“三峡氢舟1”氢燃料供电系统设计要点.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.004“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 龙浩楠，刘桂玲，汤文军（武汉长江船舶设计院有限公司，湖北 武汉 430062）摘要：“三峡氢舟 1”是国内首艘入级 CCS 的氢燃料电池动力船舶，其氢燃料供电系统的研发、设计和实船应用是项目建设中的难点。本文通过对“三峡氢舟 1”的发电系统、配电系统、能量管理策略、涉氢设备的布置以及涉氢安全处理措施等设计情况进行分析，解决了氢燃料电池动力船舶氢燃料供电系统应用中的关键问题。关键词：氢燃料电池；能量管理；涉氢设备 中图分类号：U664.1 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0014-05 Design Points of Hydrogen Fuel Power Supply System for San Xia Qing Zhou 1 LONG Haonan,LIU Guiling,TANG Wenjun(Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430062,China)Abstract:San Xia Qing Zhou 1is the first hydrogen fuel-powered ship classified as CCS in China.The research,design and practical application of its hydrogen fuel power supply system are difficult points in the project construction.This paper analyzes the design points of the power generation system,distribution system,energy management strategy,arrangement of hydrogen-related equipment and hydrogen-related safety handling measures of the San Xia Qing Zhou 1.The key problem of hydrogen fuel power supply system for hydrogen fuel cell powered ships is solved.Key words:hydrogen fuel cell;energy management;hydrogen related equipment 0 引言 氢气具有清洁、高效等优点，其燃烧热值也是除核燃料之外，所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。这些优势让氢气成为解决全球能源紧缺和环境污染问题的关键技术之一。以氢气为主要燃料的燃料电池具有零排放、噪声小、能效转换率高、可快速启动等优势，非常适合作为船舶动力使用，因此氢燃料电池作为船舶动力的构想得到了很多国家的重视，美国、日本、欧盟等国家和地区多个大型船运或者商用企业在氢燃料电池船舶上进行了研发投入，启动了多个示范应用项目，其中单个燃料电池最大的功率达到 200kW，国外现阶段船用燃料电池系统功率一般在350kW 以内，正在向 5001 000kW 的燃料电池系统 收稿日期：2023-05-31 作者简介：龙浩楠（1974-），女，湖南人，高级工程师，研究方向为船舶电气及自动化.（）发展。“三峡氢舟 1”是国内首艘满足最新规范要求的氢燃料电池动力船舶，具有高环保性、高舒适性、低能耗、低噪声等特点，交付后将用于三峡库区及两坝间交通、巡查、应急等工作。其氢燃料电池额定输出功率可达到 500kW，是首套获得 CCS 认证的 500kW级氢燃料电池动力系统，其氢燃料供电系统的研发、设计和实船应用是项目建设中的难点，其投入使用为我国后续氢燃料电池船舶的推广提供了重要的理论基础和实践经验。