进装置等成熟的吊舱式电推系列相继问世。

在国内，众多科研单位及高等院校，在这种大环境下，陆续开展了一系列有关船舶电力推进系统的研究。包括哈尔滨工程大学和武汉理工大学加强了在电力推进方面的研究，建立船舶电力推进系统仿真实验室，其他诸如海军工程大学、上海海事大学等高校以及中船重工下属的711、712研究所也在进行类似的研究项目^[4]。

1.2.2 船用燃料电池系统的国内外发展现状

在国外，上世纪90年代开始，加拿大的Ballard公司、HDW造船公司等众多研发用于船舶的燃料电池的生产厂商逐渐发展起来。其中，HDW公司在1990年对209级1200型潜艇进行改造，以金属氢化物作为储氢方式，使得世界上第一艘装备氢氧燃料电池的212A型潜艇就此诞生。

图1.1 212A型潜艇及其燃料电池电堆

2003年10月，电力推进船舶Sailing Boat作为德国的MTU公司研发的主要产品，应用了加拿大Ballard公司的20kW的PEM燃料电池，并在德国南部的康斯坦茨湖上进行了测试，在航速为6km/h的情况下，航程为225km。

图1.2 Sailing Boat 资料图

与此同时，美国燃料电池船舶的应用也在进行当中。船舶项目Sodium Borohydride Water Taxi在2003年由美国的Anuvu公司主导进行开发，该项目所研发的船舶通过燃料电池和蓄电池作为混合动力驱动，燃料电池类型为PEMFC，储氢装置为液体硼氢化钠储氢系统。最高可乘坐22名乘客，航速最快可达8.5节。美国加利福尼亚州旧金山海湾水运管理处（简称“WTA”）于2003年设计了一艘混合燃料电池摆渡船，并将其用于旧金山海湾往返。该摆渡船采用240kW的燃料电池，在2006年建造完毕并下海通航。速度12节，最高可搭乘49名乘客。

图1.3 Sodium Borohydride Water Taxi的船舶项目

同时，欧洲国家是研究燃料电池船舶的热门国家。在2008年，德国的Zemships项目（零排放船舶 Zero emission Ships）的燃料电池推进船舶Alsterwasser下水运行，用于汉堡的Alster湖上旅游，是世界上第一艘投入运营的可搭载100名乘客以上的燃料电池电力推进客船，采用PEMFC燃料电池，最大输出功率为50kW，储氢方式为压缩氢气^[12]。

图1.4 Alsterwasser船用燃料电池系统

2011年，挪威的Fellowship将320kW的高温MCFC燃料电池作为辅助动力安装在一艘名为Viking Lady号的供应船上，该艘供应船也是世界上首艘以燃料电池技术为基础进行发电试验的船舶。

图1.5 FellowShip项目燃料电池船

除了以上所述之外，燃料电池的开发和应用已在许多国家进行了推广和研究。和国外相比，国内在燃料电池船舶方面的研制仍相当滞后。由北京富原燃料电池公司研发的富原一号在2002年9月诞生，这是国内第一艘燃料电池游艇，拥有400W的额定功率，24V电压，可达到7km/h的航速。随后，上海海事大学研制出了采用空气作为氧气源的天翔1号试验船，电池功率为2kW，推进器马力2马力，设计航速为7km/h，并可连续航行3小时，可以用来旅游、运输等。

图1.6 BDA富原一号燃料电池游艇

图1.7 天翔一号燃料电池船舶资料图

1.3 本文的研究内容

船舶电力推进系统已成为目前以及未来船舶推进的重要方式，能源多样化，实现“零排放”将是未来船舶电力推进系统的主要发展方向。因此，采用清洁的燃料电池作为电力推进系统主动力取代传统柴油机，将大大提高船舶的经济性、操作性、安全性以及环保性能。

本文将以300吨渡船为研究背景，根据渡船本身的性能特点、电网容量等，研究并设计以燃料电池为电力推进系统主动力的船舶电力推进系统，主要研究内容如下：

（1）深入探究燃料电池电力推进系统的目的和意义、技术要求和应用现状，针对电力推进的主流模式，重点比较热力发电机电力推进模式和以燃料电池发电为主的电力推进模式的优缺点；

（2）探究燃料电池推进模式的经济性和可行性，并深入探究其目前应用上所存在的问题和解决措施；