燃料電池及其在船舶上的應(yīng)用研究

陳璐+++林丞豐

摘 要：隨著國際社會對節(jié)能減排越來越重視，清潔能源的應(yīng)用也開始成為社會的關(guān)注熱點(diǎn)。作為能源消耗巨大的航運(yùn)業(yè)，清潔能源在船舶上的應(yīng)用顯得愈發(fā)重要。燃料電池作為新型清潔能源已經(jīng)在汽車上得到應(yīng)用，文章根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以實(shí)際案例對船用燃料電池做出分析，并給出了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在船舶應(yīng)用和船舶布置方面的建議。

關(guān)鍵詞：清潔能源；燃料電池；航運(yùn)業(yè)

1 國外燃料電池在船上應(yīng)用的現(xiàn)狀

船用燃料電池的研發(fā)開始于21世紀(jì)，主要以歐洲造船強(qiáng)國為中心。由挪威船社研制的第一艘通過燃料電池進(jìn)行供電運(yùn)行的船舶2009年12月實(shí)驗(yàn)運(yùn)營，這個(gè)項(xiàng)目的成功預(yù)示著未來船舶動力系統(tǒng)的環(huán)保革新。挪威船級社為了研究船舶如何降低排放的難題，在“Viking Lady”號上做了一個(gè)試驗(yàn)，以燃料電池組為對象，將該電池組與船舶的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合，形成了混合動力推進(jìn)系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行測試，該電池組為船舶提高了30%的功率，并且安全運(yùn)行了18500小時(shí)。

2 國內(nèi)燃料電池在船上應(yīng)用的現(xiàn)狀

我國對燃料電池研究相對于國外較晚，經(jīng)過國內(nèi)專家多年的研究，在質(zhì)子交換膜燃料電池上的研究獲得了重大的發(fā)展，各種燃料電池項(xiàng)目慢慢應(yīng)用到了相應(yīng)的設(shè)備上，2001年7月由上海交大燃料電池研究所實(shí)施的“1～1.5kW熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)”項(xiàng)目已通過成果鑒定。目前上海海事大學(xué)“電力電子與電力傳動”學(xué)科，在上海市教委的支持下 ，利用重點(diǎn)學(xué)科經(jīng)費(fèi)，成立了“燃料電池電力推進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室，要把燃料電池運(yùn)用到船舶上來，實(shí)現(xiàn)新能源的電力推進(jìn)。

3 主電源

3.1 主電源的一般要求

（1）主電源裝置應(yīng)能確保為保持船舶處于正常操作狀態(tài)和滿足正常居住條件所必須的所有電氣設(shè)備供電。

（2）自航船舶應(yīng)至少設(shè)置兩組主電源裝置。非自航船舶可按使用所需設(shè)置主電源裝置。

3.2 主電源的配備

（1）對于動力操舵裝置、為主機(jī)服務(wù)的各種輔機(jī)、消防泵、艙底泵等船舶正常運(yùn)行所必需的設(shè)備均為電力供電時(shí)，應(yīng)至少設(shè)置2臺與主機(jī)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組。

（2）船舶在下列情況之一時(shí)，可只設(shè)1臺與主機(jī)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組：a.由推進(jìn)主機(jī)帶動一套下列設(shè)備：舵機(jī)油泵、為主機(jī)服務(wù)的各種輔機(jī)、消防泵、艙底泵，且船舶安全所必需的用電設(shè)備如航行信號設(shè)備、通信和報(bào)警設(shè)備及照明等能由蓄電池供電時(shí)。b.當(dāng)設(shè)置的主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)符合《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范2015綜合文本》第3章3.2.3.1及3.2.3.2的規(guī)定時(shí)。

3.3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)志

對于使用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的船舶，根據(jù)其不同的供電范圍，可授予下列附加標(biāo)志：

（1）除燃料電池發(fā)電系統(tǒng)外，船舶未配置其他動力源，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)向全船設(shè)備（推進(jìn)、操舵和其他重要設(shè)備、應(yīng)急設(shè)備以及其他設(shè)備等）供電，并符合本指南規(guī)定時(shí)——FC-FULL。

（2）船舶配置了柴油發(fā)電機(jī)組和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)向船舶的重要設(shè)備供電并符合本指南規(guī)定時(shí)——FC-POWER 1。

（3）船舶配置了柴油發(fā)電機(jī)組和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)向非重要設(shè)備和非應(yīng)急設(shè)備供電并符合本指南規(guī)定時(shí)——FC-POWER 2。

4 船舶布置

4.1 一般規(guī)定

用于氣體燃料儲存、分配和使用的處所的布置和位置應(yīng)盡可能減小危險(xiǎn)區(qū)域的數(shù)量和范圍。

4.2 燃料電池設(shè)備處所

（1）燃料電池設(shè)備處所應(yīng)盡可能有一個(gè)簡單的幾何形狀，以便有效通風(fēng)、避免燃料氣體的積聚。可能存在氫氣的燃料電池設(shè)備處所，其上部不應(yīng)有阻檔結(jié)構(gòu)并且應(yīng)以平滑天花板向上傾斜至通風(fēng)出口。大梁或加強(qiáng)筋等支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)位于外部。

