中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：通過對燃料電池系統(tǒng)模塊、燃料電池系統(tǒng)上船的適應(yīng)性和安全性以及燃料電池相關(guān)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(jù)燃料電池系統(tǒng)配置要求，設(shè)計(jì)出一套能夠應(yīng)用于船舶的燃料電池系統(tǒng)，并對電堆系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，展示了電堆系統(tǒng)的性能及待解決的問題。
關(guān)鍵詞：燃料電池;電堆;系統(tǒng)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào):U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973(2017)02-0050-02
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(shù)之一。它是一種將燃料的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)的方式直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。最為流行的質(zhì)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(chǎn)物為水。由于中間沒有機(jī)械能這一轉(zhuǎn)化過程，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)沒有移動(dòng)部件，極少需要維護(hù)，而且基本沒有噪音。燃料電池也不屬于熱機(jī)，不受卡諾循環(huán)的限制，其電效率一般可達(dá)50%以上。如果進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率可達(dá)85%以上。燃料電池與普通充電電池在結(jié)構(gòu)上類似，區(qū)別在于其燃料由外部供給，只要燃料不斷供應(yīng)，系統(tǒng)就可以不停地工作，不需要長時(shí)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(zhuǎn)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(chǎn)生電能。雖然碳?xì)浠衔镏卣到y(tǒng)的加入會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低，也會(huì)產(chǎn)生一定的二氧化碳排放，但不會(huì)產(chǎn)生硫化物，氮氧化物等污染物。
質(zhì)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(nèi)工作，依賴于水來傳遞質(zhì)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(diǎn)就是功率密度大，單個(gè)系統(tǒng)達(dá)到300kW都曾被報(bào)道。另一種是在相對高的溫度下工作(100?C–200?C)，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，燃料電池內(nèi)的催化劑抗CO毒化的能力較強(qiáng)，可以忍受3%濃度的CO，遠(yuǎn)高于一般重整裝置所產(chǎn)生的富氫氣體中的CO濃度。而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，無需加濕。缺點(diǎn)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(zhì)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(yùn)上的應(yīng)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(yīng)付海浪造成的顛簸和搖晃，可能還要預(yù)處理鹽分很高的空氣。后者可能需要增加過濾設(shè)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(shù)要求。另外任何安裝都必須要符合船級(jí)社當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(bǔ)充任何其他物質(zhì)來保證系統(tǒng)的運(yùn)行，是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)。
2. 1存儲(chǔ)系統(tǒng)
燃料的選擇比較靈活，從技術(shù)上來說可行的存儲(chǔ)方式有：
l 金屬氫化物，常壓儲(chǔ)氫方式。最大特點(diǎn)為安全，但是重量儲(chǔ)氫率很低。
l 液氫，重量和體積儲(chǔ)氫率均較好，但是氫氣液化是一個(gè)高耗能過程。
l 高壓氫氣，最常見的的儲(chǔ)氫方式。氣罐的體積比較大會(huì)影響船舶的布局;國內(nèi)船舶加氫站還沒有，加氫不方便。
l 天然氣是一個(gè)比較傳統(tǒng)的技術(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化系統(tǒng)。天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化是以水蒸汽為氧化劑，在鎳催化劑的作用下將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的轉(zhuǎn)化氣。這一過程為吸熱過程故需外供熱量，轉(zhuǎn)化所需的熱量由轉(zhuǎn)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(yīng)如下：
CH4+H2O→CO+3H2+Q
CO+H2O→CO2+H2+Q
2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)
燃料電池系統(tǒng)對負(fù)載突然變化的響應(yīng)不如電池，而電池的續(xù)航時(shí)間遠(yuǎn)不如燃料電池。燃料電池和充電電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)來取長補(bǔ)短。前者負(fù)責(zé)基本用電，后者應(yīng)付峰值用電和負(fù)載的瞬間改變，峰值用電結(jié)束后前者為后者充電。這樣的配置會(huì)大大降低系統(tǒng)的成本。
3 燃料電池模塊設(shè)計(jì)
