范 晶，陳思安，余 猛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

工業(yè)新能源使用已經(jīng)成為當(dāng)下社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要舉措，為了讓工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，利用清潔的電能源成為了工業(yè)生產(chǎn)中的主方向[1]。電能源的應(yīng)用除了在民品方向的使用，進(jìn)年來(lái)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用逐漸增加，這也是目前研究較為火熱的方向。軍事領(lǐng)域常見(jiàn)的電能源通常以市電作為主電源，以多種功率柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用發(fā)電系統(tǒng)，形成主－備共存的用電保障模式。但由于柴油發(fā)電機(jī)組在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫、高熱、噪聲、振動(dòng)、煙霧及電磁輻射，不但對(duì)部隊(duì)人員的工作環(huán)境造成不利影響，而且容易造成洞庫(kù)口部暴露，因而需要配備專門的冷卻和除煙系統(tǒng)，以緩解給陣地新風(fēng)系統(tǒng)造成較大壓力[2]。此外柴油發(fā)電機(jī)組免維護(hù)周期短，保障性差，為保證其處于正常的值班狀態(tài)，需要一周至半個(gè)月進(jìn)行一次例行啟動(dòng)，給部隊(duì)增加了額外的工作負(fù)擔(dān)。柴油發(fā)電系統(tǒng)能量利用率不高，產(chǎn)電質(zhì)量和變載能力較差，不易于進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)今后陣地高標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)急用電需求。因此，迫切需要一種新型的陣地備用發(fā)電系統(tǒng)作為現(xiàn)有柴油發(fā)電系統(tǒng)的必要補(bǔ)充。

燃料電池作為新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有較高的能量密度，不僅發(fā)電效率高，而且工作溫度接近常溫，紅外隱身性能好，對(duì)冷卻系統(tǒng)的保障要求低，工作過(guò)程無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)煙霧，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)造成壓力小等優(yōu)勢(shì)；可以進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，能夠有效提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。因此，中大功率燃料電池系統(tǒng)能夠作為現(xiàn)有備用電源的有效補(bǔ)充手段，也具有替代傳統(tǒng)柴油發(fā)電系統(tǒng)的巨大潛力。目前常見(jiàn)的燃料電池電站能源按照大類可分為固定式電站與移動(dòng)式電站。但是，固定式電站的建設(shè)周期長(zhǎng)、地理位置不靈活、需要征地和建設(shè)大量基礎(chǔ)設(shè)施，因此建設(shè)移動(dòng)式電站系統(tǒng)是解決這些問(wèn)題的有效途徑[3]。

1 移動(dòng)式電站研究現(xiàn)狀

開(kāi)發(fā)移動(dòng)式電站對(duì)于行業(yè)內(nèi)去產(chǎn)能、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等都具有深遠(yuǎn)意義。目前移動(dòng)式電站在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用，各種示范性項(xiàng)目也在不斷的推進(jìn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在國(guó)外軍用和民用領(lǐng)域開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)推廣階段。目前，燃料電池產(chǎn)品功率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從瓦級(jí)到兆瓦級(jí)的全覆蓋[4]。

由于燃料電池移動(dòng)式電站具有離網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定供電、隱蔽性好、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)國(guó)防部從1994 年開(kāi)始在30 余個(gè)基地安裝采用天然氣重整制氫的燃料電池移動(dòng)式電站發(fā)電系統(tǒng)，有力保障了部隊(duì)基地的可靠供電。2010 年，美國(guó)利用SOFC 發(fā)電作軍用移動(dòng)式電站及分布式電站，發(fā)電功率等級(jí)可從2 kW 至60 kW，并可實(shí)現(xiàn)模塊化組合發(fā)電[5]。2017 年，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心演示了使用SOFC 混合動(dòng)力裝置的過(guò)程。結(jié)果表明移動(dòng)式電站能支持三種模擬負(fù)載特性，已具備可取代柴油輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

圖1 美國(guó)SOFC 燃料電池移動(dòng)式電站

美國(guó)燃料電池公司Atrex 系統(tǒng)公司，研發(fā)的5 kW 管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)，由于其良好的移動(dòng)式性能，不受地形及位置的影響，因此可為偏遠(yuǎn)山區(qū)、基地等做備用電源。

