豐田汽車公司基于Mirai燃料電池系統(tǒng)組件已為Energy Observer重新設計和開發(fā)出一海事應用的船載燃料電池系統(tǒng)，使其成為全球第一艘利用風光可再生能源發(fā)電+在線電解海水制氫的船舶。Energy Observer從去年年末開始搭載豐田燃料電池系統(tǒng)進行實驗，目前處于海上最終全負荷實驗。該船計劃于2020年2月從法國圣馬洛港正式啟航并全球巡游，穿越大西洋和太平洋。這艘堪稱氫燃料電池動力完美方案(可再生能源制氫+在線電解海水制氫+氫燃料電池)，到底是如何工作的呢？
可再生能源制氫(綠氫)是氫燃料電池能否作為終極動力和構(gòu)建氫能源社會的關鍵一步。近年來，以豐田汽車公司為代表的日本，正持續(xù)突破和解決氫能源社會的一系列關鍵基礎技術-氫氣制儲運，并不斷取得成就。
2016年，日本國內(nèi)東芝和巖谷產(chǎn)業(yè)等公司聯(lián)合開建全球最大制氫工廠(年產(chǎn)900噸氫氣，可供1萬輛FCV使用)，實現(xiàn)完全綠色制氫，目前該工廠基本建成，計劃在2020年6月前投入使用，向東京奧運會和殘奧會提供服務。2019年文萊制氫工廠竣工正式開啟全球首條氫供應鏈，該供應鏈可將文萊制氫廠生產(chǎn)的氫氣和甲苯混合，通過化學固定將其轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)乙烷，并冷卻至液態(tài)，運輸回日本川崎，再提取氫氣。2019年，美國EPA批準世界首個將澳大利亞褐煤轉(zhuǎn)化為氫氣出口日本的試點項目；2019年，日本川崎在神戶工廠舉行了全球首艘液態(tài)氫運輸船下水儀式，計劃2020年投入實證驗證把在澳大利亞的液氫運輸回日本。
Energy Observer雙體船搭載的豐田燃料電池系統(tǒng)
Energy Observer集中驗證和使用可再生能源發(fā)電+電解水+氫燃料電池的解決方案，將進一步為綠色氫燃料電池的全面推廣提供案例和參考。Energy Observer搭載的燃料電池系統(tǒng)由豐田歐洲技術中心僅7個月時間設計并裝配完成。該船長31m、寬13m、高度12.85m、吃水2.2m、重量34t、有8名機組人員、平均航速4/5節(jié)(電力)。Energy Observer雙體船動力系統(tǒng)主要由風力發(fā)電、光伏發(fā)電、海水脫鹽系統(tǒng)、電解槽、壓縮機、儲氫瓶、燃料電池和能量管理系統(tǒng)組成。
Energy Observer動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
脫鹽系統(tǒng)
脫鹽系統(tǒng)，亦稱海水淡化，為從海水中提取淡水的過程。海水因含鹽量非常高，不能直接被使用。目前，海水淡化技術主要有蒸餾法和反滲透法等。Energy Observer采用多級反滲透系統(tǒng)進行海水淡化。
Energy Observer海水反滲透裝置
反滲透法是1953年才開始使用的一種膜分離淡化法。該法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。通常，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定高度停止，該過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。此時，如果對海水一側(cè)施加大于海水滲透壓的外壓，海水中的純水將反滲透到淡水中，此過程消耗大量能量。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。反滲透海水淡化技術發(fā)展很快，工程造價和運行成本持續(xù)降低，主要發(fā)展趨勢為降低反滲透膜的操作壓力，提高反滲透系統(tǒng)回收率，廉價高效預處理技術，增強系統(tǒng)抗污染能力等。
對于Energy Observer船多級淡化系統(tǒng)，第一級淡化系統(tǒng)消耗約250 W能量產(chǎn)生90 L的飲用水。其中30 L將進一步經(jīng)淡化系統(tǒng)處理供電解槽電解制氫使用。1 L淡水產(chǎn)生約100 g氫氣。當燃料電池發(fā)電時，氫氣再次轉(zhuǎn)化成純水(該部分水重新通入電解槽中)。
