楊敬堡　林丞豐

摘 要：通過對燃料電池系統(tǒng)模塊、燃料電池系統(tǒng)上船的適應性和安全性以及燃料電池相關配套系統(tǒng)的研究，我們看到了氫燃料電池作為船舶電源的良好前景；根據燃料電池系統(tǒng)配置要求，設計出一套能夠應用于船舶的燃料電池系統(tǒng)，并對電堆系統(tǒng)的性能進行測試，展示了電堆系統(tǒng)的性能及待解決的問題。

關鍵詞：燃料電池；電堆；系統(tǒng)設計

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）02-0046-02

1 燃料電池系統(tǒng)

燃料電池是目前最有前途的清潔能源技術之一。它是一種將燃料的化學能通過電化學反應的方式直接轉化為電能的裝置。最為流行的質子交換膜燃料電池（PEMFC）使用純氫作為燃料，釋放電能和熱能，唯一產物為水。由于中間沒有機械能這一轉化過程，整個燃料電池系統(tǒng)沒有移動部件，極少需要維護，而且基本沒有噪音。燃料電池也不屬于熱機，不受卡諾循環(huán)的限制，其電效率一般可達50%以上。如果進行熱電聯(lián)產，系統(tǒng)效率可達85%以上。燃料電池與普通充電電池在結構上類似，區(qū)別在于其燃料由外部供給，只要燃料不斷供應，系統(tǒng)就可以不停地工作，不需要長時間的“充電”。

燃料電池對于燃料的選擇有比較高的靈活性。除了純氫以外，天然氣，甲醇，丙烷等都很容易被轉化為富氫氣體，在通過必要的凈化后輸入燃料電池系統(tǒng)產生電能。雖然碳氫化合物重整系統(tǒng)的加入會使整個系統(tǒng)的效率降低，也會產生一定的二氧化碳排放，但不會產生硫化物，氮氧化物等污染物。

質子交換膜燃料電池目前主要有兩種，一種在較低溫度（-20?C –100?C）范圍內工作，依賴于水來傳遞質子，所以燃料需要加濕，而且容易被燃料中的CO毒化，對CO濃度特別敏感，一般要求小于10ppm。優(yōu)點就是功率密度大，單個系統(tǒng)達到300kW都曾被報道。另一種是在相對高的溫度下工作（100?C–200?C），在這個溫度范圍內，燃料電池內的催化劑抗CO毒化的能力較強，可以忍受3%濃度的CO，遠高于一般重整裝置所產生的富氫氣體中的CO濃度。而且系統(tǒng)結構更簡單，無需加濕。缺點是功率密度偏低，而且由于需要包括隔熱層，單位功率體積比前者要大很多。因此，選擇合適的質子交換膜工作溫度是極其重要的。

2 船用燃料電池系統(tǒng)要求

在船舶航運上的應用，給燃料電池系統(tǒng)提出了一些特殊的要求，比如系統(tǒng)必須要能應付海浪造成的顛簸和搖晃，可能還要預處理鹽分很高的空氣。后者可能需要增加過濾設備，從而增加系統(tǒng)成本。這些需要用戶提出特別的使用環(huán)境及技術要求。另外任何安裝都必須要符合船級社當前的標準和規(guī)定。

用戶需要對系統(tǒng)的體積，重量，功率大小，以及在船上的安裝部位提出要求。

用戶還要對轉化后的交流電的電壓和頻率提出要求。

除燃料外，燃料電池系統(tǒng)必須不依賴中途補充任何其他物質來保證系統(tǒng)的運行，是一個獨立運行的系統(tǒng)。

2.1 存儲系統(tǒng)

燃料的選擇比較靈活，從技術上來說可行的存儲方式有：

（1）金屬氫化物，常壓儲氫方式。最大特點為安全，但是重量儲氫率很低。

（2）液氫，重量和體積儲氫率均較好，但是氫氣液化是一個高耗能過程。

（3）高壓氫氣，最常見的的儲氫方式。氣罐的體積比較大會影響船舶的布局；國內船舶加氫站還沒有，加氫不方便。

（4）天然氣是一個比較傳統(tǒng)的技術，在天然氣豐富的地區(qū)，天然氣制氫是最好的選擇。

下述中將只分析使用天然氣的情況。

2.2 燃料轉化系統(tǒng)

