于全虎
(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司 鎮(zhèn)江212003)
目前水運(yùn)業(yè)的CO2排放量約占世界人工因素產(chǎn)生CO2排放量的3%,重油或柴油等石油燃料仍相當(dāng)是船舶燃料的主流,在產(chǎn)生大量CO2的同時(shí)排放相當(dāng)數(shù)量的SOX、NOX和可吸入顆粒物。水運(yùn)和船舶行業(yè)一直在尋求安全高效和清潔低碳的石油替代能源,太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能等可再生能源的船舶試驗(yàn)性應(yīng)用早已開(kāi)展,但由于上述幾類能源固有的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn),限制了其在船舶上大規(guī)模推廣應(yīng)用。LNG應(yīng)用于船舶解決了SOX和可吸入顆粒物的排放問(wèn)題,通過(guò)技術(shù)手段,NOX的排放也能滿足國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)的Tier III標(biāo)準(zhǔn),但是CO2排放量?jī)H比石油燃料降低約20%[1-2]。氫能通過(guò)燃料電池技術(shù)可提供零污染排放的綠色動(dòng)力,是車船動(dòng)力能源變革的重要發(fā)展方向,2017年世界燃料電池總裝機(jī)量達(dá)670 MW,已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3]。
燃料電池將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程不受卡諾循環(huán)限制,效率可達(dá)50%~80%,而船用內(nèi)燃機(jī)的熱效率僅為40%左右[4]。燃料電池可用燃料來(lái)源廣泛,燃燒后排放物清潔不污染環(huán)境,功率規(guī)模可從10-3W(便攜式設(shè)備)到106W(固定式發(fā)電站)量級(jí)。單節(jié)燃料電池的額定電壓通常約0.7 V,滿足大功率工程應(yīng)用則需要數(shù)百節(jié)以上均一性達(dá)標(biāo)的單體電池構(gòu)成電堆。與常見(jiàn)原電池和二次電池不同的是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜,需要由電堆、燃料供給、氧化劑供給、水熱管理和電能管理控制等多套子系統(tǒng)協(xié)同工作,核心部件包含空壓機(jī)、增濕器、氣體循環(huán)泵和燃料儲(chǔ)存裝置等。燃料電池不同于二次電池將活性物質(zhì)一次性封裝在內(nèi)部,其工作燃料采用類似燃油外攜的方式,短時(shí)間即可完成再次充裝,因而燃料電池動(dòng)力交通工具在續(xù)航能力方面幾乎等同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。[5]
燃料電池發(fā)明至今已有百年以上的歷史。1839年,英國(guó)科學(xué)家Grove提出燃料電池原理;20世紀(jì)60年代,燃料電池作為輔電源首次用于美國(guó)阿波羅飛船。燃料電池目前已形成較完整體系:
(1)按電解質(zhì)類別可分為:堿性燃料電池(alkaline fuel cell,AFC),磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell,PAFC),熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell,MCFC),固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC),質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)和直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)。其中,目前尚處于開(kāi)發(fā)階段的DMFC采用全氟磺酸膜做電解質(zhì),工作溫度為室溫至200℃,用于微型移動(dòng)電源。
(2)按燃料類別和反應(yīng)機(jī)理可分為氫型、碳型、氮型和有機(jī)物型燃料電池。以H2、甲醇(CH3OH)、聯(lián)氨(N2H4)、烴類及一氧化碳(CO)等為燃料的燃料電池又稱氫氧燃料電池; 以鋁(Al)、 鎂(Mg)、鋰(Li)和鋅(Zn)等輕金屬為燃料,以O(shè)2作為氧化劑的電池稱為金屬空氣燃料電池,分別為Al-空氣電池、Mg-空氣電池、Li-空氣電池和Zn-空氣電池[6]。2018年,中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所聯(lián)合浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心研制出能量密度545 Wh/kg、容量130 kW h的石墨烯基鋁燃料電池系統(tǒng)[7]。
(3)按工作溫度分為高溫燃料電池(>400℃)、中溫燃料電池和常(低)溫燃料電池。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料電池普遍按電解質(zhì)進(jìn)行分類,下頁(yè)表1列出各種燃料電池的主要性能參數(shù)和特點(diǎn)[8-9]。