圖2 Atrex 公司移動(dòng)式燃料電池備用電源

美國(guó)Delphi 公司在輔助動(dòng)力裝置研究方面的水平是屬于全球領(lǐng)先，該公司已研發(fā)出1.5kW 和9kW SOFC 電堆。其開(kāi)發(fā)的5kW SOFC 輔助動(dòng)力裝置已被成功地引進(jìn)到機(jī)動(dòng)車設(shè)備中，得到了實(shí)際的使用。

美國(guó)燃料電池公司Redox Power 系統(tǒng)公司，研發(fā)的25 kW SOFC 發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)54%，通過(guò)發(fā)電系統(tǒng)的模塊串聯(lián)擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)百千瓦級(jí)SOFC 獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 美國(guó)Delphi 公司燃料電池電站產(chǎn)品

圖4 美國(guó)Redox 公司移動(dòng)式燃料電池電站

英國(guó)Ceres Power 公司研發(fā)的金屬型SOFC，已開(kāi)發(fā)出5～10 kW 單模塊電堆，30～100 kW 級(jí)SOFC 發(fā)電系統(tǒng)，與博世、濰柴、斗山、AVL 等公司推廣SOFC 在電站、船舶等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始規(guī)模化應(yīng)用。

圖5 英國(guó)SOFC 移動(dòng)式電站產(chǎn)品

英國(guó)的巴拉德公司可提供1.7 kW 或5.0 kW模塊，可提供低成本、靈活且可靠性較高的備用電源。該移動(dòng)式燃料電池模塊可耦合至滿足功率輸出要求，這使得燃料電池系統(tǒng)高度靈活且易于升級(jí)，遷移至另一場(chǎng)地也很方便，機(jī)動(dòng)性極高。12 個(gè)模塊可經(jīng)耦合用于功率輸出高達(dá)60 kW 的系統(tǒng)，能為直流和交流電設(shè)備供電。

韓國(guó)主要通過(guò)收購(gòu)北美和歐洲獲得先進(jìn)技術(shù)，以此來(lái)發(fā)展燃料電池電站。2012 年，LG 公司收購(gòu)了勞斯萊斯的燃料電池系統(tǒng)項(xiàng)目，建立了LG Fuel Cell Systems 公司，致力于50 kW～20 MW 級(jí)的 SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣。浦項(xiàng)能源POSCO 入股Fuel Cell Energy 公司后，在韓國(guó)建造了18 個(gè)共170 MW 的商用燃料電池電站[6]。

我國(guó)對(duì)于燃料電池移動(dòng)式電站的研究起步較晚，初期與國(guó)際水平有較大差距，由于應(yīng)用研究不足，技術(shù)成熟度低，關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題未解決，關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)尚未突破，在移動(dòng)式電站研究領(lǐng)域幾乎處于空白，與國(guó)外的先進(jìn)水平相比，差距十分明顯。但隨著燃料電池移動(dòng)式性能優(yōu)勢(shì)的日益顯著，國(guó)內(nèi)燃料電池企業(yè)加緊產(chǎn)品實(shí)用化研究，推出了一批性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的燃料電池產(chǎn)品，研究機(jī)構(gòu)也將新型的燃料電池技術(shù)作為研究重點(diǎn)，使得國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)與國(guó)際高端水平差距不斷縮小，燃料電池產(chǎn)品在民用和軍用市場(chǎng)不斷開(kāi)拓，取得了不小進(jìn)步[7]。

2 移動(dòng)式電站面臨挑戰(zhàn)

移動(dòng)式電站在民用與軍用市場(chǎng)的研究?jī)?yōu)勢(shì)已經(jīng)不言而喻，但隨著研究的不斷深入，我們面臨的挑戰(zhàn)也是巨大的。就目前而言，我們遇到的主要挑戰(zhàn)有以下幾個(gè)方面。

2.1 電站電池系統(tǒng)控制與能量管理分配設(shè)計(jì)