1 氢燃料电池船舶发电系统 1.1 系统组成及功能 氢燃料发电系统采用氢气和空气的电化学反应方式，将化学能转化为电能。氢燃料发电装置主要由第 4 期 龙浩楠等，“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 15 四大单元组成，分别为氢燃料电池电堆、监控单元、辅助单元和外壳。“三峡氢舟 1”的氢燃料电池电堆采用氢空质子交换膜技术，考虑辅机功耗、电力变换功耗、功率余量和可靠性，单个氢燃料电池模块实际输出总功率为 70kW，由 2 套 35kW 的氢燃料电池电堆组成。单个氢燃料电池模块外壳采用集成端板和铝合金壳体。氢燃料发电装置功能框图如图 1 所示。其中，氢燃料电池电堆将氢气与空气中的氧气转化为电能；空压机将空气升压，膜增湿器利用电堆生成水加湿空气；比例阀将氢气减压，氢气循环泵将电堆反应后的残余氢气重新送入电堆，提高了氢气的利用率；巡检板监控氢燃料电池电堆的单节电压；主控制器为系统运行提供工作条件与安全保护控制。氢燃料发电装置内部没有冗余设计，主要是为了追求更高的质量功率密度，尽量简化氢燃料发电装置的组成。图 1 氢燃料发电装置功能框图 Fig.1 Functional block diagram of hydrogen fuel power generation device 1.2 氢燃料电池系统工作流程 氢燃料电池系统的化学能转化为电能的转换流程如下：（1）氢气通过导板到达阳极。（2）在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：H22H+2e。（3）在电池的另一端，氧气或空气通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H+2e+H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2=H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向氢燃料电池阳极和阴极供给氢和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。“三峡氢舟 1”氢气以 35MPa 高压气态形式储存，从高压氢气瓶组出来的高压氢气经减压阀组减压后由管路输送至氢燃料电池模块，同时燃料电池模块所需空气通过空气管直接从位于气体安全处所的室外抽取，由机带专用空气过滤器过滤后，进入燃料电池电堆中与氢气进行电化学反应，参与反应后的废气和生成水直接排出舷外水线以上。氢燃料电池工作为船舶电网提供电能，没有完全消耗的氢气进入排气系统后排出舷外水线以上；整个工作过程由氢燃料电池控制系统控制，由氢燃料电池安全保护系统保护安全运行，电力输出调节装置调节输出电力，氢燃料电池装置与电网隔离，同时电网接入储能装置，可回收多余电量，并保证氢燃料电池失效时为船舶提供电能。1.3 氢燃料电池产品参数 氢燃料电池产品参数见表 1。表 1 氢燃料电池产品参数 Tab.1 Hydrogen fuel cell product parameters 参数 数值 输出额定功率 70kW 输出电压 200380VDC 输出电流 0400A 输入高压直流电源功率 12kW 输入高压直流电源电压 450750VDC 输入低压直流电源功率 0.6kW 输入低压直流电源电压 24VDC 氢气供给压力 0.50.7MPa 氢气额定消耗 1.15g/s 发电效率 45%防护等级 IP65 1.4 船舶主电源的设置 中国船级社（CCS）在船舶应用燃料电池发电装置指南中提到：若船舶配置了燃料电池发电装置和主发电机组或动力电池，燃料电池发电装置可作为船舶主电源的组成部分向全船电气设备供电，并可申请 FC-POWER1 附加标志。因此，燃料电池系统只要满足规范要求的安全性和可靠性，能向全船用电设备稳定供电，可等效于船舶主电源的组成部分。