本文研究中將采用天然氣為原料制氫，所以需要燃料轉化系統(tǒng)。天然氣的蒸汽轉化是以水蒸汽為氧化劑，在鎳催化劑的作用下將天然氣轉化為氫氣（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的轉化氣。這一過程為吸熱過程故需外供熱量，轉化所需的熱量由轉化爐輻射段燃燒燃料氣提供。

在鎳催化劑存在下其主要反應如下：

CH4+H2O→CO+3H2+Q

CO+H2O→CO2+H2+Q

2.3 儲能系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)對負載突然變化的響應不如電池，而電池的續(xù)航時間遠不如燃料電池。燃料電池和充電電池組成混合動力系統(tǒng)來取長補短。前者負責基本用電，后者應付峰值用電和負載的瞬間改變，峰值用電結束后前者為后者充電。這樣的配置會大大降低系統(tǒng)的成本。

3 燃料電池模塊設計

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成和原理

船用燃料電池系統(tǒng)主要由安全控制箱、LNG儲罐、氣化器、制氫模塊、緩沖罐、燃料電池模塊、供風管系、排氣管系、排水管系、冷卻管系、緩沖蓄電池組、超級電容、逆變器等部分組成。在安全控制箱的控制下，LNG儲罐中的液化天然氣進入氣化器，變成天然氣之后在制氫模塊轉化為氫氣，再通過緩沖罐的緩沖作用進入燃料電池模塊，在供風、排氣、排水、冷卻等模塊的共同作用下產生電能，經過緩沖蓄電池組、超級電容、逆變器的作用之后輸出。

3.2 燃料電池堆系統(tǒng)原理

30KW燃料電池模塊，由6個5KW燃料電池并聯(lián)而成，其中5KW的燃料電池設計完全一致。燃料電池電堆選擇成熟的產品，為其配套冷卻水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)使其成為一個完整的模塊。水冷系統(tǒng)主要由冷卻水箱、純凈水箱、過濾器、風冷散熱器、冷卻泵及各種閥件組成，為燃料電池進行循環(huán)冷卻?？刂葡到y(tǒng)能接受來自系統(tǒng)各傳感器的信號，并通過上位機操控系統(tǒng)的運行。

3.3 主要設備

燃料電池系統(tǒng)的主要組成設備有：燃料電池堆（30kW）、高壓鼓風機、水泵和氣液分離器、超級電容、功率分析儀、電子負載、防爆風機、燃料電池本體故障檢測儀、制氫裝置、煙霧/熱能探測器、LNG儲罐、氣化器組件、氮氣惰化吹掃裝臵組件、低溫閥件、管件、傳感器及儀表、H2緩沖罐、壓力開關。

（1）燃料電池堆：本設備是燃料電池應用可行性技術研究的關鍵設備，用于H2和O2的反應，并將化學能轉化為電能，是氫燃料電池的核心部件。

（2）高壓鼓風機：本設備是將空氣壓縮至一定壓力送入燃料電池堆反應，為氫燃料電池提供足夠的氧氣參與電化學反應。

（3）水泵和氣液分離器：水泵是為燃料電池系統(tǒng)提供冷卻水，確保系統(tǒng)工作在適當的溫度范圍內；氣液分離器是對冷卻水冷卻系統(tǒng)后進行兩相分離，確保冷卻水系統(tǒng)工作正常可靠。

（4）超級電容：本設備主要用于大功率電子負載啟動時為船舶配電系統(tǒng)穩(wěn)壓，確保燃料電池系統(tǒng)在大功率電子負載啟動時維持穩(wěn)定的輸出電壓，使系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)定。

