1、 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.005 船用燃料电池系统船舶适应性解析 贾江鑫，贾思庆，王 军（中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430030）摘要：本文以船用氢燃料电池系统作为研究对象，结合国内首艘氢燃料动力船“三峡氢舟 1”船用氢燃料电池的产品认可及检验，介绍其工作原理、船用燃料电池的技术特点、测试要求等。最终为氢燃料电池系统的船用化推广提供可借鉴的经验。关键词：“三峡氢舟 1”；氢燃料电池；船用；燃料电池系统 中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0019-03 Analysis of Marine Fuel
2、Cell System Adaptability JIA Jiangxin,JIA Siqing,WANG Jun(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan Hubei 430030,China)Abstract:This paper takes the marine hydrogen fuel cell system as the research object.Combined with the product approval and inspection of marine hydrogen fuel cell of the
3、first domestic hydrogen fuel power ship,San Xia Qing Zhou 1,its working principle,technical characteristics and test requirements of marine fuel cell are introduced.The experience can be used for reference for the marine popularization of hydrogen fuel cell system.Key words:San Xia Qing Zhou 1;hydro
4、gen fuel cell;marine;fuel cell system 0 引言 船舶引发的环境污染问题已成为世界各国关注的焦点，随着全球环保要求的越来越高，相关环保法律、法规的相继出台，能源结构也发生着翻天覆地的变化。从国际海事组织层面出发，已建立了较为完备的 SOx、NOx排放法规，随着全球层面通过应对气候变化的 巴黎协定，国际航运业的温室气体排放问题面临的国际压力与日俱增。因此近年来 IMO 在温室气体减排上不断加大立法力度。相对于国际，我国 2019 年就把氢能首次写入全国两会政府工作报告；2021 年纳入国家“十四五”发展规划；2022 年发改委与能源部 氢能产业发展中长期规划，
5、明确氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、总体要求和发展目标。这充分体现了“绿色航运”“绿色船舶”的发展理念。收稿日期：2023-05-31 作者简介：贾江鑫（1986-），男，湖北荆门人，工程师，电气验船师，从事船用产品图纸审查、认可、检验工作.（jx_）“三峡氢舟 1”依托工信部高技术船舶科研项目，针对船舶氢燃料动力需求，突破船用氢燃料动力电池技术，更好地响应“电化长江”建设，推动新能源技术在长江航运的运用，加快能源结构向低碳清洁化转型。1 氢能及氢燃料电池介绍 氢燃料电池是高效利用氢能源的主要方式，随着氢燃料电池技术的不断发展，氢燃料电池产业链的日趋完善，目前氢燃料电池技术在新能源变革
6、中占据比较的重要地位，氢燃料电池的市场发展较快，特别是船用氢燃料电池的发展非常迅猛。1.1 氢能源的特点 氢能是氢的化学能，作为一种清洁、高效、安全、20 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 可持续的可再生能源，被视为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源。氢原子序数为 1，原子量为 1.007 9，氢气密度为 0.089 9g/L，是最轻的元素。通过其化学性质可知道，氢能源有以下几个特点：（1）生态友好。与传统的化石燃料不同，氢气和氧气可以通过燃烧产生热能，也可以通过燃料电池转化成电能。而在氢转化为电和热的过程中，只产生水，并不产生温室气体或细粉尘。（2）利用高效。氢气不仅来源广泛，还具有
7、导热良好、清洁无毒和单位质量热量高等优点。相同质量下的氢所含热量约是汽油的 3 倍，是石油化工重要原料和航天火箭动力燃料。（3）储运方式灵活便利。与化石燃料不同，氢能是二次能源，可以通过分解天然气、石油、煤和水来制造。而除了气态，氢气还能以液态或固态氢出现。在263液化时，氢的体积会减小到原来的 1/800，在高压罐中压缩后，便于储存和运输。（4）可再生性。氢很容易从任何电网电源、石油、天然气、核能和许多可再生能源中制得。1.2 燃料电池的优点 燃料电池（Fuel Cell，简称 FC）是一种不经过燃烧、直接以电化学方式将储存在燃料（如氢气、天然气）与氧化剂中的化学能直接转变为电能的高效发电装