由于燃料电池价格昂贵，在船上布局多组氢燃料电池动力系统将极大增加船舶建造初始费用负担，另外，氢燃料电池的发电过程为化学反应，其特殊的结构特点造成响应速率慢、短路和过载承受能力差等问题，燃料电池不具备自启动能力，氢燃料电池系统的突增突减负荷响应特性较差，通常需要配备储能装置作为辅助启动设备来负责“削峰填谷”，且在船舶最大航速工况时，船舶动力系统对电力需求非常大，仅仅依靠氢燃料发电系统不能满足需求，为提高系统的稳定性和灵活性，“三峡氢舟 1”采用混合动力系统，配置 2 套独立的氢燃料电池系统，每套由 4 组 70kW 氢16 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 燃料发电装置组成，氢燃料电池系统最大发电功率为500kW；另配置 2 组独立的锂电池组，每组电池903kW h，每组电池由 6 簇电池簇并联组成，锂电池动力系统能提供最大约 900kW 的总功率。采用氢燃料电池组与锂电池组共同组成船舶主电源：燃料电池组设有控制系统，锂电池组设有 BMS管理系统，直流配电系统采用 EMS 管理系统，可以有效满足规范对船舶主电源的相关要求。2 氢燃料电池船舶配电系统 2.1 船舶配电系统的设置“三峡氢舟 1”配电系统分为直流配电系统和交流配电系统，具体如表 2 所示。表 2 配电系统设置 Tab.2 Power distribution system settings 名称 参数 备注 直流配电板 推进控制屏&逆变电源屏 1 屏 锂电池输入屏 2 屏 氢燃料电池输入屏 2 屏 母联&充电屏 1 屏 列出为单块直流配电板的设置，左右舷直流板配置相同，内含能量管理系统。隔离变压器 AC400V/400V、100kVA2 只 交流配电板 AC380V、AC220V，2 屏 照明变压器 AC400V/230V、40kVA2 只 直流配电板分为左、右舷两部分，每块直流配电板通过 DC/DC 模块接入 6 个锂电池簇和 4 个氢燃料电池模块。氢燃料电池模块和锂电池簇通过DC/DC变换器在直流母线侧进行并网。“三峡氢舟 1”的电力系统结构见图 2。图 2 电力系统单线图 Fig.2 Single line diagram of power system 直流主配电板集成了直流配电、直流保护、充放电控制、变频驱动及逆变电源（日用负荷逆变供电）等功能。2.2 功率和能量的分配模式及控制策略 2.2.1 氢燃料电池+锂电池混合动力模式 氢燃料电池动力船舶需要根据实时功率需求，综合考虑各动力源的输出特性与整船动力性、操纵性之间的匹配关系，自动选择最优的动力分配策略、合理设置各氢燃料电池和锂电池的投入和撤出时序，以及两种电池输出功率的配比。“三峡氢舟 1”的能量管理系统控制对象为氢燃料电池系统、锂电池系统和直流配电板。根据航行工况，实时控制氢燃料电池发电系统以及锂电池系统的工作状态。由于“三峡氢舟 1”直流配电系统 2 段母排独立运行，本文分析均为单侧设备的分析说明，具体分析工况如下：（1）船电启动阶段 船电启动阶段，顺序启动锂电池组锂电池DC/DC逆变电源直流配电辅助风机水泵，此时船电就绪。氢燃料电池系统根据能量管理系统指令，启动氢燃料电池辅助系统，辅助系统就绪后发送就绪状态至能量管理系统。此阶段，单侧全部 6 簇锂电池投入，由锂电池提第 4 期 龙浩楠等，“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 17 供全船用电，3 台锂电池 DC/DC 变换器（每两簇电池共用一个 DC/DC）并联工作，运行在恒电压模式，提供稳定的直流电压源至直流母排，DC/DC 均流给定通过能量管理系统计算单侧日用负荷大小，平均分配到每个 DC/DC，确保电池簇放电一致；单侧日用逆变电源运行在恒压恒频模式，提供船上 380V/220V/50Hz交流用电。（2）巡航工况 根据电力负荷计算，巡航工况下，全船负载总功率小于氢燃料电池系统可提供的最大功率。氢燃料电池系统根据能量管理系统指令自动投入运行并作为主用电源对外供电，锂电池组始终在网并用于稳定母线电压，使氢燃料电池始终处于较平稳的运行工况。此工况下，全部 4 套发电模块投入，氢燃料电池系统（配合 4 台氢燃料电池 DC/DC 变换器）处于电流控制模式，根据能量管理系统计算的负载功率大小实时调节氢燃料电池输出电流（发电功率）；6 簇锂电池全部在网，3 台锂电池 DC/DC 处于恒电压模式，用于稳定直流母线电压。当电力负荷增加时，能量管理系统计算需求功率增加，氢燃料电池系统根据能量管理系统功率给定指令，增大输出电流，能量管理系统同时监测负荷加载速率。