電解槽
電解槽通常較為笨重，來自CEA-Liten的工程師們?yōu)镋nergy Observer雙體船設計了一個更緊湊的設備原型，通過改造Proton Onsite公司的標準樣品，與燃料電池結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。該設備每小時可產(chǎn)生多達4 Nm3的純氫，每小時需消耗3.66 L去離子水。
Energy Observer雙體船電解槽
目前，世界上95％的氫氣來自化石燃料，如通過使用甲烷(天然氣主要成分)進行重整獲取。使用可再生能源進行電解是未來大規(guī)模使用綠氫的解決方案。電解水過程的核心反應為將水分子(H2O)分解為氫氣(H2)和氧氣(O2)。準確說，將水注入正極(陰極)中，首先將其分解為氧氣、氫離子和電子。然后，氫離子向負極(陽極)遷移，在這里它們與電子結(jié)合形成氫氣。膜允許質(zhì)子遷移和阻止電子，并使它們循環(huán)到陽極。
2018年全年，Energy Observer雙體船上該電解槽共運行1469小時，共產(chǎn)生488 kg氫氣。在此期間，工程師們并沒有觀察到海洋環(huán)境導致的電解衰減現(xiàn)象。由于干燥罐的正常磨損，觀察到產(chǎn)氫量略有下降(約-3%)。2019年Energy Observer雙體船已經(jīng)更換新PEM電解槽，以確保達到最佳產(chǎn)量。PEM電解槽的使用壽命通常為數(shù)千小時，鑒于Energy Observer上潮濕和鹽堿環(huán)境等惡劣條件，工程師們將密切觀察電解槽。
壓縮機
Energy Observer雙體船上儲氫瓶可存儲高達35 Mpa的氫氣，壓縮機在第一級180 bar壓力下已運轉(zhuǎn)超1469 h，在第二級350 bar壓力下運行超1105 h。在Energy Observer海上航行的最初16個月中，由于壓縮過程中不同因素干擾已導致11個膜被破壞。
Energy Observer氫壓縮機裝置
儲氫瓶
Energy Observer雙體船搭載八個35Mpa壓力的氫瓶，總?cè)萘繛?32 L，可儲存64 kg的氫氣。工程師最初打算將體積較大的儲氫瓶放在雙體船的船體，最終決定放在雙體船兩翼的外部井形甲板中，可確保儲氫瓶處于防水、防密閉環(huán)境中，并可定期維護保養(yǎng)。Energy Observer工程師團隊經(jīng)過重量嚴格分配和氫瓶支撐設計計算，有效提升了雙體船的氫安全和穩(wěn)定性。
Energy Observer雙體船儲氫瓶
燃料電池
Energy Observer雙體船的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)起初由CEA-Liten提供，凈功率為20 kW。該系統(tǒng)采用了引射器被動氫循環(huán)系統(tǒng)回收電池排出的殘余氫氣，避免了使用循環(huán)泵帶來的能量損耗。此外，為提升Energy Observer雙體船的海洋環(huán)境適應性，安裝的過濾器需抵抗海鹽的侵蝕。
Energy Observer雙體船燃料電池系統(tǒng)(CEA-Liten)
2019年，Energy Observer雙體船換裝了搭載豐田燃料電池技術系統(tǒng)，該系統(tǒng)由豐田歐洲技術中心耗時7個月完成設計和組裝，基于豐田第一代Mirai燃料電池組件。目前，該系統(tǒng)正在海上進行最后的全功率測試，相關技術參數(shù)尚未公布。
Energy Observer搭載的豐田燃料電池系統(tǒng)
光伏板
太陽能是Energy Observer雙體船上的主要能量源頭。發(fā)電面板面積總計141 m2，與面板連接的Prysmian電纜總長6.2 km，電纜采用自航天航空中的輕量化技術。Energy Observer雙體船上主要采用兩種太陽能電池技術：可彎曲光伏面板和雙面光伏面板。
Energy Observer雙體船可彎曲和雙面光伏面板