8、置。氢燃料电池作为新能源技术的重要技术路线，燃料电池与一般传统蓄电池一样，也是依据电化学原理而工作的电能输出装置，不同之处在于传统蓄电池是一种能量存储装置。而燃料电池是一种能量转换装置（发电装置），只要源源不断地供给燃料，燃料电池就能持续不断地提供电能。其具有以下几个优点：（1）化学能直接转化成电能，不受卡诺循环限制，效率较高。（2）振动噪声低，氢燃料电池本身无运动部件，自身不产生振动和噪声，能够提升船舶舒适度。（3）反应产物是水，无尾气排放污染的问题。（4）燃料电池根据电解液不同可以分为如下几类（见表 1 所示）。其中质子交换膜燃料电池是目前使用最普遍的一种燃料电池，技术最成熟，应用最广泛。
9、其具有许多优点：能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修方便，工作时噪音较小。质子交换膜燃料电池是目前最流行的一种清洁、高效的绿色环保电源。目前船用的燃料电池系统基本都是采用的质子交换膜燃料电池。表 1 燃料电池的分类 Tab.1 Classification of fuel cells 参数 碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料 电池（MCFC）固体氧化物燃料 电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）直接甲醇燃料电池（DMFC）电解质 氢氧 化钾 磷酸 碱 性 金属、碳酸盐混合物 金 属 氧化物 全氟磺 酸膜 全 氟 磺酸膜 燃料
10、纯氢 天然气、甲醇、汽油 天然气、甲醇、汽油 天然气、甲醇、石油 氢气 甲醇 氧化剂 纯氧 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 导电离子 OH H+CO32 O2 H+H+操作温度 50200 180200 650 6001 000 室温80 室 温 100 效率 60%70%45%550%60%70%70%80%60%70%30%40%应用领域 航天，特殊地面应用 特殊需求，区域供电 区域供电 舰船电站、潜器、冷热电联供 汽车、船舶、潜器、基站等 单兵电源、笔 记 本 电脑/手机电源 2“三峡氢舟 1”配置的氢燃料电池系统介绍“三峡氢舟 1”以氢燃料和磷酸铁锂电池作为
11、船舶动力，该船动力装置为全回转舵桨电力推进，推进电机额定功率 500kW，额定转速 1 500r/min。该船配置1 套燃料电池系统和 1 套锂电池系统作为全船主动力源接入直流电网，设置 2 个燃料电池处所，每个舱内布置 4 台 70kW 燃料电池模块。燃料电池发电系统基本参数如下。型号：RMZA-70K 额定功率：70kW 输出电压：200380VDC 输出电流：0400A 氢气供给压力：0.50.7MPa 额定氢气消耗量：1.15g/s 重量：295kg 防护等级：IP65 环境温度：045 RMZA-70K 型燃料电池发电系统主要包含燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、电压巡检模块
12、、主控制器等部件。空气供应系统包含空压机、中冷器、膜增湿器等元器件；氢气系统包含电磁阀、第 4 期 贾江鑫等，船用燃料电池系统船舶适应性解析 21 比例阀、氢气循环泵、分水器等元器件。电堆冷却水进出口安装有检测温度与压力的传感器。RMZA-70K 型燃料电池发电系统功能框图如图 1所示。其中：燃料电池电堆将氢气与空气中的氧气转化为电能；空压机将空气升压，中冷器将空气冷却、膜增湿器利用电堆生成水加湿空气；比例阀将氢气减压，氢气循环泵将电堆反应后的残余氢气重新送入电堆，提高了氢气的利用率；电压巡检模块监控燃料电池电堆的单节电压；主控制器对系统的运行实施状态进行监控与安全保护。图 1 燃料电池发电系
13、统功能框图 Fig.1 Functional block diagram of fuel cell power generation system RMZA-70K 结构上采取了保护罩整体密闭防止氢气外泄、分区设计、氢区内选用具有防爆认证的电气元器件、负压通风防止氢气积聚、加厚铝合金保护罩抗爆、保护罩上安装卸爆阀等措施，有效地保证了系统的安全性与船用环境的适应性。系统的外形如图 2 所示。图 2 RMZA-70K 燃料电池发电系统外形图 Fig.2 Appearance of the RMZA-70K fuel cell power generation system 3“三峡氢舟 1”氢燃料