当负荷加载速率大于氢燃料电池加载反应速率且小于氢燃料电池及锂电池的总功率时，锂电池对外放电，用于补充超过氢燃料电池系统所能提供的功率；当负荷加载速率大于氢燃料电池加载反应速率和锂电池能提供的最大功率时，触发系统功率限制，降低推进负荷，从而避免锂电池系统过载。当电力负荷减小时，能量管理系统计算需求功率降低，氢燃料电池系统根据能量管理系统功率给定指令，降低输出电流，能量管理系统同时监测负荷减载速率。此时，由于氢燃料电池系统调节速率慢于负载变化率，直流母线电压升高，锂电池 DC/DC 处于恒压限流模式，通过电能回馈稳定直流母线电压，电池处于充电状态；当负荷卸载速率过大导致回馈能量超过锂电池及 DC/DC 允许的最大能力时，能量管理系统将调节推进负荷，避免锂电池系统过充。（3）高速工况 高速工况下，由于氢燃料电池总功率不足以提供全船电力负荷用电，全船负荷由氢燃料电池和锂电池同时供电。此时，氢燃料电池系统运行在电流模式下，提供最大输出电流；锂电池组经过 DC/DC 后运行在恒压模式，稳定直流母线电压的同时根据实时负荷大小提供超出氢燃料电池系统所能提供的功率。此工况下，全部 4 套发电模块投入运行，氢燃料电池发电模块处于满功率运行状态，氢燃料电池系统（配合 4 台氢燃料电池 DC/DC 变换器）处于电流控制模式；全部 6 簇锂电池投入，3 台锂电池 DC/DC 变换器（每两簇电池共用一个 DC/DC）并联工作，运行在恒电压模式。2.2.2 纯锂电池模式 当氢气耗尽或者氢燃料电池系统故障时，本船自动切换为纯锂电池动力模式。此模式与常规纯锂电池动力船舶一致，“三峡氢舟 1”配置 1 806kW h的锂电池系统，分 2 套独立电池组分别给 2 段直流母排供电。此模式下，单侧全部 6 簇锂电池投入，由锂电池提供全船用电，3 台锂电池 DC/DC 变换器（每两簇电池共用一个 DC/DC）并联工作，运行在恒电压模式，提供稳定的直流电压源至直流母排，DC/DC 均流给定通过能量管理系统计算单侧日用负荷大小和推进功率大小，平均分配到每个 DC/DC，确保电池簇放电一致；单侧日用逆变电源运行在恒压恒频模式，提供船上 380V/220V/50Hz 交流用电。能量管理系统将根据在网电池簇以及 DC/DC 数量所能提供的最大功率实时限制推进功率，避免锂电池过载，同时当电池电量低时发出报警。2.3 能量管理对电力系统的保护 能量管理系统可对配电板内各主要断路器进行监测和控制。根据氢燃料发电装置试验报告，等效发电机组特性试验中，辅助锂电池容量为 100kW h，本船单侧配置 6 簇锂电池，每簇锂电池电量 150.5kW h，因此只需 1簇锂电池在网时即可保证氢燃料电池系统正常运行；当单侧全部锂电池簇故障时，由于无法稳定母线电压以及氢燃料电池辅助供电，氢燃料电池系统将保护停机，此时单边直流母排失电。余下一套氢燃料电池系统和单组锂电池组不受影响，仍能保证船舶安全航行和最低舒适生活条件供电需求。氢燃料发电装置活动部件主要为空压机及氢气循环泵等风机泵类部件，单一故障仅造成单个故障发电装置停机，其他 7 个发电装置仍正常工作，因此不会导致重要设备失电。氢燃料发电装置自身根据故障等级，在低风险情况下仍保持正常工作不会降低发电能力；当发生停机故障时，氢燃料电池发电系统将直接停机。同时作为主电源的锂电池组不受影响，仍能保证船舶安全航行和最低舒适生活条件供电需求。任一氢燃料电池发电系统故障停机，最严重情况下单套燃料系统停机，余下一套氢燃料电池系统正常工作，同时作为主电源的锂电池组不受影响，仍能保证船舶安全航行和最低舒适生活条件供电需求。18 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 在启动、失电恢复运行和瘫船启动时由锂电池组提供所需的电源及动力。3 涉氢设备布置 3.1 氢气系统相关设备布置“三峡氢舟 1 号”氢气存储采用当前最为成熟的储氢技术高压气态储氢。船上采用 35MPa 高压氢气瓶组作为氢气储能设备，配置 32 个储气瓶，单瓶320L（可储存约 7.8kg 氢气），氢燃料总储能约4 000kW h，置于主甲板尾部氢气瓶间。受限于氢气的储存密度，目前高压储氢技术还无法满足常规船舶对于燃料续航力的要求。