（2）燃料電池設(shè)備應(yīng)位于獨(dú)立的艙室。燃料電池設(shè)備的安裝處所應(yīng)位于起居處所、服務(wù)處所、機(jī)器處所和控制站之外，并且應(yīng)與這類處所相獨(dú)立。

（3）燃料電池設(shè)備處所根據(jù)其處所內(nèi)供氣管路的設(shè)計(jì)不同可分為如下二種：a.氣體安全燃料電池設(shè)備處所：處所的布置應(yīng)使在所有情況下，包括正常和異常情況下，都可視這些處所為氣體安全，即：本質(zhì)氣體安全。b.ESD保護(hù)的燃料電池設(shè)備處所：處所的布置應(yīng)使這些處所在正常情況下可視為非危險(xiǎn)處所，但在特定的異常情況下，其可能成為潛在的危險(xiǎn)處所。在出現(xiàn)涉及氣體危險(xiǎn)的異常情況時(shí)，應(yīng)自動緊急關(guān)閉（ESD）非安全設(shè)備（著火源），而在這些條件下處于使用或活動狀態(tài)的設(shè)備應(yīng)為合格防爆型。

4.3 燃料壓縮機(jī)/泵艙室

（1）燃料壓縮機(jī)/泵艙室一般應(yīng)位于開敞甲板。如壓縮機(jī)/泵艙室位于干舷甲板之下，則其應(yīng)符合下列要求：a.處所不應(yīng)與 A 類機(jī)器處所相鄰。如果通過隔離艙進(jìn)行隔離，則隔離間距應(yīng)至少達(dá)到900mm且應(yīng)在機(jī)艙一側(cè)設(shè)置達(dá)到A-60級的絕緣材料。b.處所的限界面包括出入門應(yīng)為氣密型。c.處所應(yīng)設(shè)有從開敞甲板進(jìn)入的獨(dú)立通道，該通道應(yīng)不用于任何其他處所。

（2）如壓縮機(jī)/泵由穿過艙壁或甲板的軸驅(qū)動，則艙壁貫穿件應(yīng)為氣密型，以防止燃料氣體泄入軸動力所在艙室。

4.4 燃料儲罐及艙室

（1）除本章另有規(guī)定外，液化氣體燃料儲罐可按CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》的相關(guān)要求或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；壓縮氣體燃料儲罐可按 CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第6章壓力容器的相關(guān)要求或公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

（2）燃料儲罐應(yīng)安裝CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》第8章所要求的壓力釋放閥。

壓力釋放閥的氣體出口一般應(yīng)至少高出露天甲板B/3或6m，取其大者，并應(yīng)高出工作區(qū)域和舷梯6m，其中B為船舶的最大型寬，單位為m。

（3）壓縮或液化的燃料通常應(yīng)儲存在主甲板以上位置，一般壓縮氣體不應(yīng)儲存在主甲板以下。位于主甲板以下的燃料儲罐最大設(shè)計(jì)壓力一般不超過10bar。

（4）燃料儲罐的布置應(yīng)盡可能靠近船舶中縱線，并應(yīng)至少符合如下要求：a.距離船側(cè)不小于B/5和11.5m中的較小者。b.距離船底板不小于B/15和2m中的較小者；c.距離船殼板任何位置不小于800mm。

（5）位于主甲板以下的燃料儲罐艙室尚應(yīng)符合4.3.1（2）和（3）的要求。

（6）燃料儲罐的接頭、法蘭和閥等附件，如未布置在開敞甲板上，則應(yīng)封閉在燃料儲罐連接處所內(nèi)。該處所應(yīng)能安全地容納燃料儲罐接頭處可能產(chǎn)生的泄漏，其限界面材料應(yīng)與燃料儲罐有相同的設(shè)計(jì)溫度，且該處所應(yīng)設(shè)計(jì)成能經(jīng)受住最大累積壓力，或者可以設(shè)置通向一個(gè)安全位置（如透氣桅）的壓力釋放裝置。

（7）燃料儲罐連接處所的限界面包括出入門（如設(shè)有）、通道、防火結(jié)構(gòu)以及氣體探測系統(tǒng)應(yīng)與燃料儲罐艙室相同。

（8）如液化氣體燃料儲罐位于開敞甲板，則船體鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)由滴盤進(jìn)行保護(hù)以防來自艙柜接頭和其他泄漏源的潛在泄漏。材料設(shè)計(jì)溫度應(yīng)與所攜帶燃料在大氣壓下的溫度一致。

5 建議方案

（1）為確保船舶的正常運(yùn)行和日常生活所需，建議把燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為船舶輔電源。（2）為了船舶的安全和正常行駛，建議單獨(dú)設(shè)一間燃料電池間，將氫燃料電池設(shè)備安裝在氫燃料電池間內(nèi)，使其有效通風(fēng)、避免燃料氣體的積聚，盡可能減小危險(xiǎn)區(qū)域的數(shù)量和范圍。