加拿大Ballard公司、德國(guó)Siemens公司、德國(guó)Proton Motor公司和芬蘭W?rtsil?公司等廠商,均有船用燃料電池產(chǎn)品并已實(shí)船應(yīng)用。2019年第20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間,中國(guó)船舶集團(tuán)第712研究所展出了RZS-120K型船用燃料電池發(fā)電模塊,見(jiàn)下頁(yè)圖1(a)。其采用水冷PEMFC,額定功率120 kW,體積功率密度200~400 W/L。該發(fā)電模塊可與船用燃料電池監(jiān)控裝置和船用有機(jī)液體制氫裝置(供氫能力4~80 Nm3/h),組成500 kW級(jí)船用氫燃料電池系統(tǒng),見(jiàn)下頁(yè)圖1(b)、(c)。其可用于內(nèi)河游船、港作拖船、渡船、公務(wù)船、科考船、滾裝船及郵輪等。
氫能技術(shù)是指制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)(輸)氫和燃料電池技術(shù)等整個(gè)氫能源應(yīng)用技術(shù)鏈。
自然界一般不存在分子形式的單質(zhì)氫氣(H2),需要利用技術(shù)及工藝手段從含氫物質(zhì)中提取并經(jīng)制備才能獲得。傳統(tǒng)制氫法主要有化石能源制氫、回收提純石化工業(yè)副產(chǎn)品所含H2以及電解水制氫等,新能源制氫技術(shù)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)和核能制氫等。目前全球商業(yè)化H2來(lái)自電解水制氫約4%,化石能源制氫約96%,其他制氫方法占比很小。[10]
表1 按電解質(zhì)分類的各種燃料電池特性
圖1 中國(guó)船舶集團(tuán)第712研究所船用氫燃料電池系統(tǒng)
化石能源制氫法中的煤制氫一段時(shí)間仍是中國(guó)特色的制氫路線,天然氣制氫技術(shù)比煤制氫的CO2排放少,天然氣水蒸氣重整技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)天然氣制氫法[11]。石化副產(chǎn)品回收制氫目前主要供給產(chǎn)業(yè)自用[12]。電解水制氫法主要有:堿性電解水、固體聚合物(solid polymer electrolyte,SPE)電解水、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane,PEM)電解水及高溫固體氧化物電解水法,工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的是堿性電解水法。PEM電解水制氫運(yùn)維簡(jiǎn)單、成本低且已在國(guó)外實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,是我國(guó)需要重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的水電解制氫技術(shù)[13]。高溫固體氧化物電解技術(shù)的效率較高,但目前仍處于研究階段[14]。SPE制氫技術(shù)具備較好的變工況運(yùn)行特性,適于風(fēng)電等間歇性不穩(wěn)定電源,但成本較高且規(guī)模較小限制了其推廣應(yīng)用[15]。太陽(yáng)能制氫是近年來(lái)發(fā)展的制氫新技術(shù),目前主要包括太陽(yáng)能熱分解水、太陽(yáng)光催化(TiO2)分解水、太陽(yáng)光電解水和太陽(yáng)能生物制氫等方法,均長(zhǎng)期處于研究階段。生物質(zhì)制氫主要以秸稈、纖維素、稻殼、動(dòng)物糞便、鋸屑、生物煉制殘留物和造紙廢料等農(nóng)林生產(chǎn)廢棄物及城市垃圾為原料,利用熱化學(xué)法或微生物將原料通過(guò)酶催化反應(yīng)或裂解制氫,還可在PEMEC電解池中通過(guò)電解生物質(zhì)制氫,目前該制氫技術(shù)尚未產(chǎn)業(yè)化[16]。核能制氫是利用核反應(yīng)堆的產(chǎn)熱從含氫化石燃料或物質(zhì)水制備H2,國(guó)內(nèi)外核能制氫除核電電解水制氫技術(shù)外均處于可行性研究或工程驗(yàn)證階段[17]。光伏和風(fēng)電制氫與煤制氫相比成本偏高,目前仍然停留在示范階段。其他制氫技術(shù)還有:CH3OH重整制氫、氨(NH3)催化分解制氫、硼氫化物制氫、化學(xué)鏈制氫和熱化學(xué)循環(huán)制氫等。
儲(chǔ)氫技術(shù)分為物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫和其他儲(chǔ)氫技術(shù)。主要按儲(chǔ)氫的體積和質(zhì)量密度、儲(chǔ)氫成本和安全性等標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣,實(shí)用化儲(chǔ)氫系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到體積儲(chǔ)氫密度40 kg/m3和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度 5%。[18-19]