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(chǔ)罐、氣化器、制氫模塊、緩沖罐、燃料電池模塊、供風(fēng)管系、排氣管系、排水管系、冷卻管系、緩沖蓄電池組、超級(jí)電容、逆變器等部分組成。在安全控制箱的控制下，LNG儲(chǔ)罐中的液化天然氣進(jìn)入氣化器，變成天然氣之后在制氫模塊轉(zhuǎn)化為氫氣，再通過緩沖罐的緩沖作用進(jìn)入燃料電池模塊，在供風(fēng)、排氣、排水、冷卻等模塊的共同作用下產(chǎn)生電能，經(jīng)過緩沖蓄電池組、超級(jí)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(gè)5KW燃料電池并聯(lián)而成，其中5KW的燃料電池設(shè)計(jì)完全一致。燃料電池電堆選擇成熟的產(chǎn)品，為其配套冷卻水系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)使其成為一個(gè)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(fēng)冷散熱器、冷卻泵及各種閥件組成，為燃料電池進(jìn)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(hào)，并通過上位機(jī)操控系統(tǒng)的運(yùn)行。
3.3主要設(shè)備
燃料電池系統(tǒng)的主要組成設(shè)備有：燃料電池堆(30kW)、高壓鼓風(fēng)機(jī)、水泵和氣液分離器、超級(jí)電容、功率分析儀、電子負(fù)載、防爆風(fēng)機(jī)、燃料電池本體故障檢測儀、制氫裝置、煙霧/熱能探測器、LNG儲(chǔ)罐、氣化器組件、氮?dú)舛杌祾哐b臵組件、低溫閥件、管件、傳感器及儀表、H2緩沖罐、壓力開關(guān)。
(1)燃料電池堆：本設(shè)備是燃料電池應(yīng)用可行性技術(shù)研究的關(guān)鍵設(shè)備，用于H2和O2的反應(yīng)，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是氫燃料電池的核心部件。
(2)高壓鼓風(fēng)機(jī)：本設(shè)備是將空氣壓縮至一定壓力送入燃料電池堆反應(yīng)，為氫燃料電池提供足夠的氧氣參與電化學(xué)反應(yīng)。
(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(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi);氣液分離器是對冷卻水冷卻系統(tǒng)后進(jìn)行兩相分離，確保冷卻水系統(tǒng)工作正常可靠。
(4)超級(jí)電容：本設(shè)備主要用于大功率電子負(fù)載啟動(dòng)時(shí)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(fù)載啟動(dòng)時(shí)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(shè)備主要用于燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)對輸出功率進(jìn)行信號(hào)收集分析，確保燃料電池系統(tǒng)適應(yīng)船用負(fù)荷的變化要求，滿足相關(guān)船用規(guī)范。
(6)電子負(fù)載：本設(shè)備作為燃料電池系統(tǒng)模擬負(fù)載，檢驗(yàn)系統(tǒng)在各個(gè)負(fù)載條件下的運(yùn)行狀況。
(7)防爆風(fēng)機(jī)：本設(shè)備主要用于燃料電池系統(tǒng)的安全防護(hù)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(fēng)條件，以確保系統(tǒng)的工作安全。防爆風(fēng)機(jī)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(shè)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(yùn)行、故障診斷提供分析依據(jù)。
(9)制氫裝置:本設(shè)備主要用于燃料電池項(xiàng)目LNG通過催化反應(yīng)制氫，為燃料電池提供反應(yīng)氫氣。
(10)煙霧/熱能探測器:本設(shè)備主要用于燃料電池系統(tǒng)的安全監(jiān)測和防火。
(11)LNG儲(chǔ)罐：燃料電池項(xiàng)目是利用LNG作為原料制氫，LNG儲(chǔ)罐用于LNG的儲(chǔ)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?dú)舛杌祾哐b置組件：燃料電池項(xiàng)目采用LNG原料制氫，CH4和氫氣均是易燃易爆氣體。氮?dú)舛杌祾哐b置對管路進(jìn)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(guān)壓力表、溫度計(jì)等測量儀表有特殊要求，同時(shí)需對液位、溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行測量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至控制單元。
(15)緩沖罐：本設(shè)備主要用于H2儲(chǔ)存蓄壓，以匹配燃料電池系統(tǒng)的用氫需求。
(16)壓力開關(guān)：主要用于燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
4 結(jié)論及存在的問題
整個(gè)燃料電池上船系統(tǒng)擬分多個(gè)步驟進(jìn)行：天然氣制氫試驗(yàn)、燃料電池模塊試驗(yàn)、實(shí)船測試等。根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)度安排，我所目前完成了30KW燃料電池模塊系統(tǒng)試驗(yàn)測試，測試結(jié)果如下：
——燃料電池模塊的輸出電壓、電流、功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求;
——在3~30kW范圍內(nèi)，效率變化在10%以內(nèi);
——突加突減負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)能迅速響應(yīng);
——整體噪聲小于65分貝;(噪聲主要是由風(fēng)機(jī)產(chǎn)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(yīng)性和安全性以及燃料電池相關(guān)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(shí)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(nèi)僅生產(chǎn)每小時(shí)產(chǎn)氫量數(shù)百立方米的天然氣制氫裝置，船上采用天燃?xì)庵茪涞碾y度較大，而若通過岸基加注氫氣，則需要解決儲(chǔ)存和加注站建設(shè)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。
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原標(biāo)題:船用燃料電池模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
