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船舶是国际物流的主要运输工具,柴油机仍是船舶的主要动力设备之一。作为船用柴油机的主要燃料,残渣型燃料油带来一系列污染问题。自国际海事组织强制推行“限硫令”以来,开发低能耗、低排放的新能源船舶成为当前航运业的主要任务。PEM(质子交换膜)燃料电池以氢气作为能量来源,具有可再生、无污染、能量密度高等优点,在清洁能源领域展现出良好的应用前景。当前相关技术研究多集中于陆路交通领域,针对海运环境的特殊性,探究质子交换膜燃料电池电动船舶的可行性显得十分重要。以船舶应用为背景,设计搭建了燃料电池动力船舶实验平台,并针对典型工况开展了下水实验。首先对实验船船体进行了设计,根据船体结构参数进行了推进器选型和燃料电池的匹配,并依托公司进行了实验台的加工。经过多次水上实验,验证了燃料电池在船舶上应用的可行性;同时发现,现有动力系统中的PEM燃料电池不能保持在合理的输出状态,氢气燃料的利用也不够合理。为了保证燃料电池的稳定输出,并实现对氢气燃料更合理的利用,设计了以2kW的PEM燃料电池为主,1kW的Li离子电池为辅的混合动力系统。针对设计的混合动力系统,利用MATLAB/Simulink软件进行了仿真研究。构建了2kW的PEM燃料电池的静态模型,来研究其外输出特性,经过与文献报导的实验数据对比,表明建立的PEM燃料电池模型能够反映其输出特性;进一步分析了不同工作温度以及气体分压对燃料电池性能的影响。为了得到PEM燃料电池的输入、输出特性,在其静态模型的基础上建立了相应的动态模型,得到了在不同输入电流下燃料电池的输出电压与输出功率,并构建DC-DC变换器模型,使得PEM燃料电池的输出电压符合实验船舶的需求。构建了 1kW的Li离子电池辅助动力源模型,并在此基础上为混合动力系统设计了逻辑开关控制策略。本控制策略以Li离子电池的SOC(state of charge)值控制PEM燃料电池的输出功率。当SOC大于0.75时,PEM燃料电池的输出功率为1kW,不足部分由Li离子电池通过放电来支持负载,Li离子电池放电直至SOC小于0.4;当SOC小于0.4时,PEM燃料电池输出功率为2kW,既供应负载需求又为Li离子电池充电,直至Li离子电池的SOC大于0.75。本控制方式既能使PEM燃料电池工作在稳定的输出功率下,同时可以避免出现Li离子电池的过充电与过放电现象,保证了主、辅动力源的使用寿命,并获得了动力系统的稳定输出。