物理儲(chǔ)氫技術(shù)是指單純改變儲(chǔ)氫的物理?xiàng)l件以提高H2密度并實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存的技術(shù)。該類技術(shù)只有物理變換過(guò)程而無(wú)儲(chǔ)氫介質(zhì)參與,成本較低、易釋放H2,且濃度較高。主要分類為:低溫液化儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和高壓低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。低溫液化儲(chǔ)氫是將H2壓縮后冷卻至-252℃以下液化,并儲(chǔ)存于高絕熱真空容器中。液態(tài)H2的體積密度(70 kg/m3)為氣態(tài)的845倍,液態(tài)儲(chǔ)氫的質(zhì)量和體積密度均大幅優(yōu)于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫,但降溫和保溫過(guò)程能耗高,對(duì)儲(chǔ)罐材質(zhì)要求較高,且需要配套高效絕熱方案和冷卻設(shè)備[20]。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是利用高壓下H2被壓縮到高密度氣態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)存,優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫成本較低、易脫氫、能耗低、工作條件寬松等,目前在儲(chǔ)氫技術(shù)中最常用且發(fā)展最成熟,缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度受壓力(一般<70 MPa)、儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和材質(zhì)限制。高壓低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是在低溫條件下,通過(guò)液氫加壓來(lái)提高儲(chǔ)氫密度的方式,比低溫液化儲(chǔ)氫的揮發(fā)損失少且體積密度更高,但存在安全性和成本等問(wèn)題。
化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)是在特定條件下利用H2與儲(chǔ)氫介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物,用氫時(shí)通過(guò)改變條件釋放H2。主要分類為有機(jī)液體儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫與CH3OH儲(chǔ)氫等,液氨儲(chǔ)氫技術(shù)被視為最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)之一,配位氫化物儲(chǔ)氫密度可達(dá)10.6%左右而極具前景。
其他儲(chǔ)氫技術(shù)有:吸附儲(chǔ)氫、水合物法儲(chǔ)氫、高壓金屬氫化物儲(chǔ)氫以及基于石墨烯、有機(jī)骨架材料和碳納米管等納米材料儲(chǔ)氫技術(shù)。[21]
目前低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)都已得到工程應(yīng)用,其中氣態(tài)儲(chǔ)氫裝置已規(guī)模化商用。
運(yùn)(輸)氫的方式主要有液氫罐車、長(zhǎng)管拖車、管道輸送和液氫運(yùn)輸船等多種類型,通過(guò)專用液氫運(yùn)輸船有利于大量、遠(yuǎn)距離和低成本運(yùn)氫。液氫的運(yùn)輸溫度(-253℃)條件要求比LNG(-163℃)更高,所以液氫運(yùn)輸船的技術(shù)門檻比目前公認(rèn)很高的LNG運(yùn)輸船更高,目前只有日本、美國(guó)和德國(guó)等少數(shù)國(guó)家進(jìn)行相關(guān)研究并取得一定進(jìn)展。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)建造的專用液氫運(yùn)輸駁船儲(chǔ)量為70 t。2019年12月日本川崎重工命名下水全球首艘液氫運(yùn)輸船“SUISO FRONTIER”(下頁(yè)圖2),該船總長(zhǎng)116 m、寬19 m,安裝有Harima Works生產(chǎn)的1個(gè)1 250 m3雙殼真空絕熱液化氫儲(chǔ)罐。[22]
圖2 川崎重工研發(fā)的液氫運(yùn)輸船
目前,燃料電池已在潛艇的不依賴空氣推進(jìn)(air independent propulsion,AIP)系統(tǒng)、民用船舶動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)動(dòng)力系統(tǒng)及備用電源等方面獲得工程或?qū)嶒?yàn)性應(yīng)用。[23]
