国内船用氢燃料电池实例解析.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.007 国内船用氢燃料电池实例解析 李 俊，付树木（中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430000）摘要：本文介绍了氢燃料电池的工作原理及工作特性，其作为船舶主电源（或主电源组成部分）的特殊要求及相应实现方法，通过对“三峡氢舟 1”氢燃料电池发电装置的实例解析，为国内氢燃料动力船舶的全面推广提供了借鉴。关键词：氢燃料电池；氢燃料电池发电装置；特殊要求；“三峡氢舟 1”中图分类号：U664.1 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0026-04 Analysis of the Marine Hydrogen Fuel Cell in China LI Jun,FU Shumu(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan Hubei 430000,China)Abstract:This paper introduces the working principle and working characteristics of hydrogen fuel cell,and the special requirements and solutions of the main power supply(or the main power supply).Through the example analysis of the hydrogen fuel cell power generation device of San Xia Qing Zhou 1,it provides experience and reference examples for the comprehensive promotion of hydrogen fuel powered ships.key words:hydrogen fuel cell;power generation device of hydrogen fuel cell;special requirements;San Xia Qing Zhou 1 0 引言 为了贯彻落实国家“碳达峰、碳中和”重大决策部署、响应国家绿色发展战略、推动区域交通航运产业绿色转型，加快推进长江新能源船舶先行示范建设，长江三峡通航管理局、712 所、中国船级社等单位，共同开展氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟 1”（图 1）研发建造工作1。图 1 “三峡氢舟 1”氢燃料电池动力示范船 Fig.1 San Xia Qing Zhou 1 hydrogen fuel cell power demonstration ship 收稿日期：2023-05-29 作者简介：李俊（1978-），男，湖北孝感人，硕士，高级工程师，研究方向为船舶建造检验及营运检验.（jun_）“三峡氢舟 1”采用氢燃料电池和锂电池动力系统，为钢铝复合结构，总长 49.9m，型宽 10.4m，型深 3.2m，采用全回转舵桨推进，氢燃料电池额定输出功率 500kW，最高航速达到 28km/h，续航里程可达 200km，具有高环保性、高舒适性、低能耗、低噪声等特点。本船主要在三峡库区航行，可通过三峡升船机，按内河 B 级航区、J2 级航段进行设计，用于三峡库区及两坝间交通、库区巡查、临时应急等工作，是国内氢燃料电池动力船舶从无到有的重要突破。1 氢燃料电池概述 1.1 氢燃料电池的概念 氢燃料电池是将氢气及氧气的化学能转变成电能的装置。氢燃料电池发电是一种等温的电化学方式、不经过热机的过程，不受卡诺循环的限制。第 4 期 李俊等，国内船用氢燃料电池实例解析 27 1.2 氢燃料电池的原理 燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由阴极、阳极、电解质溶液、外部电路四部分组成，燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。阳极燃料气释放电子，形成阳离子，电子在外电路的作用下传导到阴极与氧气发生还原反应生成阴离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流2。氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，电极如下：负极：H2+2OH2H2O+2e；正极：1/2O2+H2O+2e2OH；电池反应：H2+1/2O2H2O。燃料电池系统不仅包括燃料电池本体，还应该拥有反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等辅助系统，这样，燃料电池方可正常工作。通常的燃料电池由电解质板、两侧的燃料极（阳极）和空气极（阴极）及两侧气体流路构成，气体流入的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。典型的氢燃料电池由流场板、电极、催化剂、质子交换膜以及氢气和氧气构成，图 2 为氢燃料电池的原理图。图 2 氢燃料电池的原理图 Fig.2 Schematic diagram of hydrogen fuel cell 2“三峡氢舟 1”氢燃料电池应用解析 2.1“三峡氢舟 1”动力系统组成 本船动力系统包含燃料电池组、动力锂电池组、直流配电系统、推进遥控系统、自动化系统和电池充电系统，具体见图 3。图 3 动力系统单线图 Fig.3 Single line diagram of power system 主要参数如下：推进方式：双舵桨推进；燃料电池：500kW；锂电池：1 806kW h；推进功率：2 500kW；日用负荷：76.3kW。28 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 本系统采用左右舷独立分区供电的系统结构。左右供电和推进支路应完全独立，当一套支路发生故障时，余下一套支路仍可以正常运行。