（5）功率分析儀：本設備主要用于燃料電池系統(tǒng)工作時對輸出功率進行信號收集分析，確保燃料電池系統(tǒng)適應船用負荷的變化要求，滿足相關船用規(guī)范。

（6）電子負載：本設備作為燃料電池系統(tǒng)模擬負載，檢驗系統(tǒng)在各個負載條件下的運行狀況。

（7）防爆風機：本設備主要用于燃料電池系統(tǒng)的安全防護工作。氫燃料電池系統(tǒng)主要采用LNG制氫作為燃料，需要保持足夠的通風條件，以確保系統(tǒng)的工作安全。防爆風機為系統(tǒng)提供滿足規(guī)范的換氣條件。

（8）燃料電池本體故障檢測儀：本設備主要用于燃料電池的故障監(jiān)測和分析，為系統(tǒng)安全運行、故障診斷提供分析依據。

（9）制氫裝置：本設備主要用于燃料電池項目LNG通過催化反應制氫，為燃料電池提供反應氫氣。

（10）煙霧/熱能探測器：本設備主要用于燃料電池系統(tǒng)的安全監(jiān)測和防火。

（11）LNG儲罐：燃料電池項目是利用LNG作為原料制氫，LNG儲罐用于LNG的儲存，為系統(tǒng)提供制氫原料。

（12）氣化器組件：氣化器是將LNG氣化，為LNG制氫提供符合工況要求的CH4。

（13）氮氣惰化吹掃裝置組件：燃料電池項目采用LNG原料制氫，CH4和氫氣均是易燃易爆氣體。氮氣惰化吹掃裝置對管路進行吹掃，確保系統(tǒng)工作的安全。

（14）低溫閥件、不銹鋼管件、傳感器及儀表。燃料電池系統(tǒng)部分管路需采用不銹鋼管路和低溫閥件，相關壓力表、溫度計等測量儀表有特殊要求，同時需對液位、溫度、壓力等參數進行測量，并將相關數據傳輸至控制單元。

（15）緩沖罐：本設備主要用于H2儲存蓄壓，以匹配燃料電池系統(tǒng)的用氫需求。

（16）壓力開關：主要用于燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

4 結論及存在的問題

整個燃料電池上船系統(tǒng)擬分多個步驟進行：天然氣制氫試驗、燃料電池模塊試驗、實船測試等。根據試驗進度安排，我所目前完成了30KW燃料電池模塊系統(tǒng)試驗測試，測試結果如下：

——燃料電池模塊的輸出電壓、電流、功率達到設計要求；

——在3～30kW范圍內，效率變化在10%以內；

——突加突減負荷時系統(tǒng)能迅速響應；

——整體噪聲小于65分貝；（噪聲主要是由風機產生）；

——電池堆的傾斜不影響燃料電池堆的工作，但傾斜角度過大影響冷卻系統(tǒng)的排水。

通過對燃料電池系統(tǒng)模塊、燃料電池系統(tǒng)上船的適應性和安全性以及燃料電池相關配套系統(tǒng)的研究，我們看到了氫燃料電池作為船舶電源的良好前景，同時也清楚了所面臨的眾多挑戰(zhàn)。單純從裝船的角度而言，有下列問題尚待深入研究解決：

（1）30kW燃料電池的氫氣消耗量約為21.6m3/h，而國內僅生產每小時產氫量數百立方米的天然氣制氫裝置，船上采用天燃氣制氫的難度較大，而若通過岸基加注氫氣，則需要解決儲存和加注站建設的問題。

（2）燃料電池系統(tǒng)如果布置在封閉或者半封閉的艙室，則需要采取高度可靠的防爆措施。

（3）天然氣制取的氫氣純度有限，影響到催化劑的效率和壽命。

（4）蒸汽重整制氫中用到的水蒸氣為純水蒸氣，所以需要添加水的凈化處理裝置。

參考文獻：

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注：本文章來自國家科技支撐計劃資助項目，所屬項目： 船舶能效提升與柴電混合動力關鍵技術研究，課題名稱： 高能效江海直達散貨船關鍵技術，項目編號2014BAG04B00