4.1.1 燃料電池船舶安全性
H2可燃體積密度為4%~74%,爆炸體積密度為18%~59%,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓及0℃下的密度(0.089 9 kg/m3)僅是空氣的7%,在空氣中比天然氣、汽油等具有更大的浮力、更快的擴(kuò)散速度和揮發(fā)性,開(kāi)敞空間中發(fā)生泄漏的H2容易快速逃逸而不會(huì)聚集、滯留[24]。船舶的燃料電池艙是設(shè)置有艙門和通風(fēng)口的相對(duì)封閉空間,內(nèi)部安裝大量為燃料電池供H2的管路,可能的安全性風(fēng)險(xiǎn)是管路內(nèi)的H2泄漏并在艙室內(nèi)擴(kuò)散,若通風(fēng)不及時(shí),極易形成易燃性混合氣體,甚至引發(fā)燃燒和爆炸。
李峰等[25]以美國(guó)高速燃料電池船項(xiàng)目“SFBREEZE”中的某型船(船長(zhǎng)30 m、寬10 m,150客位,見(jiàn)圖3)為研究目標(biāo),對(duì)各種常見(jiàn)通風(fēng)狀態(tài)下H2泄漏后在電池艙內(nèi)的瞬態(tài)擴(kuò)散過(guò)程運(yùn)用Fluent軟件模擬仿真,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制通風(fēng)可將電池艙內(nèi)的H2向其他艙室擴(kuò)散的濃度控制在4%以下,但電池艙內(nèi)的H2濃度仍處于可燃和爆炸范圍,必須準(zhǔn)備好防爆和應(yīng)急措施。
圖3 “SF-BREEZE”項(xiàng)目燃料電池船
4.1.2 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)
燃料電池冷啟動(dòng)困難,自身無(wú)能量?jī)?chǔ)存能力,動(dòng)態(tài)輸出響應(yīng)慢且輸出電壓特性偏軟,可通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)啟動(dòng)和調(diào)峰功能,不僅能彌補(bǔ)燃料電池在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上的缺陷,同時(shí)可延緩燃料電池壽命衰減。李浩等[26]通過(guò)建立PEMFC和儲(chǔ)能裝置構(gòu)成的混合電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明混合電力系統(tǒng)在船舶脈動(dòng)負(fù)載工況下輸出的峰值功率比單獨(dú)PEMFC供電顯著提高,且儲(chǔ)能裝置在負(fù)載脈動(dòng)頻率較高及占空比較低時(shí)可補(bǔ)償PEMFC特性偏軟的缺陷。
“Alsterwasser”內(nèi)河游船(下頁(yè)圖4)2009年完成建造,總長(zhǎng)25.5 m、總寬5.36 m、吃水1.33 m、最大速度8 kn,載客量超過(guò)100人,配備2×50 kW PEMFC燃料電池和120 Ah膠體鉛酸電池。張澤輝等[27]將該船的鉛酸儲(chǔ)能裝置模擬改裝為磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容構(gòu)成的半主動(dòng)式復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng),并對(duì)兩種類型混合動(dòng)力系統(tǒng)在典型工況下進(jìn)行仿真,結(jié)果表明:復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)能更好適應(yīng)各種典型船舶工況,延長(zhǎng)燃料電池使用壽命并提高電力系統(tǒng)能量效率及電能質(zhì)量。
歐盟資助的Methapu項(xiàng)目以瓦錫蘭(W?rtsil?)制造的 250 kW SOFC燃料電池作為船舶輔助動(dòng)力和推進(jìn)動(dòng)力,項(xiàng)目應(yīng)用的滾裝船(圖5)于2003年建造,總長(zhǎng)227.9 m、總寬32.33 m、吃水7.8 m、總噸67 378 t、載重量28 388 t、最大航速19.4 kn。
“Viking Lady”(圖6)原為2006年投入營(yíng)運(yùn)的LNG動(dòng)力海洋平臺(tái)供應(yīng)船,總長(zhǎng)92.2 m、總寬21 m、總噸6 111 t、載重量6 200 t、最大航速10.7 kn。2009年,該船通過(guò)加裝330 kW的MCFC而成為混合動(dòng)力船舶。[28]
2017年7月,由雙體豪華賽艇“Formule Tag”改建的完全依靠可再生能源驅(qū)動(dòng)的氫燃料電池船“Energy Observer”(下頁(yè)圖7)投入航行,該船總長(zhǎng)30.5 m、總寬12.8 m、總重28 t,由太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能和燃料電池構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng),采用推進(jìn)/發(fā)電一體化電機(jī)推進(jìn)。雙面光伏電池作為主動(dòng)力源,2×3 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1只風(fēng)帆利用風(fēng)能,通過(guò)海水淡化和光伏電解制氫,為光伏電不足時(shí)使用燃料電池提供氫源。風(fēng)量充足時(shí)風(fēng)帆在拖曳船航行時(shí)還可利用推進(jìn)器(電機(jī))被水流推動(dòng)提供2~4 kW發(fā)電能力。[29]
