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船用燃料电池模块系统设计研究 　　摘 要：通过对燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统的研究，我们看到了氢燃料电池作为船舶电源的良好前景；根据燃料电池系统配置要求，设计出一套能够应用于船舶的燃料电池系统，并对电堆系统的性能进行测试，展示了电堆系统的性能及待解决的问题。 　　关键词：燃料电池；电堆；系统设计 　　中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2017）02-0046-02 　　1 燃料电池系统 　　燃料电池是目前最有前途的清洁能源技术之一。它是一种将燃料的化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的装置。最为流行的质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用纯氢作为燃料，释放电能和热能，唯一产物为水。由于中间没有机械能这一转化过程，整个燃料电池系统没有移动部件，极少需要维护，而且基本没有噪音。燃料电池也不属于热机，不受卡诺循环的限制，其电效率一般可达50%以上。如果进行热电联产，系统效率可达85%以上。燃料电池与普通充电电池在结构上类似，区别在于其燃料由外部供给，只要燃料不断供应，系统就可以不停地工作，不需要长时间的“充电”。 　　燃料电池对于燃料的选择有比较高的灵活性。除了纯氢以外，天然气，甲醇，丙烷等都很容易被转化为富氢气体，在通过必要的净化后输入燃料电池系统产生电能。虽然碳氢化合物重整系统的加入会使整个系统的效率降低，也会产生一定的二氧化碳排放，但不会产生硫化物，氮氧化物等污染物。 　　质子交换膜燃料电池目前主要有两种，一种在较低温度（-20?C ?C100?C）范围内工作，依赖于水来传递质子，所以燃料需要加湿，而且容易被燃料中的CO毒化，对CO浓度特别敏感，一般要求小于10ppm。优点就是功率密度大，单个系统达到300kW都曾被报道。另一种是在相对高的温度下工作（100?C?C200?C），在这个温度范围内，燃料电池内的催化剂抗CO毒化的能力较强，可以忍受3%浓度的CO，远高于一般重整装置所产生的富氢气体中的CO浓度。而且系统结构更简单，无需加湿。缺点是功率密度偏低，而且由于需要包括隔热层，单位功率体积比前者要大很多。因此，选择合适的质子交换膜工作温度是极其重要的。 　　2 船用燃料电池系统要求 　　在船舶航运上的应用，给燃料电池系统提出了一些特殊的要求，比如系统必须要能应付海浪造成的颠簸和摇晃，可能还要预处理盐分很高的空气。后者可能需要增加过滤设备，从而增加系统成本。这些需要用户提出特别的使用环境及技术要求。另外任何安装都必须要符合船级社当前的标准和规定。 　　用户需要对系?y的体积，重量，功率大小，以及在船上的安装部位提出要求。 　　用户还要对转化后的交流电的电压和频率提出要求。 　　除燃料外，燃料电池系统必须不依赖中途补充任何其他物质来保证系统的运行，是一个独立运行的系统。 　　2.1 存储系统 　　燃料的选择比较灵活，从技术上来说可行的存储方式有： 　　（1）金属氢化物，常压储氢方式。最大特点为安全，但是重量储氢率很低。 　　（2）液氢，重量和体积储氢率均较好，但是氢气液化是一个高耗能过程。 　　（3）高压氢气，最常见的的储氢方式。气罐的体积比较大会影响船舶的布局；国内船舶加氢站还没有，加氢不方便。 　　（4）天然气是一个比较传统的技术，在天然气丰富的地区，天然气制氢是最好的选择。 　　下述中将只分析使用天然气的情况。 　　2.2 燃料转化系统 　　本文研究中将采用天然气为原料制氢，所以需要燃料转化系统。天然气的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将天然气转化为氢气（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的转化气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。 　　在镍催化剂存在下其主要反应如下： 　　CH4+H2O→CO+3H2+Q 　　CO+H2O→CO2+H2+Q 　　2.3 储能系统 　　燃料电池系统对负载突然变化的响应不如电池，而电池的续航时间远不如燃料电池。燃料电池和充电电池组成混合动力系统来取长补短。前者负责基本用电，后者应付峰值用电和负载的瞬间改变，峰值用电结束后前者为后者充电。这样的配置会大大降低系统的成本。 　　3 燃料电池模块设计 　　3.1 燃料电池系统组成和原理 　　船用燃料电池系统主要由安全控制箱、LNG储罐、气化器、制氢模块、缓冲罐、燃料电池模块、供风管系、排气管系、排水管系、冷却管系、缓冲蓄电池组、超级电容、逆变器等部分组成。在安全控制箱的控制下，LNG储罐中的液化天然气进入气化器，变成天然气之后在制氢模块转化为氢气，再通过缓冲罐的缓冲作用进入燃料电池模块，在供风、排气、排水、冷却等模块的共同作用下产生电能，经过缓冲