移動(dòng)式電站核心主要以燃料電池為依托運(yùn)行，而燃料電池中對(duì)整體系統(tǒng)的控制與能量管理分配最為重要。而燃料電池系統(tǒng)的溫度輸出與耐久性是考驗(yàn)移動(dòng)式電站可長(zhǎng)時(shí)間使用的重要指標(biāo)。如何解決移動(dòng)式電站輸出電能的穩(wěn)定性與可靠性是目前面臨的重要挑戰(zhàn)。

移動(dòng)式電站能量管理是以鋰電池模塊荷電狀態(tài)為基準(zhǔn)，考慮不同溫度下模塊充放電能力及燃料電池輸出功率的能力。通過(guò)對(duì)移動(dòng)式電站不同狀態(tài)下能量的分配管理，解決低溫存儲(chǔ)下對(duì)各部件的保護(hù)及電站啟動(dòng)時(shí)能量分配不均衡的問(wèn)題[8]。此外，在面對(duì)電站負(fù)載端用電功率突變及不同使用溫度條件下功率的變化，精準(zhǔn)控制能量管理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各部件及負(fù)載工作之間的匹配性也是一大挑戰(zhàn)。

2.2 電站環(huán)境適用性及輕量化設(shè)計(jì)

移動(dòng)式電站由多個(gè)設(shè)備協(xié)同合作對(duì)外輸出電能，因此為滿足電站的環(huán)境適用性，需專用方艙或集成設(shè)計(jì)，并且在保障電站穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，考慮風(fēng)暴、日曬、雨淋、振動(dòng)、低溫等惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。但現(xiàn)有方艙尚無(wú)專門針對(duì)燃料電池電站專用設(shè)計(jì)，此外受用戶端總體尺寸、重量的控制，電站的設(shè)備集成、內(nèi)部布置較為困難。因此如何在有限的空間內(nèi)進(jìn)行管路及系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化有限空間維修性，便捷安全是移動(dòng)式電站在研發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

2.3 高功率密度電堆設(shè)計(jì)

移動(dòng)式電站的一大核心優(yōu)勢(shì)就是比傳統(tǒng)的柴油發(fā)電有較高的利用率、工作溫度接近常溫，紅外隱身性能好，工作過(guò)程無(wú)噪聲等。而具有這些優(yōu)勢(shì)的主要原因在于其燃料電池電站的核心部件電堆。電堆工作原理及設(shè)計(jì)涉及較多的專業(yè)領(lǐng)域，因此對(duì)高功率密度電堆的設(shè)計(jì)可滿足移動(dòng)式電站快速響應(yīng)的要求。通過(guò)對(duì)高功率密度電堆的設(shè)計(jì)，可提高燃料電池的氫氧利用率，進(jìn)一步降低移動(dòng)式電站內(nèi)部使用溫度、使用噪聲，使紅外隱身效果更加凸顯。因此對(duì)電堆進(jìn)行高功率密度研發(fā)，優(yōu)化電堆冷卻系統(tǒng)是加快移動(dòng)式電站投產(chǎn)應(yīng)用的重要前提。

3 移動(dòng)式電發(fā)展應(yīng)用前景

我國(guó)電站能源分布不均衡，在新形勢(shì)下，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平的不斷提升，電站的發(fā)展形勢(shì)也在不斷擴(kuò)展。針對(duì)我國(guó)地貌，建設(shè)移動(dòng)式電站具有很大的發(fā)展應(yīng)用前景。

3.1 移動(dòng)式電站在島嶼的應(yīng)用

我國(guó)面積達(dá)500 平方米以上的島嶼為6 536個(gè)，其中有人居住的島嶼為450 個(gè)。島嶼面積雖小，但在海防和經(jīng)濟(jì)上意義重大，既是海洋捕撈和開(kāi)發(fā)海洋資源的基礎(chǔ)，也像哨兵一樣，守護(hù)著祖國(guó)的海洋，但孤島的能源供給問(wèn)題越來(lái)越突出。由于偏遠(yuǎn)海島遠(yuǎn)離電廠、人口稀少，總體用電量不大等原因，遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電網(wǎng)絡(luò)不符合經(jīng)濟(jì)效益。尤其是海島遠(yuǎn)離陸地，鋪設(shè)海底電纜的前期投入和后期維護(hù)費(fèi)用巨大，無(wú)法接受。所以，除了離大陸較近、面積較大，能夠從大陸電網(wǎng)引電的少數(shù)島以外，其余大部分島嶼的供電多由柴油發(fā)電機(jī)提供。因此在島嶼上建設(shè)移動(dòng)式電站，無(wú)論是對(duì)于民生還是軍事效益來(lái)講，都有著很好的發(fā)展前景。

