氫燃料電池系統(tǒng)于港機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用和設(shè)計(jì)

李惠卿，余文學(xué)，嚴(yán)亦慈，何春磊，張卿

(上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司宜東集裝箱碼頭分公司，上海 200940)

0 引言

港機(jī)設(shè)備，特別是移動(dòng)型的輪胎吊等，還是以傳統(tǒng)的柴油機(jī)為主。碼頭港機(jī)設(shè)備數(shù)量多，油品消耗大。節(jié)能減排是碼頭非常迫切的需求。目前已經(jīng)有鋰電池結(jié)合柴油機(jī)系統(tǒng)在港機(jī)設(shè)備上開始應(yīng)用，但總體規(guī)模不大。尚未有以氫氣為燃料的燃料電池系統(tǒng)在港機(jī)設(shè)備上應(yīng)用。

1 氫燃料電池的基本特性與工作原理

燃料電池系統(tǒng)是一種發(fā)電系統(tǒng)，其在燃料電池堆中將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，而不是通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能。燃料電池系統(tǒng)主要包括產(chǎn)生電能的燃料電池堆、將作為燃料的氫供應(yīng)給燃料電池堆的氫供應(yīng)器、將作為電化學(xué)反應(yīng)所需的氧化劑的空氣(氧氣)供應(yīng)給燃料電池堆的空氣供應(yīng)器、將燃料電池堆的反應(yīng)熱排放到系統(tǒng)外部并控制燃料電池堆的工作溫度以執(zhí)行水管理功能的熱/水管理系統(tǒng)，以及控制燃料電池系統(tǒng)的整體操作的燃料電池系統(tǒng)控制器。

在燃料電池堆中包括膜電極組件、用于均勻地分配反應(yīng)氣體并傳遞所產(chǎn)生的電能的氣體擴(kuò)散層、保持反應(yīng)氣體和冷卻水的氣密性和適當(dāng)?shù)木o固壓力的墊片和緊固件，以及雙極板等結(jié)構(gòu)。其中，膜電極組件具體包括氫離子在其中移動(dòng)的聚合物電解質(zhì)膜和附接到該聚合物電解質(zhì)膜的相對(duì)側(cè)并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的催化劑層。

通過這種構(gòu)造，燃料電池系統(tǒng)通過使作為燃料的氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)來產(chǎn)生直流電（DC），其通過逆變器轉(zhuǎn)化成交流電（AC），并且排放作為反應(yīng)副產(chǎn)物的熱和水。氫燃料電池系統(tǒng)可以在較低的溫度工作，在產(chǎn)生功率時(shí)具有較高效率，并且具有較短的啟動(dòng)時(shí)間和電力轉(zhuǎn)換反應(yīng)時(shí)間[1]。

2 港機(jī)設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)現(xiàn)狀

港機(jī)設(shè)備主要包括岸邊集裝箱起重機(jī)、集裝箱龍門起重機(jī)和散貨裝卸機(jī)械。其中岸邊集裝箱起重機(jī)用于在港口碼頭從運(yùn)輸船舶上裝卸集裝箱，而集裝箱龍門起重機(jī)用于在港口碼頭或集裝箱堆場內(nèi)堆放物料及運(yùn)輸貨物。集裝箱龍門起重機(jī)可分為輪胎吊（RTG）和軌道吊（RMG）。散貨裝卸機(jī)械主要包括散貨裝船機(jī)、卸船機(jī)、堆料機(jī)、斗輪堆取料機(jī)及翻車機(jī)。

