﻿ 氢燃料电池动力技术在船舶动力能效改进的应用
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (5): 97-100    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.05.019 PDF

1. 烟台职业学院 汽车与船舶工程系，山东 烟台 264670;
2. 新兴交通建设有限公司，山东 烟台 264000;
3. 济南嬴氢动力科技有限公司，山东 济南 271100

Application of hydrogen fuel cell power technology in improving ship power efficiency
PEI Bao-hao1, ZHOU Juan2, YU Peng3
1. Department of Automotive and Ship Engineering, Yantai Vocational College, Yantai 264670, China;
2. Xinxing Transportation construction Co., Ltd., Yantai 264000, China;
3. Jinan Yinghydrogen Power Technology Co., Ltd., Jinan 271100, China
Abstract: This paper introduces the basic structure and theory of hydrogen fuel cell, develops a marine power system combined with hydrogen fuel cell technology, and describes in detail the motor selection of the new marine power system and the circuit design of DC / DC converter module. In order to verify the energy efficiency of hydrogen fuel cell ship power system, a simulation model is established in the simulation software MATLAB, and the energy consumption of the two power systems is compared.
Key words: hydrogen fuel cell     power system     energy efficiency     Matlab     DC/DC
0 引　言

1 氢燃料电池的基本理论 1.1 氢燃料电池的基本结构与功能

 图 1 氢燃料电池的原理图 Fig. 1 Schematic diagram of hydrogen fuel cell

1）热稳定性和化学稳定性

2）质子通过性

3）气体渗透率低

1.2 氢燃料电池的基本数学理论与建模

1）质量守恒方程

 $\frac{{\partial (\varepsilon \rho )}}{{\partial t}} + \nabla (\varepsilon \rho \vec u) = {S_m} {\text{。}}$

 $\begin{gathered} {S_m} = {S_{{{\rm{H}}_2}}} = - \frac{{{M_{{{\rm{H}}_2}}}}}{{2F}}{i_a}, \hfill \\ {S_m} = {S_{{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}}} + {S_{{{\rm{O}}_2}}} = \frac{{{M_{{{\rm{H}}_2}O}}}}{{2F}}{i_c} - \frac{{{M_{{{\rm{O}}_2}}}}}{{4F}}{i_c}{\text{。}} \hfill \\ \end{gathered}$

2）动量守恒方程

 $\frac{{\partial (\varepsilon \rho \vec u)}}{{\partial t}} + \nabla (\varepsilon \overrightarrow {\rho u} ) + {S_{{\rm{other}}}} = - \varepsilon \nabla P + \nabla (\varepsilon \mu \nabla \vec u) + {S_n} {\text{。}}$

 ${S_{{\rm{other}}}} = - \frac{\mu }{{{K_p}}}{\varepsilon _m}{x_m}\vec u + \frac{{{K_\phi }}}{{{K_p}}}{c_f}{n_f}F\nabla {\phi _m} {\text{。}}$

3）组分守恒

 $\frac{{\partial \left( {\varepsilon {c_k}} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \left( {\varepsilon {c_k}\vec u} \right) = \nabla \left( {{D_k}^{}\nabla {c_k}} \right) + {S_k} {\text{。}}$

 图 2 氢燃料电池的功率密度与电流密度曲线 Fig. 2 Power density and current density curve of hydrogen fuel cell
2 氢燃料电池动力技术在船舶动力能效改进的应用 2.1 船舶氢燃料电池动力系统的整体开发

 图 3 船舶氢燃料电池电力推进系统工作原理 Fig. 3 Working principle of marine hydrogen fuel cell electric propulsion system

1）正常运行

2）起动或应急供电

3）短时逆功率

2.2 船舶氢燃料电池动力系统的电机选型

 图 4 三相永磁电机的转速仿真曲线图 Fig. 4 Speed simulation curve of permanent magnet motor

 $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}f {{u_d} = \dfrac{1}{2}{k_1}\left( {{u_a} + {u_b} + {u_c}} \right) - {u_0}}, \\ {{i_d} = \dfrac{1}{2}{k_2}\dfrac{{\left( {{u_a} + {u_b} + {u_c}} \right) - {u_0}}}{{{R_0}}}} {\text{。}} \end{array}} \right.$

2.3 船舶氢燃料电池动力系统的DC/DC变换器设计

1）由于氢燃料电池的输出电流较大，DC/DC变换器必须具有较高的转换率，降低能量损失的同时提升系统效率；

2）具备较好的声压特性，提高氢燃料电池的输出电压；

3）DC/DC变换器具有体积小、可维护性高等特性；

4）具有良好的动态调节能力，仿真由于环境因素导致的氢燃料电池输出电压波动问题[7]

 图 5 船舶氢燃料动力系统DC/DC变换器电路 Fig. 5 DC / DC converter circuit of marine hydrogen fuel power system

 $\begin{gathered} E \cdot {i_1} \cdot {t_{{\rm{on}}}} = {U_L} \cdot {i_1} \cdot {t_{{\rm{off}}}}, \hfill \\ E \cdot {i_1} \cdot {t_{{\rm{on}}}} = \left( {{U_0} - E} \right) \cdot {i_1} \cdot {t_{{\rm{off}}}}{\text{。}} \hfill \\ \end{gathered}$

 ${U_0} = {{E}} \cdot \frac{{{t_{{\rm{on}}}} + {t_{{\rm{off}}}}}}{{{t_{{\rm{off}}}}}} 。$

DC/DC变换器的占空比为：

 $D = 1 - \frac{{{U_{{\rm{in}}}}}}{{{U_{{\rm{out}}}}}} 。$

 $\begin{gathered} {D_{\min }} = 1 - \frac{{{U_{{\text{in }}}}}}{{{U_{{\text{out }}}}}} = 1 - \frac{{200}}{{300}} = 0.47, \hfill \\ {D_{\max }} = 1 - \frac{{{U_{{\text{in }}}}}}{{{U_{{\text{out }}}}}} = 1 - 300 = 0.76。\hfill \\ \end{gathered}$

 $L \geqslant \frac{{{U_{{\rm{in}}}}}}{{2{I_{{\text{out }}}} \cdot f}}D 。$

2.4 船舶氢燃料电池动力系统的能效测试

 图 6 氢燃料电池动力系统的耗氢量曲线 Fig. 6 Hydrogen consumption curve of hydrogen fuel cell power system
3 结　语

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