【《氢能源船舶的结构特性分析案例》3500字】

氢能源船舶的结构特性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32194氢能源船舶的结构特性分析案例 144061.1燃料电池系统 1239111.1.1燃料电池系统概述 1188391.1.2燃料电池在船舶上的应用 395771.2氢气管路布置 4145281.1.1总体结构 4129341.1.2系统部件 5289942.2.3材质选择 568041.3控制系统 628929参考文献 61.1燃料电池系统1.1.1燃料电池系统概述燃料电池技术可追溯至19世纪初期，由英国的WilliamGrove发明，然而由于当时内燃机的兴起，燃料电池技术便被尘封在历史长河中半个世纪之久，直到20世纪60年到美国国家航空航天局开启载人飞船项目才开始采用燃料电池技术用于适应外太空的工作环境。到20世纪末期燃料电池技术开始在电动汽车领域得到关注。发展至今燃料电池技术已呈多元化趋势，目前应用最广的质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池。燃料电池的分类和应用领域如图2所示[10]：表2燃料电池种类及特性Table2Typesandcharacteristicsoffuelcells种类磷酸燃料电池质子交换膜燃料电池碱性燃料电池熔融磷酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池工作温度/℃180-20020-8065-220650-750500-1000启动时间2~4小时几分钟几分钟十小时以上十小时以上电解质H3PO4全氟磺酸KOH溶液熔融K2CO3-LiCO3ZrO2-Y2O3固体燃料重整气氢气高纯度氢气净化煤气净化煤气氧化剂空气空气纯氧空气空气比功率/(W/kg)100-220300-100035-10530-4015-20特点启动速度相对慢，对CO敏感室温下即可工作，启动快，比功率高工作温度低，启动快，需要纯氧气成本高工作温度较高，燃料可用天然气成本较低工作温度高，燃料可用天然气成本低应用领域大客车、中小电厂电动汽车、航天电动汽车、航天大型发电厂大型发电厂由表2可知，最适合氢能源船舶使用的燃料电池类型是采用全氟磺酸膜为电解质的质子交换膜燃料电池，其启动时间足够快速符合船舶需要随启随停的特点，燃料使用氢气符合排放物仅有水，可在常温下运行不需要复杂的工作环境。另外凭借着高效、清洁的优点质子交换膜燃料电池近几年在电动汽车领域发展迅速。其基本组件包括气体分布通道、气体扩散层、阳极和阴极中的催化层以及质子交换膜[11]。其工作原理示意图如图4所示：图4燃料电池工作原理示意图Figure4Schematicdiagramofworkingprincipleoffuelcell氢气从左侧双极板的流场板中进入阳极扩散层，在阳极催化剂的作用下H2电离出H+和电子，完成阳极反应：H2—>2H++2e-，然后H+融入催化剂层穿透质子交换膜到达电池阴极侧，电子通过导电物质经外电路送至阴极并在外电路产生电流，氧气从双极板的流畅进入阴极扩散层与H+和电子在电池阴极发生反应生成水随后随反应尾气排除。因此燃料电池在使用时十分方便，它内部储存的能量由反应物质来提供，在燃料用尽之后无需更换燃料电池只需补充燃料即可继续工作。在大功率应用场景下燃料电池可以通过几十至几百片串联在一起形成燃料电池电堆，再由多个燃料电池电堆并联搭建出燃料电池模块。1.1.2燃料电池在船舶上的应用燃料电池早在2003年就开始在船舶上应用，MTUFriedrichshafenGmbH开发了第一个用于推进游艇的PEMFC燃料电池[12]，由四个1.2KW功率的燃料电池模块组成，在后续的实验中该燃料电池被安装在一条12米长的游艇中，速度可达14.8km/h。发展至今燃料电池系统的功率最高已经达到3.2MW[13]，该系统由Havyard集团开发计划安装在一艘122米长的客船上。可见现有的燃料电池技术还不足以支撑大型邮轮作为主动力使用，在可预见的未来里燃料电池最有可能会在观光游乐船、内河航行船或者中型客船中作为主动力使用[14]。在大型船舶中作为辅助动力系统。现阶段燃料电池在中小型船舶的使用/设计案例如下：李峰在其硕士论文中设计的燃料电池客船[7]，该船总体结构如下图所示：图5燃料电池客船结构图Figure5Fuelcellpassengershipstructurediagram该船采用了三层设计，最底部为推进舱和控制舱，内部包括推进电机、变速箱、蓄电池等；中间层为燃料电池舱、乘客舱、控制舱；顶层放置储氢罐、驾驶舱等。