3.2 移動(dòng)式電站在醫(yī)療上的應(yīng)用

近幾年來(lái)，世界各國(guó)病毒對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。過(guò)去100 年中，發(fā)生了太多的重大傳染性疾病，加大了醫(yī)院的負(fù)荷，也對(duì)醫(yī)護(hù)人員健康安全造成了不少的威脅。因此為滿足快速救治需求，減少傳染風(fēng)險(xiǎn)，建設(shè)快速響應(yīng)的移動(dòng)式智能方艙醫(yī)院對(duì)于防治疾病方面有著重要意義。

智能方艙醫(yī)院依托于移動(dòng)式電站展開(kāi)建設(shè)實(shí)施，基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信等技術(shù)于一體的集成醫(yī)療信息系統(tǒng)、自動(dòng)化檢驗(yàn)作業(yè)系統(tǒng)、人工智能診斷與輔助決策支持系統(tǒng)、高效物流保障系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)等，使醫(yī)護(hù)人員工作量減少30%-50%。實(shí)現(xiàn)醫(yī)用水電、氣體、空調(diào)、正負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)用電保障和應(yīng)急保障能力。針對(duì)野戰(zhàn)醫(yī)院，保障處理突發(fā)醫(yī)療狀況時(shí)用電需求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)戰(zhàn)時(shí)環(huán)境，可隨時(shí)進(jìn)行移動(dòng)式轉(zhuǎn)移，滿足戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)的用電需求。

3.3 移動(dòng)式電站在科技領(lǐng)域的應(yīng)用

移動(dòng)式電站除了在民生與軍事領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，在我國(guó)科技發(fā)展方面同樣具有較大的應(yīng)用前景?？臻g飛行器需長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行駐空任務(wù)，使用小型燃料電池不僅能量密度高，而且組成系統(tǒng)簡(jiǎn)單，便于操作。為滿足太空中對(duì)其他星球探索，需要較高能量的能源，使用移動(dòng)式燃料電池可為太空巡航車提供動(dòng)力能源等。總之，隨著各個(gè)國(guó)家在太空領(lǐng)域的不斷探索，對(duì)高比能量再生燃料電池能源也越發(fā)追求，特別是移動(dòng)式電站的需求與日劇增。因此，進(jìn)行有關(guān)移動(dòng)式燃料電池電站的相關(guān)技術(shù)研究顯得尤為重要。

4 移動(dòng)式電站的研究總結(jié)與展望

從世界發(fā)展來(lái)看，目前較為清潔、且高比能量再生、中大功率燃料電池能源成為了各國(guó)科研者的追捧，并且大部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，甚至投入到了實(shí)際的應(yīng)用。我國(guó)目前在移動(dòng)式電站關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域幾乎處于空白，與國(guó)外的先進(jìn)

水平相比，差距十分明顯。正因如此，我國(guó)移動(dòng)式電站建設(shè)迎來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇期，在燃料電池大規(guī)模發(fā)展、快速響應(yīng)、機(jī)動(dòng)性能等提出更高要求的情況下，移動(dòng)式電站在國(guó)內(nèi)前景一片廣闊，因此應(yīng)提前布局，加快技術(shù)攻關(guān)步伐。移動(dòng)式電站與我國(guó)的一些使用地形、使用環(huán)境等高度吻合。我們應(yīng)抓緊機(jī)遇，認(rèn)真梳理總結(jié)當(dāng)前所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、對(duì)科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研判，助力現(xiàn)代移動(dòng)式能源電站的體系建設(shè)。