港機(jī)設(shè)備一般使用重柴油作為燃料，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的NOx、VOCs、COx、SOx等污染物。節(jié)能減排一直是港機(jī)設(shè)備技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。在港機(jī)設(shè)備節(jié)能減排方面，先后經(jīng)歷了變速柴油機(jī)節(jié)能、混合動(dòng)力節(jié)能以及最新的全電動(dòng)節(jié)能3個(gè)階段。變速柴油機(jī)節(jié)能是在待工時(shí)降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到節(jié)能效果。混合動(dòng)力節(jié)能將鋰電池作為儲(chǔ)能單元，在重物下降過程或制動(dòng)過程中鋰電池儲(chǔ)能，在提升過程或啟動(dòng)過程中鋰電池輔助供電。全電動(dòng)節(jié)能技術(shù)是近年來研發(fā)的鋰電池直接驅(qū)動(dòng)港機(jī)設(shè)備的最新技術(shù)，如振華重工上海港的鋰電池輪胎起重機(jī)，節(jié)能率在65%以上[2]；青島前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司在輪胎吊的轉(zhuǎn)場時(shí)，采用容量高于200 AH的大容量磷酸鐵鋰電池組替換設(shè)備原柴油發(fā)電機(jī)組來提供動(dòng)力，改造后，單臺(tái)輪胎吊年度可節(jié)約燃油消耗3 500余升[3]。鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)可以裝備新采購的RTG，也可以對(duì)舊機(jī)進(jìn)行改造，對(duì)硬件設(shè)備的適應(yīng)性很高。鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)RTG相比市電RTG，降低了碼頭基建以及碼頭配電系統(tǒng)的改造和擴(kuò)建工作的投資，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

3 氫燃料電池系統(tǒng)在港機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用前景

近年來，氫燃料電池技術(shù)取得了較大突破，也在許多領(lǐng)域開始了廣泛應(yīng)用。在乘用車方面，通用、豐田、奔馳、寶馬、大眾等眾多車企都先后推出氫燃料電池汽車；在重載卡車方面，氫燃料電池也有應(yīng)用。美國尼古拉汽車公司研制了Nikola One氫燃料電池重載卡車，現(xiàn)代汽車公司2020年實(shí)現(xiàn)了燃料電池重型卡車XCIENT Fuel Cell的大規(guī)模生產(chǎn)。

燃料電池汽車相比電動(dòng)汽車具備加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長、低溫冷啟動(dòng)等特點(diǎn)，美國、歐洲、日本、韓國等國家和地區(qū)均制定了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國2020年11月發(fā)布《氫能項(xiàng)目計(jì)劃2020》，致力于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)，并將加大示范和部署力度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?。美國加州規(guī)劃2030年燃料電池汽車達(dá)到100萬輛。歐洲2020年7月發(fā)布《歐盟氫能戰(zhàn)略》，將“氫能戰(zhàn)略”作為“能源一體化戰(zhàn)略”的關(guān)鍵，為工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)去碳化，并通過投資、監(jiān)管、市場創(chuàng)建以及研究和創(chuàng)新等一系列措施來幫助這種潛力變成現(xiàn)實(shí)。英國發(fā)布的氫戰(zhàn)略指出到2030年，氫將在英國化工、煉油廠、電力和重型運(yùn)輸（如：航運(yùn)、重型貨車和火車）等高污染、能源密集型行業(yè)脫碳方面發(fā)揮重要作用；2050年，英國20%～35%的能源消耗將以氫為基礎(chǔ)，最終為英國2035年減少78%排放和2050年凈零排放目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。日本2020年12月發(fā)布《綠色增長戰(zhàn)略》，確定了日本到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，構(gòu)建“零碳社會(huì)”，氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展氫燃料電池動(dòng)力汽車、船舶和飛機(jī)。韓國2020年2月發(fā)布《2020年新能源和可再生能源技術(shù)開發(fā)利用和行動(dòng)計(jì)劃》，進(jìn)一步投資于氫能研發(fā)，包括加氫站、燃料電池國產(chǎn)化和增強(qiáng)安全性。

我國高度重視燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)以及科技部、聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署牽頭的重大示范運(yùn)營項(xiàng)目開始，近年來示范推廣區(qū)域逐漸從北京、上海拓展到了張家口、鄭州、成都、蘇州等多個(gè)示范城市，示范車型也逐步從燃料電池客車擴(kuò)大到物流車、輕型客車、環(huán)衛(wèi)車等，示范運(yùn)營規(guī)模也從每批次數(shù)臺(tái)擴(kuò)大到數(shù)百臺(tái)。我國近期發(fā)布了《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》等一系列國家重大發(fā)展規(guī)劃，明確了加快推進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