傳統(tǒng)面板無法貼合彎曲形狀物體，可彎曲光伏面板可緊貼中央船艙的彎曲表面?？蓮澢姘逵扇虍a(chǎn)量最高的Sunpower公司提供，采用耐用且輕巧的Solbian封裝材料。陸地上使用的300 W標準面板重量可達20 kg，Energy Observer雙體船使用的300 W面板重量為4 kg。一些船體上的光伏面板還具有防滑功能，船員可在其表面安全行走。
Energy Observer雙體船雙面光伏面板
雙面光伏面板由法國國家能源研究所開發(fā)，安裝在雙體船兩翼和中央船體玻璃頂上。顧名思義，雙面光伏面板表示光伏面板正反兩面都可以接受太陽光，反面光來自于雙體船白色表面和海面的反射。此外，由薄聚碳酸酯封裝層制成的電池柔軟又輕巧。同等情況下，比單面光伏面板發(fā)電產(chǎn)量提高30%。由于異質(zhì)結(jié)，一般光伏面板僅使用一種類型的硅，Energy Observer雙體船雙面光伏面板采用了兩種類型的硅，提高太陽能轉(zhuǎn)化電能的效率。為保證單片電池損壞不影響其他電池工作，各電池獨立連接和運行，造成電纜線較多。
風力發(fā)電機
海面除了充足的光照，還有取之不盡的風力資源。尤其在光照不足的歐洲，航行過程中依靠風力發(fā)電必不可少。但大型海上運輸船，仍較難利用風電。作為全球首艘可再生能源發(fā)電+電解水+氫燃料電池雙體實驗船，Energy Observer的任務就是測試所有可用的潛在解決方案。在最初的航行測試中，Energy Observer進行了雙垂直軸風力機的發(fā)電實驗，附件一個牽引機翼來減少能耗。2019年開始，Energy Observer換裝了一種全新的風力發(fā)電系統(tǒng)Oceanwings wings®，該系統(tǒng)在繼承雙垂直軸風力機+牽引機翼組合方案的優(yōu)點之上，新增加了一個風力螺旋槳。
Energy Observer雙體船全新風力發(fā)電系統(tǒng)Oceanwings wings®翼展達12 m，機翼面積31.5 m2，具有自支撐功能，360°旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)由Energy Observer研究團隊和CNIM集團在VPLP Design專利下合作開發(fā)。VPLP Design的靈感和經(jīng)驗來自于美洲杯帆船上的剛性翼，空氣動力學性能優(yōu)于傳統(tǒng)的船帆，但恰恰是剛性限制了其發(fā)展(沒有傳統(tǒng)索具減少表面積的能力，無法收帆和傾斜)。
鋰電池
Energy Observer雙體船采用混合儲能系統(tǒng)：一組鋰離子電池短期儲能，八個氫氣瓶長期儲能。鋰電池組的主要部分通過400 V船上電網(wǎng)為電機供電，容量為112 kWh，僅是雷諾電動汽車所用電池類型容量的2.5倍。另一組18 kWh鋰離子電池組為24 V低壓網(wǎng)絡和船上日常設施供電：電子導航，機載計算機，照明等。確保上述兩個電網(wǎng)能夠正常工作、不互相干擾非常重要。工程師必須為獲得來自不同來源(光伏面板，風力電機等)的均衡電力供應添加多個功率轉(zhuǎn)換器。最后，也簡化了所有布線以減少在線功率損耗，并減小儲能和供電系統(tǒng)的尺寸。
Energy Observer雙體船鋰電池組
為驅(qū)動電機供電的容量112 kWh電池組重1400 kg，而儲氫裝置和燃料電池在提供1000 kWh時重1700 kg。這意味著對應1 kWh，儲能電池重量為12.5 kg，而儲氫重量僅為1.7 kg。換言之，對于相等的重量，儲氫所包含的能量是電池的7.35倍。無論是在海上、陸地還是空中，這對于交通或運輸都是相當大的優(yōu)勢。
能量管理系統(tǒng)
Energy Observer雙體船主要提供三種動力模式：1)正常航行中，由太陽能或風能直接為推進提供動力；2)發(fā)電量暫時下降期間，鋰電池組將接管，為推進提供動力；3)長時間停船期，燃料電池將接管，消耗氫氣發(fā)電和儲電。
參考資料：http://www.energy-observer.org/en/#bateau