加氢站能为氢燃料船舶源源不断补充燃料，提高续航力。目前，为“三峡氢舟 1”配套建造的宜昌杨家湾制氢加氢一体站已在竣工验收阶段，该加氢站采用具有发展前景的 PEM 电解水制氢的绿氢制取技术，初期制氢能力可达 200Nm3/h，可根据加氢末端供应需求增加制氢设备提高制氢能力。氢气本身属于易燃易爆气体，在空气中爆炸极限范 围 较 宽（4.1%74.2%），且 其 点 火 能 较 高（0.019mJ）、火焰速度较快（2.7m/s），法兰、阀门等处如发生泄漏，与空气混合形成爆炸混合物，遇到明火、高热等点火源就会引起燃烧爆炸。针对氢气的上述特点，“三峡氢舟 1”在涉氢舱室及氢气管路等布置时，采取如下措施防止氢气泄漏：（1）在氢气瓶间，除各氢气瓶必要的瓶头和瓶尾阀外，供氢总管减压阀组件及至燃料电池的阀件附件等均布置在氢气阀箱内，尽可能减少分散布置在氢气瓶间的阀件附件及管路接头，减少氢气泄漏源。（2）各燃料电池模块采取整体封闭式壳体结构，防止氢气外漏；燃料电池模块壳体单独设置有模块通风系统，每个模块设有进风和抽风口，通风从进口进入燃料电池模块，内部依次从非氢区流向氢区，下进上出，防止氢气积聚，最后从燃料电池模块通风出气口排出。（3）在燃料电池舱内，设有燃料电池 FC 阀箱，其内布置有各燃料电池模块氢气进出口阀件、滤器等；尽可能将氢气管路必要的阀件、接头等布置在 FC阀箱内，减少燃料电池舱内氢气泄漏风险；（4）在氢气瓶间氢气阀箱和燃料电池舱内 FC 阀箱间的氢气管路采用双壁管，即供气管路安装在通风导管内，供气管路和通风导管之间的空间设置负压机械通风系统，通风能力为每小时至少换气 30 次。（5）燃料电池舱内部设有氢气泄漏监测系统，燃料电池舱结构形状应尽可能地避免可燃气体积聚。燃料电池舱上部不应有任何阻碍结构，梁和加强筋之类的支撑结构布置在外部。3.2 涉氢舱室通风、氢气管路放散造成的危险区域“三峡氢舟 1”氢气加注站、燃料电池供氢双壁管、阀箱、氢气瓶间等危险区域的通风进出口及高压、低压氢气的放散管出口等布置位置均会带来一定范围的危险区域。为缩小上述涉氢出口带来的危险区域，实船设计时将上述造成危险区域的出口集中设置在顶棚甲板、主甲板尾部及游步甲板尾部，远离船上人员生活及工作区域。“三峡氢舟 1”为双体交通船，舱底左右片体各设有一个燃料电池舱。燃料电池舱通常按规范要求被视为 1 区，其内所有电气设备应为适用于 1 区的合格防爆型设备。本船为了最大限度地减少燃料电池处所发生气体爆炸的可能性，舱内尽量减少氢气泄漏源，采用 FC 阀箱布置，尽量减少燃料电池舱内氢气接头数量。假定在燃料电池舱能达到最佳的通风条件，对燃料电池舱内有限的释放速率，舱内通风量越大，危险区域的范围就越小，当通风量足够大时，可使其缩小到忽略不计，变成非危险处所。按照上述方法，“三峡氢舟 1”每个片体燃料电池舱均设置 2 台有足够风量的抽风机，抽风机风量按照CCS 认可的标准 IEC60079-10-1 爆炸性环境-第 10-1部分：区域等级-按区域等级的爆炸性气体环境 计算，相对于释放源，本船燃料电池舱通风可视为高级通风。燃料电池舱通风量计算覆盖燃料电池内所有释放泄漏源，且舱内所有释放源的等级界定应满足IEC60079-10-1 要求。4 结语“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计的重难点为涉氢设备的布置、危险区域的控制、氢电和锂电能量管理等，通过技术攻关及实船验证，相关技术难点都已基本得到解决。“三峡氢舟 1”作为国内首条内河入级CCS 的氢燃料动力船，其成功研发、建造及实船应用将为氢能船舶的应用发展带来引领示范效应。参考文献：1 刘彦呈,曾宇基,尤石,等.氢燃料电池船舶直流综合电力系统研究及应用J.供用电,2022,39(1):8-16,46.2 周引平,陶如豪,胡志芳,等.氢燃料动力船舶在三峡河段的应用J.船电技术,2022,42(6):9-12.3 陶海平.库区小型船舶用氢燃料电池进行改造的可行性研究J.中国水运,2019,19(8):116-118.4 毛宗强,等.氢安全M.北京:化学工业出版社 2020.5 周忠亮.采用氢燃料电池系统作为船舶主电源的设计J.广东造船,2023.(1)74-76+70.