论文总字数：23187字

摘 要

随着世界经济的快速发展，船舶运输成为了全球运输行业的主要方式，但船舶运输所产生的二氧化碳约占全球二氧化碳总排放量的百分之三，已经成为了影响全球气候变暖的重要因素。而燃料电池主要使用氢燃料，排放物主要是清洁的水，可以实现有害气体零排放的效果，但燃料电池在船舶应用中的一些关键技术都还处于瓶颈期，本文主要介绍了三种关键技术，首先结合DSP控制模块，通过温度传感器的检测，将燃料电池出水温度作为输入量输入DSP控制模块中去，同时经过模糊控制策略的处理，由程控电源控制电动三通阀的开度来控制冷却水系统中循环水的流量，达到将燃料电池温度稳定在最佳工作温度区间内的效果。其次，介绍了船舶适用的高压气态储氢和吸附储氢技术，并针对不同储氢技术的不足之处，提出了增强活化性能与引入氢溢流作用等解决方案；最后介绍了以船舶柴油发电机为主动力源，燃料电池组为辅助动力源以及以燃料电池组为主动力源，蓄电池为辅助储能装置的两种混合动力系统，在此基础上给出了两种相匹配的能量管理策略。

关键词：燃料电池冷却水系统；船舶储氢技术；DSP控制；模糊控制策略；能量管理策略

Abstract

With the rapid development of the world economy, ship transportation has become the main method of the global transportation industry, but the carbon dioxide generated by ship transportation accounts for about 3% of the total global carbon dioxide emissions, and has become an important factor affecting global warming. factor. The fuel cell mainly uses hydrogen fuel, and the emissions are mainly clean water, which can achieve the effect of zero emission of harmful gases. However, some key technologies of fuel cells in marine applications are still in the bottleneck period. This article mainly introduces three key technologies , First combined with the DSP control module, through the detection of the temperature sensor, the fuel cell outlet temperature is input into the DSP control module as an input, and at the same time through the fuzzy control strategy, the program-controlled power supply controls the opening of the electric three-way valve to control the cooling The flow of circulating water in the water system achieves the effect of stabilizing the temperature of the fuel cell within the optimal working temperature range. Secondly, it introduces the high-pressure gaseous hydrogen storage and adsorption hydrogen storage technologies applicable to ships, and proposes solutions for enhancing activation performance and introducing hydrogen overflow effects for the shortcomings of different hydrogen storage technologies; finally, the ship diesel power generation The main power source of the engine, the fuel cell stack as the auxiliary power source and the fuel cell stack as the main power source, and the battery as the auxiliary energy storage device of two hybrid power systems, on the basis of which gives two matching energy management Strategy.

Key words: Fuel cell cooling water system ；Hydrogen storage technology for ships ；DSP control system；Fuzzy control strategy ；Energy management strategy

