燃料电池技术在船舶上的应用

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1、燃料电池技术在船舶上的应用第20卷第1期2012年3月广州航海高等专科学校JOURNALOFGUANGZHOUMARITIMECOLLEGEVo1.20NO.1Mar.2012燃料电池技术在船舶上的应用米志红(广州航海高等专科学校船舶工程学院,广东广州510725)摘要:简要介绍了燃料电池作为船舶电力推进系统原动力的国内外研究现状,分析了燃料电池动力系统的基本结构及组成,展望了燃料电池系统的发展趋势与应前景.关键词:燃料电池;船舶电力推进;储能系统中图分类号:U665.13文献标识码:A文章编号:1009—8526(2012)01—0007

2、—02作为船舶电力拖进系统最主要的原动机——柴油机所曾现的问题日趋突出:一是航运燃料燃烧时产生的大量浓缩氮和硫,成了环境污染的主要因素.近几年来,各国加强了对船舶排放的控制,尤其是针对近岸船舶气体排放的控制.二是高转速,大功率柴油机产生的振动和噪声所带来的问题越来越引起人们的重视."零噪声"是人们对生活,工作环境提出的更高要求,尤其是乘客和船员.三是日益突出的全球能源问题要求人们必须在短时间内开发出新的能源及动力装置.燃料电池作为一种新型动力源,其转换率理论上可以达到90%,系统升功率比柴油发电机组大50%.如果将燃料电池作为船舶电力推进系

3、统的主动力,既可以降低船舶燃料费用又可以减少局部排放,并能够大大降低船舶运营成本.目前,燃料电池在船舶上应用研究已经越来越受到重视¨.1国内外研究前沿船用燃料电池的研发开始于21世纪,主要以欧洲造船强国为中心.由挪威船社研制的第一艘通过燃料电池进行供电运行的船舶于2009年12月实验运营,这个项目的成功预示着未来船舶动力系统的环保革新.而从2009年开始,韩国大宇造船也开始进行燃料电池的研究,其实验功率可达3MW.从20世纪90年代开始,国内各大学和科研机构也开始进行燃料电池的研究,研究方向以电动汽车和航天应用为主.大量文献资料表明,国内关

4、于燃料电池作为船舶电力推进动力方面的研究发展缓慢,成功案例很少.即使是已经实验成功的案例,如上海海事大学研制的天翔1号实验船以及北京富源燃料电池公司推出的BDA富源一号游艇,其推进功率仅在2KW以下,远远小于目前挪威船社4MW的水平.2燃料电池发电系统的结构本文采用间接电流控制方式,所构建的燃料电池发电系统的结构如图1所示.图1燃料电池发电系统的结构1)燃料电池.燃料电池和传统意义上的电池不一样,其原理是利用电解水的逆过程,将燃料"燃烧"反应产生的化学能直接转化成电能输出.与普通电池一样,燃料电池的核心部件是阴极,阳极,电收稿日期:2011

5、—10—21基金项目:广州航海高等专科学校科研项目(20112B09)作者简介:米志红(1971一),女,讲师,硕士,主要从事电机与电器教学及其研究广州航海高等专科学校第20卷解质3个部分.与普通电池不同的是燃料电池只需要用便宜的"燃料"(比如氢气)进行"燃烧",而且其使用过程和传统发电机类似,需要随时添加燃料.此外,燃料电池正常工作还需要有压力调节器,温控装置,功率调节,储能装置等辅助系统.目前推出的燃料电池按照电解质材料来分,常见的有五种:固体氧化物型,磷酸型,碱溶液型,熔融碳酸盐型,质子交换膜型燃料电池.由于低噪音,无污染,长寿命,效

6、率高,负载特性好等优点,质子交换膜型燃料电池非常适合近岸穿梭船舶的使用.2)DC—DC变换器.和普通"电池"一样,船用燃料电池的输出为直流电压,相当于一个直流电压源.燃料电池输出电压的特点是输出电压范围宽,特性比较软,电压波动比较大,动态响应慢,无能量回馈.由燃料电池发电系统作为船舶电力推进系统的动力源,需要的是一稳定电压.设计DC—DC斩波变换器,在燃料电池供电系统中起着非常重要的作用:将燃料电池输出的较低的电压升压;将燃料电池输出电压变换为一稳定电压,需要闭环运行;进行能量传递,可提高能源利用率.对DC—DC变换器的要求是低污染,高功率

7、,高效率,可选用具有升压能力的Boost变换器,开关管选择IGBT,如图2所示为带有耦合的双Boost变换器.选择双Boost变换器,可使输出电压纹波系数减小,输出电压更稳定.图2双Boost变换器拓扑3)DC—AC逆变器.按照船舶电力推进系统中电机类型(直流电机推进,交流电机推进),DC—DC变换系统输出的直流电需转换成交流电,这种装置即为DC—AC变换器.船舶电力推进系统电机是一种感性负载,因此在直流电源和负载之间存在无功交换,需要有中间直流环节(大电容,大电感)来缓冲这种无功需求;从电力推进运行系统的性能出发,要求逆变器输出电压接近理

8、想正弦.由此可采用三相逆变器,利用正弦脉宽调制技术(SPWM)对逆变器控制.电压型三相逆变器电路拓扑如图3所示,其开关元件选用IG—BT,输出频率为0—60Hz.V木VT3J木V