该船的额定功率约为4.8MW，根据李峰的设计使用两个相互独立的燃料电池舱室每个舱室使用20台由单独发电功率为124KW的PEMFC模块串联，总发电功率约为2480KW，两个燃料电池舱室联合工作功率可以达到4.9MW。Choi等人[15]建造了一艘质子交换膜燃料电池和锂离子电池混合动力的观光船，其中燃料电池系统可提供56KW的功率，锂离子电池可提供47kWh的能量。该船的设计船速为6.6-7.8km/h。该船的示意图如图6所示：图6混合动力观光船示意图Figure6Schematicdiagramofhybridsightseeingship该船的船尾部分放置了燃料电池系统和推进系统，具体包六种系统组件：燃料电池模块、DC-DC转换器、锂离子电池组、推进系统、氢气储存系统、氢气管路系统。其中燃料电池部分采用了双模块设计，每个模块都可以单独工作提升了事故发生时的容错率；氢气管路系统用到了空气压缩机、加湿器、热交换器、水泵、冷却器、传感器和阀门等；储氢系统采用了14个储氢罐，每个容器可在350bar压力下储存1.79kg氢气，共计可储存25kg氢气，在燃料电池系统最大功率56KW下可达到8小时续航；DC-DC转换器可以将燃料电池系统的DC电源电压提高到所需要的电压水平；锂离子电池用于解决燃料电池系统峰值功率切换时速度慢的问题。另外船尾还设置了三个通风独立的舱室放置系统组件，以防止氢气泄漏大范围扩散。1.2氢气管路布置1.1.1总体结构氢气管路系统可分为四大部分：供气管路、进气管路、加注管路和放空管路/置换管路。供气管路和进气管路负责氢气和空气的供给功能，加注管路负责将氢气从加氢站充注到储氢罐，放空管路用于在设备维修保养时进行氮气置换和出现紧急故障时将氢气泄漏到大气中避免事故加剧。各个管路的连接方式如下图所示：图7氢能源船舶氢气管路连接图Figure7Hydrogenpipelineconnectiondiagramofhydrogenenergyship关于储氢罐的放置位置，结合我国船级社2017年公布的《船舶应用替代燃料指南》规范，以及目前已有的示范船舶可以得出结论，储氢罐的位置应在主甲板以上同时应建立单独的储存舱，且要求具备独立于船舶的通风系统避免储氢罐发生泄漏时氢气逸出到其他舱室。另外储氢罐应加以保护结构以防止船舶在航行时引起的颠簸造成储氢罐的意外损坏。1.1.2系统部件其中各个管路中还需配备多种阀门和传感器。在储氢罐中储存氢气压力会高于燃料电池发电系统所要求的氢气压力，因此在供气管路和进气管路中应配有各式阀门对氢气进行限流、分流、减压、稳压等，包括减压阀、限流阀等。在加注管路中为防止加注氢气回流还应配置止回阀，为保证氢气纯度应配置过滤器。材质选择氢气对部分金属材料会发生氢脆效应，在充满氢气的环境下长时间工作时，氢原子会渗入到材料内部而造成其物理性质发生改变，易发生脆断。在普通钢材、不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料中都会发生氢脆效应。为避免氢气管路中管道发生氢脆现象，氢气管道材料选择时应遵守两个原则：选择含碳量较低的金属，以减小发生氢脆现象的概率；非金属材料应选择具有良好的抗氢渗透性能的材料在供应管路和加注管路中氢气以高压的状态在内部流动，这部分管道材质还应具备输送高压氢气的能力。其设计压力应高于储氢罐的内部压力留出冗余的部分。根据相关标准建议，316/316L材料是最佳的金属材质，不会产生氢脆效应同时可以在高温高压下工作，聚四氟乙烯薄膜是最佳的塑性材料[16]。1.3控制系统燃料电池的控制系统可在其运行时实时监控各个参数，并进行有效的调控，能够使燃料电池平稳的工作[17]。控制系统包括四个部分：氢气控制、空气/氧气控制、系统热量控制、负载控制。氢气控制需要在不同功率下对工作时氢气的压力、温度、流量进行调控，空气控制按照氢气的流量供给足够的氧气，系统热量控制对循环水进行调控使燃料电池保持在正常温度下，负载控制根据船舶所需动力调节燃料电池的输出功率。控制系统中所需要的元部件如下：流量传感器流量控制器压力控制阀压力传感器换热器热电偶加热器功率测试仪燃料电池中工作气体所需的温度、压力、湿度、流量，热量循环，功率调节都在控制系统中完成。控制系统是燃料电池稳定的保证。参考文献[1]王海江.船舶燃料现状及未来清洁燃料发展趋势分析[J].科技创新与应用,2020,(30):10-12.[2]杨庆勇.氢燃料在船舶上的应用分析[J].青岛远洋船员职业学院学报,2020,41(04):41-44+59.[3]曹湘洪,魏志强.氢能利用安全技术研究与标准体系建设思考[J].中国工程科学,2020,22(05):144-151.[4]王赓,郑津洋,蒋利军,陈健,韩武林,陈霖新.中国氢能发展的思考[J].科技导报,2017,35(22):105-110.[5]V.P.

