摘 要

随着国际贸易的日益繁荣，海洋运输业迎来了快速发展的机会。与此同时，由于投入船舶数量的增多，不仅加剧了石油等不可再生能源的消耗，还给海洋环境带来了严重的破坏。所以，寻求低污染，高能效的新能源势在必行。在这种时代的背景下，燃料电池得到了各国的关注。本文以一艘小型的客船为研究对象，开展燃料电池船舶的热电联供系统设计研究。

首先，本文对各种燃料电池的优缺点进行了分析，综合考虑燃料电池的工作温度、使用寿命、动态性能以及成本等条件，选用了质子交换膜燃料电池作为船舶燃料电池热电联供系统的核心，对质子交换膜燃料电池的研究现状进行了简要分析，并对其的基本工作原理进行了介绍。

其次，完成了质子交换膜燃料电池热电联供系统的总体设计，确定了系统所需要的各种部件，并对各部件的功能与系统的工作流程进行了分析。基于船舶的运转工况，确定了各部件的选型。

最后，对影响质子交换膜燃料电池工作的各种因素进行了分析，确保系统能够稳定的运行，完成了整个热电联供系统的设计。

关键词：燃料电池 热电联供 锂离子电池

Abstract

With the increasing prosperity of international trade, the Marine transportation industry has ushered in the opportunity of rapid development.At the same time, the increase in the number of invested vessels not only intensifies the consumption of non-renewable energy (oil), but also brings more pollution to the Marine environment.Therefore, it is imperative to seek new energy sources with low pollution and high energy efficiency.Under the background of this era, fuel cell has attracted the attention of many countries.In this paper, a small passenger ship is taken as the research object to carry out the research on the design of the combined heat and power supply system of the fuel cell ship.

First of all, in this paper, the advantages and disadvantages of all kinds of fuel cells are analyzed, and comprehensive consideration of fuel cell operation, such as temperature, service life, dynamic performance and cost conditions, selection of the proton exchange membrane fuel cell, which is the core of the ship's fuel cell cogeneration system, and this paper expounds the research status of proton exchange membrane fuel cell, and the basic working principle are introduced.

After that, the overall design of the combined heat and power supply system for proton exchange membrane fuel cell was completed, various components required by the system are determined, and the functions of each component and the working process of the system are introduced.Based on the operating condition of the ship, the selection of each component is determined.

Finally, various factors affecting the work of proton exchange membrane fuel cell are analyzed to ensure the stable operation of the system and complete the design of the whole cogeneration system.

Key Words: Full Cell;; Cogeneration;; Lithium ion battery.

目 录

第1章 绪 论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外的研究现状分析 2

1.2.1国内研究现状分析 2

1.2.2国外研究现状分析 2

1.3本章小结 3

第2章 燃料电池概述 4

2.1燃料电池的应用特点 4

2.2质子交换膜燃料电池现况 4

2.3质子交换膜燃料电池的基本工作原理 6

2.4本章小结 7

第3章 PEMFC船舶热电联供系统总体设计 8

3.1 PEMFC热电联供系统组成 8

3.2 PEMFC热电联供系统组成部件功能 8

3.3 PEMFC热电联供系统工作流程 9

3.4本章小结 11

第4章 系统各部件选型与匹配 12

4.1 燃料电池 12

4.2 DC/DC变换器 12

（1）根据输入与输出电压的要求，确定占空比调节范围。 12

（2）确定电感值。 12

（3）确定电容值 12

4.3 储能设备 13

第5章 影响PEMFC放电因素分析 15

5.1 温度对PEMFC的影响 15

5.2湿度对PEMFC的影响 16

5.3反应气体压力对PEMFC的影响 16

5.4质子交换膜种类与厚度对PEMFC的影响 17

第6章 总结与展望 18

6.1总结 18

6.2展望 18

致 谢 19

参考文献 20

第1章 绪 论

1.1研究目的及意义

  随着国际贸易的日益繁荣，海洋运输业发展迅猛。与此同时，由于投入船舶数量的增多，不但加剧了不可再生能源（石油）的消耗，还给海洋环境带来了更多的污染。所以，寻求低污染，高能效的新能源势在必行。各国把目光放在了高能量与清洁的新能源上，比如风能、水能和太阳能这些可再生的清洁能源，这些能源的使用率正在逐年提升。但是，上述能源能否稳定且持续的供应能量与环境有着很大的关系。在这样的时代背景下，燃料电池技术脱颖问出，得到了各国的关注^[1]，基于燃料电池的基本工作原理，若是能连续不断地向燃料电池内部提供进行电化学反应所必需的燃料气体及氧化剂，燃料电池就可以持续的工作，且工况较为稳定。

  燃料电池发电技术是继热能发电、原子能发电和水利发电之后的新型发电技术^[2-3]。与当前运用较多的柴油机发电技术相比较，柴油机发电技术的能源利用率会受到卡诺循环效应的限制，导致其能源利用率较低，而燃料电池则不会出现这种问题，因为燃料电池发电技术的本质是通过电化学反应，将燃料气体中所含有的化学能，直接的转换成为电能，所以燃料电池发电技术在能量利用率这一方面明显优于传统的柴油机发电技术。其次，燃料电池发电的原材料为燃料气体和氧气或空气，排放物中基本不含有会对环境造成污染的物质。燃料电池的结构简单，所含有的机械传动部件并不多，所以它不会产生严重的噪音使环境以及工作人员受到影响。综上所述，从减少石油等不可再生能源的消耗，保护地球现有的生态环境的角度来看，当前最有发展潜力的发电技术，无疑就是燃料电池发电技术^[4-5]。

作为一种新型的清洁动力源，燃料电池的效率在40%~60%之间，这说明有将近一半的能量以热能形式被排放掉了。如果能采用热电联供技术，燃料电池的转换率理论上可以达到80%以上，且系统升功率要比柴油发电机组大很多。热电联供指的是系统不仅提供负载所需的电能，同时也担当热能提供者的角色，在保证提供负载所需求电力的同时，将系统在发电过程中所产生出的热能也加以利用，从而实现供热的功能，热电联供系统的应用可以有效的提高燃料电池对能源的利用率。对燃料电池的本质进行分析可以发现，它就是一个能量的转换装置，通过电化学反应，将一次能源直接的转化成为电能和热能。燃料电池热电联供系统若是能够大规模的应用在船舶上, 既可以减少石油等不可再生能源的消耗量，又可以减少含有碳、硫等有害物质气体的排放^[6]。将燃料电池热电联供系统安装在船舶当中，同时具备能量综合利用效率更高、基本不产生对环境有害的污染物与噪声等显而易见的优点。将燃料电池安装在汽车上已经有了很多的实例，但是将燃料电池安装在船舶上的实例还是比较少见，将燃料电池热电联供系统安装在船舶上的实例在我国更是少之又少，但是有关于燃料电池船舶的研究与实验正在逐年的上升。燃料电池技术极具发展潜力，将燃料电池应用在船舶上具有美好的前景。

1.2国内外的研究现状分析