采用氢燃料电池系统作为船舶主电源的设计

张满琴     ,陆思远        ,陈上建

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摘要：船用低碳零碳燃料的发展方向是减碳富氢，从低碳向零碳渐进式发展，低碳阶段将会长期存在，零碳目标将是船舶动力转型的最强驱动。其中氢拥有极佳的清洁性、热值高、可再生等能源属性，氢燃料动力也是目前全球公认的清洁能源动力终极解决方案，随着储氢技术发展，氢燃料动力也将成为低碳零碳船舶动力重要的发展方向。

关键词：氢燃料电池；主电源；补偿设计

引言

近年来，针对氢燃料电池低温冷启动特性的研究成为热点，氢燃料电池低温启动过程进行分析，详细描述了氢燃料电池启动时基于水平衡的结冰融冰过程，基于能量平衡的环境换热和温度上升过程，以及由于结冰导致的燃料电池性能下降过程。连续冷启动失败对氢燃料电池耐久寿命和输出性能衰减的影响。设计了针对氢燃料电池冷启动的吹扫系统，研究吹扫过程对氢燃料电池冷启动性能的影响。但是，目前从工程应用的角度出发，对氢燃料电池系统整个开发过程的冷启动优化研究几乎是空白。

1氢燃料电池概述

氢燃料电池是将燃料具有的化学能直接转变为电能的发电装置，其基本原理为：将氢气和氧气分别输送到电池内的阳极和阴极，在催化剂的作用下，氢气通过阳极向外扩散并且和电解质发生反应，使氢原子中的电子被分离出来，失去电子的氢离子穿过质子交换膜运动至电池的阴极，电子则通过外部回路（连接阳极和阴极的外部电路）运动至阴极板，最后再与氧原子和氢离子重新结合生成水电子，这个过程供外部电路产生电流形成电能。

2氢储单元输出特性分析

氢燃料电池是一种直流化学电源，其动态过程包含了电化学、热动力学和电磁作用等多个反应过程，导致输出过程缓慢。在将化学能转化为电能的过程中，氢燃料电池存在3种不可逆的电动势，包括活化极化过电势、欧姆极化过电势和浓差极化过电势，导致氢燃料电池输出特性偏软、输出电压低，且与电流在一定区域内成反比的关系。氢燃料电池作为动力源直接接入船舶电力推进系统时，其输出外特性难以满足对船舶工况的快速控制要求，因此有必要引入锂电池及超级电容单元并联构成的储能装置，与氢燃料电池共同形成船舶的氢储联合供电方式。在此方式下，当船舶工况改变时，由储能单元弥补因氢燃料电池发电单元暂态特性不佳而缺失的瞬时功率，从而可以提升推进系统的动态响应。但是，采用储氢方式的船舶供电系统容量有限，储能装置难以承受高比例的船舶电力推进负载工况的频繁变化。推进器控制参数优化设计对于增加推进系统的低频稳态特性至关重要。

3氢燃料电池主电源系统设计方案

3.1动态负荷控制

动态负荷包括大功率电机起动和船舶负载突加、突卸，如推进电机、吊机、侧推、空调等设备在电机起动瞬间会产生较大的冲击电流，造成船舶电网电压波动。一般采取变频控制或降压起动等方式来控制起动电流，但同时也需要电源端具备足够的功率容量；系统中利用锂电池的快速放电能力，来满足电机起动和船舶负载突加；负荷减少时，利用锂电池来吸收富裕电能。锂电池的正常放电倍率在0.5~1C，最大短时放电倍率可达2C，因此设置适当容量的锂电池组可以满足负载的瞬间功率变化需求。