Denisenko,

I.A.

Kirillov,

S.V.

Korobtsev,

I.I.

NikolaevHydrogen-airexplosiveenvelopebehaviourinconfinedspaceatdifferentleakvelocitiesProc.of3ndint.conf.onhydrogensaf

(September2009),pp.

16-18Ajaccio,France[6]deStefanoM,RocourtX,SochetI,etal.Hydrogendispersioninaclosedenvironment[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy[7]李峰.燃料电池客船氢气系统设计与氢泄漏数值模拟研究[D].武汉理工大学,2018.[8]李雪芳.储氢系统意外氢气泄漏和扩散研究[D].清华大学,2015.[9]余照.氢泄漏与扩散数值仿真研究[D].国防科学技术大学,2008.[10]王娜娜.游艇氢燃料电池电力推进系统仿真与优化[D].江苏科技大学,2018.[11]冯娟.船用动力氢燃料电池性能优化研究[D].江苏科技大学,2018.[12]VickiP.McConnell.Now,voyager?Theincreasingmarineuseoffuelcells[J].FuelCellsBulletin,2010,2010(5):.[13]Havyardsetsupforshiphydrogenpower[J].FuelCellsBulletin,2020,2020(12):.[14]ShihaoWang,SichengLi.Designofhighefficiencyenergypowersystemforhydrogenfuelcellcruiseship[J].IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScience,2019,242(4):.[15]ChoengHoonChoi,SungjuYu,In-SuHan,Back-KyunKho,Dong-GugKang,HyunYoungLee,Myung-SooSeo,Jin-WooKong,GwangyunKim,Jong-WooAhn,Sang-KyunPark,Dong-WonJang,JungHoLee,MinjeKim.DevelopmentanddemonstrationofPEMfuel-cell-batteryhybridsystemforpropulsionoftouristboat[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2016,41(5):.[16]MarikoGmbH,PerspectivesfortheuseofhydrogenasFuelinInlandShippingaFeasibilitystudy,InterregDeutschlandNederland,2018.[17]冯玉龙.典型船用氢燃料电池动力系统特性测试分析[D].集美大学,2016.[18]李雪芳,毕景良,柯道友.高压氢气储存系统泄漏的热力学模型[J].清华大学学报(自然科学版),2013,53(04):5