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 燃料电池冷却水系统 4

2.1 温度对于燃料电池的影响 4

2.2 冷却水系统设计方案 4

2.2.1 冷却水系统控制策略的初步设计 4

2.2.2 DSP控制模块介绍与型号选取 4

2.2.3 温度模糊控制策略介绍 6

2.2.4 冷却水系统工作原理 9

2.3 本章小结 9

第3章 船舶燃料电池储氢技术 10

3.1 储氢技术综述 10

3.2 船舶高压气态储氢技术 10

3.2.1 船舶高压气态储氢技术介绍 10

3.2.2 船舶高压气态储氢技术的优缺点分析 11

3.3 船舶吸附储氢技术 11

3.3.1 船舶吸附储氢技术简述 11

3.3.2 船舶化学吸附储氢技术 12

3.3.3船舶物理吸附储氢技术 14

3.4 本章小结 16

第4章 船舶混合动力能量管理策略 17

4.1 能量管理策略简介 17

4.2 以燃料电池组为辅助动力源的能量管理策略 17

4.2.1 以燃料电池组为辅助动力源的混合动力系统基本构成 17

4.2.2 以燃料电池组为辅助动力源的能量管理策略 18

4.2.3 以燃料电池组为辅助动力源的能量管理策略优势分析 19

4.3 以燃料电池组为主动力源的能量管理策略 19

4.3.1 基于有限状态机原理的船舶复合动力系统介绍 19

4.3.2 有限状态机原理介绍 20

4.3.3 以燃料电池组为主动力源的混合动力系统基本构成 21

4.3.4 以燃料电池组为主动力源的能量管理策略 21

4.3.5 以燃料电池组为主动力源混合动力系统优势分析 23

4.4 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

燃料电池是一种不发生燃烧过程，而通过电化学反应将所输入的燃料的化学能转化为电能的一种能源装置，它的工作原理是通过不断地向燃料电池内部输入燃料，例如氢气，在氧化剂氧气的作用下，燃料电池持续不断地释放出电能，排出清洁的水和少量二氧化碳等无害气体。燃料电池与传统的柴油机发电机等发电装置相比，具有燃料转化率高，排放物清洁无污染，体积小，搬运快速灵活，操作方便快捷，运行噪音小等优点。因此，在近年来对燃料电池的研究中，燃料电池常常应用在航空航天器的辅助能源，以及新能源汽车的主要动力源。随着全球船舶运输行业的快速发展，传统化石燃料逐渐枯竭，由于船舶排放尾气所引起的环境污染也愈来愈严重^[1]。而氢能源作为清洁能源，在大自然中取之不尽，用之不竭，所以人们逐渐将燃料电池等绿色能源应用在各类船舶中^[2]。

但是由于船舶航行距离远，耗时长，航行时工况复杂多变，所以现有的对于船舶燃料电池的研究大部分都是对某种特定规格的船舶进行燃料电池的加装与改造，但在一些方面，例如船舶如何携带足够的氢能源，如何根据燃料电池的规格来设计送风系统与冷却系统，如何设计适合的混合动力系统以及能量管理策略，还有如何进行优化增加其安全性等都制约燃料电池在船舶上的大规模应用，所以，对这些燃料电池在船舶应用中的关键技术进行研究与阐述是十分有必要的。

本文选取了三种燃料电池在船舶应用中的关键技术进行研究与阐述，设计了一款基于小型船舶的冷却水系统，并对于两种热门的船舶储氢技术进行研究与探讨，最后基于不同的船舶类型规格提出了两种不同的混合动力系统，并对于两种相匹配的能量管理策略进行介绍与优化。

1.2 国内外研究现状

燃料电池距今已有接近两百年的历史，威廉格鲁夫于19世纪40年代研究并提出被称作为“气体电池”的初始装置，拉开了人类研究燃料电池技术的序幕，因此，后人尊称他为燃料电池之父，而他所提出的初始装置也被看作为燃料电池最初的形态，威廉格鲁特所提出的气体电池为后人研究燃料电池提供了大量的理论知识，但燃料电池因其运行成本，燃料储存技术以及当时的市场需求等限制，在研究的起始阶段并没有受到世人的广大关注，一直持续到上世纪60年代，NASA将燃料电池作为辅助能源动力装置在阿波罗等航空航天器中安装应用，各国开始意识到了燃料电池作为辅助动力能源的优点和潜力。从此燃料电池的发展开始进入快速增长阶段，后来，人们称这一时段为燃料电池的空间应用阶段。而到了1973年，西方各国爆发了石油能源危机，燃料电池的研究方向开始从航天器领域转化为地面发电站等领域。在20世纪70年代初期到80年代初期，很多种类的燃料电池相继被研发出来，例如固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等，掀起了燃料电池开发的新一轮热潮，这一时期也被后人叫做燃料电池的能源时代。但随着全球石油危机大局势的逐步缓和，世界各国对燃料电池研究的热情又陷入了低谷期，直到20世纪80年代末，全球环境污染问题日益严重，由于燃料电池使用清洁能源，可大幅减少环境污染的特性，诞生了燃料电池研究的环境时代。

经统计表明，船舶运输所排放的二氧化碳约占全球二氧化碳排放总量的15%，已经成为全球环境污染的一个重要组成部分，又因为化石能源日益短缺，燃料成本上涨，人们开始将燃料电池应用在不同种类的船舶之上^[3]。

船舶燃料电池的研究主要集中在欧洲造船传统强国，由挪威研究开发的第一艘完全以船舶燃料电池为动力的船舶已于2009年底开始运营。这表示燃料电池作为独立的船舶动力装置是可行的，随后，挪威船级社为了探究船舶进一步降低排放的可行性，在“维京女士”号上开展了一个实验，以燃料电池组为辅助动力装置，与船舶原有的主动力装置相结合，改造成了混合动力船舶^[4]。经过航行对比实验，混合动力系统较原动力系统提高了百分之三十的功率，并且无故障地运行了将近两万个小时^[5]。

相对于国外燃料电池的发展，我国对燃料电池的研究相对滞后，但是经过国家的大力扶持，以及专家机构长期的研发，我国在质子交换膜燃料电池的研究上取得了重大的突破，多种类，多规格的燃料电池装置已经应用到了相关的项目中。二十一世纪初期，上海交通大学主持研发的小型熔融碳酸盐燃料电池已经通过项目验收。现如今，上海海事大学在上海市政府的大力支持下，利用学科资金，设立了船舶燃料电池电推实验室，昭示着我国对发展船舶燃料电池的极度重视，也预示着未来船舶燃料电池技术将会在我国取得长足的发展^[6]。

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