其中，燃料电池组和锂电池组提供本船推进和日用供电，配电完成全船的供配电，推进系统直接负责本船的动力。动力电池组通过直流配电板向全船供电，母线电压 DC640V。推进电机由推进逆变器驱动。全船日用负荷由电源逆变器提供 AC400V 交流电。2.2 氢燃料电池发电装置组成 氢燃料电池发电装置组成如图 4 所示，包含供氢系统、氢燃料发电系统、水热管理装置、电控系统和外围设备，其中供氢系统分为供氢控制系统和高压气瓶组；发电系统（见图 5）包括发电模块和控制系统；电控系统包含监控系统和安全系统；外围设备包括氢浓度传感器、火焰探测器等。图 4 燃料电池发电装置组成 Fig.4 Composition of fuel cell generator 图 5 氢燃料电池发电系统 Fig.5 Hydrogen fuel cell power generation system 供氢控制系统布置在主甲板的氢气瓶控制柜间，高压气瓶布置在主甲板的氢气瓶间，氢燃料发电系统和水热管理装置位于左右燃料电池舱，电控系统位于值班室。氢气瓶间依据规则“5.3.2 气体危险区域3”为 1 区；采用通风处理，经过燃料电池舱危险区域评估，燃 料 电 池 的 通 风 有 效 性 视 为 良 好，根 据IEC60079-10-14，燃料电池舱可视为安全区。2.3 氢燃料电池的特性与特殊要求 2.3.1 氢燃料电池的特性 氢燃料电池虽然有能量转化效率高、环境友好、运行可靠、噪音小、寿命长的优点5，但也有动态响应能力较差，反应慢的缺点6。由于氢燃料电池输出功率的大小是通过调节氢燃料及空气进气量来进行控制的，其控制原理与内燃机相似，气体在管路中流动，在燃料电池中进行反应是需要一定时间的。712 所对 70kW 燃料电池发电装置功率输出响应试验（图 6）的结果是：最低功率到额定功率耗时 42s，额定功率到最低功率耗时 23.6s；所以其响应速度相对较低，动态响应能力较差。这样的性能指标不能满足氢燃料电池发电装置作为船舶主电源的要求。图 6 70kW 功率输出响应试验图 Fig.6 70kW power output response test diagram 2.3.2 氢燃料电池的特殊要求 如果解决了氢燃料电池动态响应能力差问题，结合氢燃料电池零污染、输出平稳、运行可靠的特性，氢燃料电池是非常优良的船舶电源。为了解决此难题，氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则的“5.2.2 氢燃料电池发电装置作为船舶主电源（或主电源组成部分）的特殊要求3”提出了具体要求，除电能质量（电压和频率偏差、谐波及纹波）常规要求外，还提出燃料电池作为主电源或主电源的组成部分的许可和前提条件，其具有与发电机组同等的性能水平。解决方法是结合燃料电池与蓄电池各自的优点，把燃料电池系统和蓄电池系统组合在一起，电电联合，通过蓄电池起到快速响应能力，也起到削峰填谷的作用7，燃料电池又能够提供源源不断的电能，满足船舶主电源的性能标准。因此氢燃料电池发电装置第 4 期 李俊等，国内船用氢燃料电池实例解析 29 会配备改善动态响应能力的电池组，应选择容量不少于产品证书中注明的同种类型的电池组，并在产品证书中注明“已完成等效发电机组特性的附加试验”的字样，“三峡氢舟 1”燃料电池发电装置（证书编号/Certificate No.WH22PPS01632_03）的系统总功率曲线图见图 7，等效发电机组特性试验见图 8。有多组氢燃料电池发电系统时，应考虑汇流排分段运行，确保每一段汇流排上蓄电池组具有足够的容量燃料电池的选型，以及独立作为主电源的法规符合性问题。本船直流配电系统正常情况下左右 2 段母排分区供电，每段排上由 4 组 70kW 氢燃料电池发电装置和 6簇锂电池组并联供电，并且锂电池组与氢燃料电池发电系统产品证书中注明的同种类型，容量远大于等效发电机组特性所需的电池组容量，完全满足规则“5.2.2 氢燃料电池发电装置作为船舶主电源（或主电源组成部分）的特殊要求”3。图 7 500kW 燃料电池发电装置总功率曲线图 Fig.7 Total power curve of 500kW fuel cell power plant 图 8 500kW 等效发电机组特性试验-母线电压（V）Fig.8 Characteristic test of 500kW equivalent generator set-bus voltage(V)根据实船验证，“三峡氢舟 1”的氢燃料电池发电装置满足设计要求。在能量管理系统（EMS）控制下，对两种供电电源进行合理调配：在正常航行时以氢燃料电池作为主动力，锂电池组用于稳定母线电压，为了保证船舶动力系统的平稳运行，同时使氢燃料电池始终处于高效率、最佳寿命运行工况，确保供电安全；在经济航速下，氢燃料电池发电装置依据船舶总用电需求和当前锂电池剩余容量 SOC 来实时调节燃料电池系统输出功率，实行经济高效；在高速航行工况下，由氢燃料电池和锂电池并联供电，氢燃料电池系统提供最大输出功率，锂电池补充超出部分功率。在氢气消耗完后燃料电池系统将停止工作。3 结论 本文介绍了氢燃料电池的工作原理，工作特性，其作为船舶主电源（或主电源组成部分）的特殊要求及实现方法，通过对“三峡氢舟 1”的氢燃料电池发电装置进行实例解析，为国内氢燃料动力船舶全面推广提供了经验，为我国氢燃料电池船舶商业化提供了借鉴样例，为国家船舶工业转型升级起到推动作用。参考文献：1 氢能局.国内首艘氢燃料电池动力工作船正式转入建造阶段J.上海节能,2022,(5):601.2 隋智通,等编著.燃料电池及其应用M.北京:冶金工业出版社,2004.3 中华人民共和国海事局.氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则 2022Z.北京:中华人民共和国海事局 MSA2022 年第 2 号公告,2022.4 IEC60079-10-1,爆炸性环境-第10-1部分:区域分级-按区域等级的爆炸性气体环境S.5 衣宝廉.燃料电池原理技术应用M.北京:化学工业出版社,2003.6 毛宗强,等编著.燃料电池M.北京:化学工业出版社,2005.7 高勇,王振,徐增师,等.一种船用燃料电池发电模块及其安全工作方法:202011489495.1P.中国,2020-12-17.8 徐纪伟.船用燃料电池动力系统研究设计D.无锡:中国舰船研究院,2011.