據(jù)頭豹研究院統(tǒng)計(jì)，我國2015年氫燃料電池總裝機(jī)規(guī)模不足1兆瓦，經(jīng)過五年的發(fā)展時(shí)間，2020年氫燃料電池總裝機(jī)規(guī)模已提升至128兆瓦，年均增長率約403%。作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要細(xì)分領(lǐng)域之一，氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)有望正式迎來提速發(fā)展階段，而氫燃料電池行業(yè)作為氫能源重要應(yīng)用下游領(lǐng)域?qū)⑼娇焖侔l(fā)展。預(yù)計(jì)2019—2024年氫燃料電池總裝機(jī)規(guī)模有望保持61%的年均增長速度，2024年達(dá)到1 383兆瓦。

近期我國北京、上海、廣東首批燃料電池汽車示范城市群陸續(xù)批復(fù)，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展即將進(jìn)入加速期。已有超過30家上市公司布局了氫能及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)。

氫燃料電池技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀為其應(yīng)用于港機(jī)設(shè)備上提供了可能和有力支撐。目前港機(jī)設(shè)備仍然以傳統(tǒng)的柴油機(jī)為主，雖然已有鋰電池結(jié)合小柴油機(jī)、全電池等系統(tǒng)在設(shè)備上開始應(yīng)用，但總體規(guī)模還不大。對(duì)于國內(nèi)外的各個(gè)碼頭而言，節(jié)能減排是非常迫切的需求。氫燃料電池系統(tǒng)能量密度高、零排放、噪音低，借助氫燃料電池汽車的市場拓展趨勢，將氫燃料電池應(yīng)用于港機(jī)設(shè)備，符合用戶需求和預(yù)期。

4 氫燃料電池系統(tǒng)在輪胎吊上的設(shè)計(jì)實(shí)例

輪胎吊是常用的港機(jī)設(shè)備，集裝箱在陸地上的裝卸都要依靠輪胎吊，同時(shí)，輪胎吊也是港口能耗最大的機(jī)械之一，每天消耗大量柴油。輪胎吊每臺(tái)年用油在40～70萬元，營運(yùn)成本壓力大，同時(shí)燃油輪胎吊也排放大量的廢氣黑煙，產(chǎn)生大量噪音[5]。

通過氫燃料電池系統(tǒng)在輪胎吊上設(shè)計(jì)使用，實(shí)現(xiàn)了輪胎吊設(shè)備的清潔、低碳、零排放。

4.1 氫燃料電池系統(tǒng)

輪胎吊氫燃料電池系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上包括氫燃料電池電堆、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、空氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、升壓DC/DC變換器、降壓DC/DC變換器。儲(chǔ)氫系統(tǒng)與氫氣子系統(tǒng)連接。升壓DC/DC變換器通過高壓盒與氫燃料電池電堆相連，節(jié)省了氫燃料電池系統(tǒng)空間，降低了成本，避免了安全隱患。降壓DC/DC變換器與升壓DC/DC變換器相連，提供了低壓電源。升壓DC/DC變換器還與冷卻液循環(huán)泵、加熱器和空壓機(jī)控制器相連。氫氣子系統(tǒng)與氫燃料電池電堆的電堆氫氣入口和電堆氫氣出口相連?？諝庾酉到y(tǒng)與氫燃料電池電堆的電堆空氣入口和電堆空氣出口相連。冷卻子系統(tǒng)與氫燃料電池電堆的電堆冷卻液入口和電堆冷卻液出口相連。升壓DC/DC變換器的功率為75 kW。升壓DC/DC變換器帶兩路輔助輸出。升壓DC/DC變換器采用液冷。升壓DC/DC變換器的輸入電壓范圍為170～340 V，輸出電壓范圍為390～750 V。

氫燃料電池電堆燃料為氫氣、純度99.99%，氫氣供氣壓力為120 kPa（表壓），供氣溫度55～65 ℃。氧化劑為空氣，純度99.99%，空氣供氣壓力為100 kP（a表壓），供氣溫度60～65 ℃。冷卻液為乙二醇和去離子水的混合物，其中乙二醇體積占比50%，去離子水體積占比50%。冷卻液入口溫度為65 ℃。冷卻液入口壓力為95 kPa（表壓）。冷卻液的電導(dǎo)率小于等于5 μs/cm。冷卻液具有優(yōu)異的耐低溫性、耐腐蝕性和散熱性。

氫燃料電池電堆為超薄金屬雙極板電堆。氫燃料電池電堆中單電池節(jié)數(shù)為340節(jié)，單電池有效活性面積為350 cm2。氫燃料電池電堆輸出的電壓范圍為200～350 V DC。氫燃料電池系統(tǒng)在低溫下工作，工作環(huán)境溫度為-20 ℃至45 ℃。氫燃料電池系統(tǒng)具有IP67的防護(hù)等級(jí)。噪音小于75分貝。

儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括六個(gè)儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫瓶安裝于輪胎吊電氣房側(cè)鞍梁下方，可叉裝。儲(chǔ)氫瓶為35 MPa的鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫瓶容量為165 L，儲(chǔ)氫瓶環(huán)境溫度范圍-30～50℃，環(huán)境濕度范圍10%～90%。儲(chǔ)氫瓶在輪胎吊電氣房中的安裝設(shè)計(jì)及布置便于儲(chǔ)氫瓶檢查和更換，儲(chǔ)氫瓶可叉裝。

氫燃料電池系統(tǒng)包括常電繼電器。當(dāng)氫燃料電池系統(tǒng)按流程完成下電后切斷常電繼電器，系統(tǒng)完全斷電。氫燃料電池系統(tǒng)通過CAN總線控制啟動(dòng)。

圖1 用于輪胎吊的氫燃料電池系統(tǒng)組成

4.2 輪胎吊

輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)可以僅為氫燃料電池系統(tǒng)，也可以包括氫燃料電池系統(tǒng)、鋰電池組，氫燃料電池系統(tǒng)與鋰電池組形成燃電混合動(dòng)力系統(tǒng)，共同為輪胎吊提供清潔動(dòng)力來源。

輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)通過直流母排為輪胎吊供電。氫燃料電池電堆位于輪胎吊電氣房上方。輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)也可以包括小功率柴油發(fā)電機(jī)組作為備用發(fā)電機(jī)組，常規(guī)狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)組不工作。

輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)包括預(yù)充電回路。預(yù)充電回路包括開關(guān)和電阻。設(shè)置預(yù)充電回路提升了操作性能和系統(tǒng)的安全性。預(yù)充電回路包括開關(guān)K2和電阻R2。開關(guān)K2和電阻R2的兩端與開關(guān)K1并聯(lián)。電路中還包括電阻R1、電阻R3、電阻R4和電阻R5。氫燃料電池系統(tǒng)和鋰電池組通過CAN總線與PLC模塊連接。氫燃料電池系統(tǒng)的升壓DC/DC變換器通過高壓盒與鋰電池組相連，高壓盒為高壓配線盒。升壓DC/DC變換器與鋰電池組相連的高壓盒中包括氫燃料電池回路繼電器。氫燃料電池回路繼電器由FCU通過CAN控制。輪胎吊的動(dòng)力系統(tǒng)還可以為輪胎吊的輔助電源提供電量。

4.3 管理系統(tǒng)

通過氫燃料電池管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，氫燃料電池管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行模式管理及狀態(tài)信息輸出，控制系統(tǒng)啟動(dòng)停止、運(yùn)行調(diào)節(jié)、冷啟動(dòng)控制、氫安全管理、儲(chǔ)氫壓力和溫度實(shí)時(shí)檢測、供氫管道通斷控制，以及故障診斷及處理。

設(shè)計(jì)的氫燃料電池系統(tǒng)在輪胎吊上的應(yīng)用方案的優(yōu)勢是，能夠滿足碼頭輪胎吊的工作要求，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性高，具有過載能力，氫燃料電池系統(tǒng)在低溫下工作時(shí)具有較快的啟動(dòng)時(shí)間，-20 ℃時(shí)氫燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間小于5 min，加載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率大于等于6 kW/s，卸載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率≥6 kW/s。氫燃料電池電堆的輸出功率可達(dá)75 kW，使用壽命超過10 000 h。

輪胎吊采用氫燃料電池系統(tǒng)，降低了碼頭市電供電容量配比，減少了基建投資，設(shè)備減少了高壓電纜卷盤，高壓電纜、高壓開關(guān)柜、高壓變壓器等投資，并實(shí)現(xiàn)了碼頭設(shè)備零排放。

5 結(jié)語

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，我國加氫站建設(shè)已步入快速發(fā)展階段。氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展，應(yīng)用場景不斷拓展。氫燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，為氫燃料電池在港機(jī)設(shè)備上大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。氫燃料電池在港機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用大大減少了港口碳排放、基建投資和設(shè)備投入。