3.2燃料电池与储能装置同时组网供电

船舶在航行过程中负载变化频繁,燃料电池在输出变化的控制要求下反应速度较慢,无法满足电动机的瞬态能量需求,同时当船舶所需功率和能量较小时,燃料电池的输出能量将大于船舶所需。为了提高供电系统的稳定性和灵活性,燃料电池系统可与储能装置联合组网,如锂电池、超级电容等配合组成船舶动力系统,在燃料电池输出电能的同时联合储能装置共同向电动机供电以满足船舶航行功率和能量需求,当燃料电池的输出能量大于船舶所需,且储能装置能量未满时,燃料电池输出的多余电量储存在储能装置中。

3.3电压及功率调整

直流/直流（DC/DC）变换器，是将固定的直流电压变换成可变的直流电压的装置，也称为直流斩波器。其内部设有闭环控制系统或者其他用来稳定其输出量的装置，用于稳定输出电压、电流及功率等，响应时间为毫秒级；其电压的瞬态波动范围可控制在-15%~+10%，稳态范围可控制在±2.5%之内，结合锂电池的快速放电能力，可使电网电压波动在极短时间内恢复。氢燃料电池输出较为平缓，可采取恒电流的控制方式，锂电池可快速响应，可采取恒电压的控制方式；两个变换器之间进行通讯，采取功率控制器进行控制，使其协同工作。当负载变化缓慢时，调整氢燃料电池输出；当负载变化快时，调整锂电池端的输出，使母线电压始终稳定在设定的范围内，确保满足负载要求。

3.4氢燃料电池独立供电模式

当船舶所需功率和能量较小时,燃料电池的输出能量能够满足船舶需求,此时可采用燃料电池单独驱动向全船电网供电。氢燃料电池系统通过DC-DC斩波器连接到直流组网中,DC-DC斩波器将氢燃料电池系统生成的幅值变化的直流电转变为幅值稳定的直流电,再通过逆变器将直流母线上的直流电转变成交流电,为推进电机供电,并为船舶电网负载供电。

3.5通风及惰化

1）通风：通风空气进口应设置在安全区域，距离任一气体危险区域边界至少1.5米。所以后面有要求氢气排放管出口要高出露天甲板3~6米，就是要把危险区尽量布置在远处；2）排气：气体安全处所（如燃料电池处所）的空气出口应位于气体危险区域外，即要求安全区不要被危险区影响；气体危险处所（如氢气瓶间）的空气出口应位于露天区域，其危险性应小于等于被通风处所，即要求危险区不要影响其他区域。此外，燃料和空气废气排放管路不应与其他通风管路共用；与车用尾排氢空混合不同，目前船上氢空废气独立排放，主要是因为对氢气排放有特殊要求（排放口高出甲板6米），空气排放管大，会混排影响整船造型。

3.6冷启动辅助加热设计

氢燃料电池堆在工作时产生水和热量。当氢燃料电池在低温下开始加负载时，产生的热量会使冰融化，但如果产生的热量不足，产生的水就会迅速冻结。如果氢燃料电池堆中反应产生的水的结冰速率高于冰的融化速率，则将导致冷启动故障。因此，在冷启动时增加电堆功率可以有效地提高冷启动的成功率。在温度为-20℃时，通过增加冷启动电堆功率，冷启动时间明显缩短。然而，在-30℃或更低的温度下，氢燃料电池的功率是有限的，并且所产生的热量也是有限的。如果只是通过自加热，冷启动时间更长，甚至冷启动失败。通过冷启动专利的分类梳理指出，依靠附加热源预热电堆，可避免电堆在低温下启动初始阶段催化剂层以及气体扩散层（GasDiffusionLayer,GDL）中形成大量的冰。

结束语

随着绿色船舶理念的不断深化,燃料电池技术凭借其独特优势,将成为船舶电力推进领域重点研究和发展的方向。当前,船舶燃料电池技术主要应用在内河和近海的客船及小型船上,在大型远洋船舶上的应用仍面临巨大的挑战,但随着燃料电池和储氢技术的快速发展以及船舶污染排放要求的逐步提升,仍具有大规模应用的潜力。为进一步推动船舶氢燃料电池动力技术和行业应用发展。

参考文献

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