14、电池系统检验 3.1 规范及技术要求 随着船用氢燃料技术的发展，氢燃料动力船及相关设备的规范指南日趋完善，先后出台了氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规定 2022；船舶应用燃料电池发电装置指南 2022；氢燃料电池 氢气瓶重整装置等 3 份涉及氢燃料电池系统的产品检验指南。以上三份规范指南已发布实施。实施后，燃料电池将从技术法规、船舶应用指南、产品检验指南三方面对燃料电池在船舶领域的应用提供全面的强有力的技术支持和服务。燃料电池的规范体系将得到极大的更新与补充。3.2 检验情况 氢燃料电池 产品检验指南从材料选取、设计及技术要求、试验测试等对船用燃料电池系统作出详细要求，对于燃料电池系统的型式
15、试验主要涉及安全性试验、性能试验、环境适应性试验、附加试验等 4 方面的要求。据此，确保了船用氢燃料电池产品的安全性和可靠性。图 3 为对燃料电池各种环境的适应性试验情况。图 3 环境适应性试验 Fig.3 Environmental adaptability test 3.3 检验中存在的问题探讨 根据 CCS 产品检验持证清单的一般要求，涉及产品安全级性能的重要零部件应选用船用型并持证。由于船用燃料电池目前应用还比较少，对于氢燃料电池来说很多主要零部件：比如空气压机、氢气循环泵、比例调节阀等都是专用设备，目前基本找不到船用认可型的。针对这一情况，在编制氢燃料电池产品检验指南及实际认可中采用
16、的是重要零部件合格供方控制方式，并随电池系统一起进行型式试验验证。确保选用的重要零部件符合船用环境要求。根据 氢燃料电池 产品检验指南表 7.3.1 氢燃料电池发电系统型式试验要求，氢燃料电池发电系统应按照 CCS电气电子型式产品型式认可试验指南要求进行环境适应性试验和电磁兼容性试验。部分试验是需要在受试设备运行条件下进行考核的，由于氢气存在一定的危险性，且部分试验项目需要在密闭环境下进行。考虑到当时各试验机构的试验能力及车用燃料电池标准的现状要求，明确了对燃料电池系统及模（下转第 25 页）第 4 期 袁正艳等，氢燃料电池在船舶上的应用及建造质量控制要点 25 序，如氢燃料电池发电装置、所有
17、氢燃料管系及其阀件、附件和相关设备的功能性试验等。3.2.7 船舶资料 船舶建造完成后，为避免船员在使用过程中存在的差异性而带来的风险，对于氢燃料电池作为船舶推进的新能源动力，验船师在船舶验收时应至少保存下列资料：（1）氢燃料电池发电装置操作手册；（2）氢燃料电池发电装置维护手册及维护或检查记录；（3）潜在危害安全性说明及减轻风险的安全预防措施。4 结语 2018 年 6 月国务院发布 打赢蓝天保卫战三年行动计划，其目标是经过 3 年努力，大幅减少主要大气污染物排放总量。据统计，中国内河船舶有 20 多万艘，有数据显示，全球贸易的 90%都是通过海运完成，在此过程中造成的污染不容小觑4。我国汽
18、车行业新能源的应用已经先行一步，磷酸铁锂电池 2019 年已在船舶上成功应用，氢燃料电池在船舶上的应用刚处于起步阶段。船舶与汽车在功率、储能、安全性等方面的要求大不相同，这也就意味着船用氢燃料电池动力系统不能直接套用车用系统。在船舶需求和国家政策的指引下，氢燃料电池动力船舶的技术与检验规则2022 年公布，在具体要求上可能存在不甚明确的地方，边摸索边总结，通过氢燃料电池系统产品制造、船舶建造检验等方面反馈问题，力争完善氢燃料电池动力船舶的技术与检验要求，为实现“双碳”目标打下基础。参考文献：1 中华人民共和国海事局.氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则(2022)S.2 郭佳泰,周弥.核心动力
19、自主!这一专项示范船来了N.中国船舶报,2022-06-06.3 我国首个内河船用加氢站项目启动N.长江船舶交易市场,2022-09-06.4 吴卫国.船舶产业绿色升级助力建设海洋强国N.智汇海洋,2023-05-05.（上接第 21 页）块环境和电磁兼容性试验项目的试验方法。在试验过程中考虑到安全因素，可以在燃料管系中通空气或者氮气进行空载运转；试验对象可针对氢燃料电池模块和其他电气部分。在贴合实际的情况下，保证对氢燃料电池的安全性和环境适应性的考核要求，更加具有可操作性。关于船用燃料电池系统绝缘电阻测量，由于燃料电池的结构特殊性，燃料电池系统的绝缘电阻较低，甚至可能低于船舶通常的最低 1M
20、 要求。针对这一情况，在编制氢燃料电池产品检验指南及实际认可过程中，考虑到这一特殊情况，对燃料电池系统及燃料电池模块的绝缘电阻分别做了要求，并与燃料电池制造企业沟通，在燃料电池系统的结构设计中进行了优化。既考虑到了燃料电池结构的特殊性，也考虑了整船的绝缘电阻需求。4 结论 综上所述，船用燃料电池系统作为一个细分的燃料电池应用领域，与车用或其他应用场景的燃料电池系统从结构型式、安全性、环境适应性及试验验证上还是存在一定的差异，针对不同使用场景需求，提出不同的技术及安全性规定，从而才能更好地保证船用燃料电池系统的使用，保障氢能源动力船舶的安全可靠运行。通过对“三峡氢舟 1”燃料电池系统的解析，对之后的氢能动力船舶的推广应用，也起到了一定的借鉴和促进作用。参考文献：1 中华人民共和国海事局.氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规定(2022)S.2 中国船级社.船舶应用燃料电池发电装置指南(2022)S.