圖4 “Alsterwasser”內(nèi)河游船
圖5 Methapu項(xiàng)目滾裝船
圖6 “Viking Lady”混合動(dòng)力海洋平臺(tái)供應(yīng)船
圖7 “Energy Observer”游船
第20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間,中國(guó)船舶集團(tuán)發(fā)布了由廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的氫燃料船舶方案(圖8)。
該船為內(nèi)河自卸貨船,主要航行于珠江內(nèi)河航道,船長(zhǎng)70.5 m、寬13.9 m、型深4.5 m、設(shè)計(jì)吃水3.1 m、載貨量1 600 t、設(shè)計(jì)航速13 km/h、續(xù)航力140 km,主動(dòng)力源采用4×125 kW PEMFC,2臺(tái)電動(dòng)舵槳推進(jìn),另設(shè)1 260 kW h鋰電池組擔(dān)負(fù)調(diào)峰補(bǔ)償,氫燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)采用35 MPa高壓氣瓶組共儲(chǔ)氫280 kg。該船將用于廣東省“綠色珠江”專項(xiàng)工程。
圖8 中國(guó)船舶集團(tuán)的氫燃料船舶方案
國(guó)外燃料電池在船舶上的應(yīng)用起步于20世紀(jì)90年代,國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初才開(kāi)始少量試驗(yàn)性應(yīng)用。基于儲(chǔ)氫和燃料電池技術(shù)構(gòu)建的混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大,但氫能和燃料電池在船舶上推廣應(yīng)用還需關(guān)注相關(guān)問(wèn)題的研究,車載氫燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展可提供良好的技術(shù)參考:
(1)船舶所需電功率較大,現(xiàn)階段船用燃料電池功率一般不超過(guò)350 kW,發(fā)展趨勢(shì)是500~1 000 kW,需求數(shù)量遠(yuǎn)大于車用系統(tǒng)的單體燃料電池集成構(gòu)建大功率電池堆,因此對(duì)單體電池的一致性、電池管理系統(tǒng)和電池堆的散熱等要求高于車用系統(tǒng)。
(2)船舶處于高鹽霧腐蝕和潮濕的海上環(huán)境,鹽蝕性海風(fēng)和極度潮濕的霧氣、船舶振動(dòng)、遭受撞擊等因素可能造成燃料電池堆的損傷,降低其可靠性和有效壽命,嚴(yán)重時(shí)可能造成氫泄漏及非正?;瘜W(xué)反應(yīng)導(dǎo)致燃燒甚至爆炸事故。
(3)目前燃料電池價(jià)格偏高且普遍壽命未超過(guò)5 000 h,與船用柴油機(jī)尚有較大差距,增加了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的初期投資及后期維護(hù)成本;此外,低溫啟動(dòng)較困難等特點(diǎn)也使燃料電池對(duì)船舶應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性較差。
(4)燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較內(nèi)燃機(jī)更慢,在極端海況或緊急工況下可能會(huì)影響航行安全性。燃料電池與內(nèi)燃動(dòng)力、儲(chǔ)能裝置共同構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)能較好彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、冷起動(dòng)性能差的問(wèn)題,對(duì)延長(zhǎng)燃料電池使用壽命也有利。單純?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)僅適于作為小型船舶的主動(dòng)力或大型船舶的輔助電源。
(5)目前碼頭尚無(wú)專用船舶氫燃料加注,專用氫運(yùn)輸船技術(shù)還需深入研究,港口加氫站的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)輸氫的中間成本均高于燃油相應(yīng)加注和運(yùn)輸環(huán)節(jié)成本,船用氫燃料的成本預(yù)計(jì)較高,其對(duì)船舶運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響也不利于燃料電池進(jìn)一步船用推廣。