船用燃料电池模块系统设计研究
杨敬堡 林丞丰
摘 要：通过对燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统的研究，我们看到了氢燃料电池作为船舶电源的良好前景；根据燃料电池系统配置要求，设计出一套能够应用于船舶的燃料电池系统，并对电堆系统的性能进行测试，展示了电堆系统的性能及待解决的问题。
关键词：燃料电池；电堆；系统设计
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）02-0046-02
1 燃料电池系统
燃料电池是目前最有前途的清洁能源技术之一。它是一种将燃料的化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的装置。最为流行的质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用纯氢作为燃料，释放电能和热能，唯一产物为水。由于中间没有机械能这一转化过程，整个燃料电池系统没有移动部件，极少需要维护，而且基本没有噪音。燃料电池也不属于热机，不受卡诺循环的限制，其电效率一般可达50%以上。如果进行热电联产，系统效率可达85%以上。燃料电池与普通充电电池在结构上类似，区别在于其燃料由外部供给，只要燃料不断供应，系统就可以不停地工作，不需要长时间的“充电”。
燃料电池对于燃料的选择有比较高的灵活性。除了纯氢以外，天然气，甲醇，丙烷等都很容易被转化为富氢气体，在通过必要的净化后输入燃料电池系统产生电能。虽然碳氢化合物重整系统的加入会使整个系统的效率降低，也会产生一定的二氧化碳排放，但不会产生硫化物，氮氧化物等污染物。
质子交换膜燃料电池目前主要有两种，一种在较低温度（-20?C –100?C）范围内工作，依赖于水来传递质子，所以燃料需要加湿，而且容易被燃料中的CO毒化，对CO浓度特别敏感，一般要求小于10ppm。优点就是功率密度大，单个系统达到300kW都曾被报道。另一种是在相对高的温度下工作（100?C–200?C），在这个温度范围内，燃料电池内的催化剂抗CO毒化的能力较强，可以忍受3%浓度的CO，远高于一般重整装置所产生的富氢气体中的CO浓度。而且系统结构更简单，无需加湿。缺点是功率密度偏低，而且由于需要包括隔热层，单位功率体积比前者要大很多。因此，选择合适的质子交换膜工作温度是极其重要的。
2 船用燃料电池系统要求
在船舶航运上的应用，给燃料电池系统提出了一些特殊的要求，比如系统必须要能应付海浪造成的颠簸和摇晃，可能还要预处理盐分很高的空气。后者可能需要增加过滤设备，从而增加系统成本。这些需要用户提出特别的使用环境及技术要求。另外任何安装都必须要符合船级社当前的标准和规定。
用户需要对系統的体积，重量，功率大小，以及在船上的安装部位提出要求。
用户还要对转化后的交流电的电压和频率提出要求。
除燃料外，燃料电池系统必须不依赖中途补充任何其他物质来保证系统的运行，是一个独立运行的系统。
2.1 存储系统
燃料的选择比较灵活，从技术上来说可行的存储方式有：
（1）金属氢化物，常压储氢方式。最大特点为安全，但是重量储氢率很低。
（2）液氢，重量和体积储氢率均较好，但是氢气液化是一个高耗能过程。
（3）高压氢气，最常见的的储氢方式。气罐的体积比较大会影响船舶的布局；国内船舶加氢站还没有，加氢不方便。
（4）天然气是一个比较传统的技术，在天然气丰富的地区，天然气制氢是最好的选择。
下述中将只分析使用天然气的情况。
2.2 燃料转化系统
本文研究中将采用天然气为原料制氢，所以需要燃料转化系统。天然气的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将天然气转化为氢气（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的转化气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。
在镍催化剂存在下其主要反应如下：
CH4+H2O→CO+3H2+Q
CO+H2O→CO2+H2+Q
2.3 储能系统
燃料电池系统对负载突然变化的响应不如电池，而电池的续航时间远不如燃料电池。燃料电池和充电电池组成混合动力系统来取长补短。前者负责基本用电，后者应付峰值用电和负载的瞬间改变，峰值用电结束后前者为后者充电。这样的配置会大大降低系统的成本。
3 燃料电池模块设计
3.1 燃料电池系统组成和原理
船用燃料电池系统主要由安全控制箱、LNG储罐、气化器、制氢模块、缓冲罐、燃料电池模块、供风管系、排气管系、排水管系、冷却管系、缓冲蓄电池组、超级电容、逆变器等部分组成。在安全控制箱的控制下，LNG储罐中的液化天然气进入气化器，变成天然气之后在制氢模块转化为氢气，再通过缓冲罐的缓冲作用进入燃料电池模块，在供风、排气、排水、冷却等模块的共同作用下产生电能，经过缓冲蓄电池组、超级电容、逆变器的作用之后输出。
3.2 燃料电池堆系统原理
30KW燃料电池模块，由6个5KW燃料电池并联而成，其中5KW的燃料电池设计完全一致。燃料电池电堆选择成熟的产品，为其配套冷却水系统、监控系统、进排气系统、控制系统使其成为一个完整的模块。水冷系统主要由冷却水箱、纯净水箱、过滤器、风冷散热器、冷却泵及各种阀件组成，为燃料电池进行循环冷却。控制系统能接受来自系统各传感器的信号，并通过上位机操控系统的运行。
3.3 主要设备
燃料电池系统的主要组成设备有：燃料电池堆（30kW）、高压鼓风机、水泵和气液分离器、超级电容、功率分析仪、电子负载、防爆风机、燃料电池本体故障检测仪、制氢装置、烟雾/热能探测器、LNG储罐、气化器组件、氮气惰化吹扫装臵组件、低温阀件、管件、传感器及仪表、H2缓冲罐、压力开关。
（1）燃料电池堆：本设备是燃料电池应用可行性技术研究的关键设备，用于H2和O2的反应，并将化学能转化为电能，是氢燃料电池的核心部件。
（2）高压鼓风机：本设备是将空气压缩至一定压力送入燃料电池堆反应，为氢燃料电池提供足够的氧气参与电化学反应。
（3）水泵和气液分离器：水泵是为燃料电池系统提供冷却水，确保系统工作在适当的温度范圍内；气液分离器是对冷却水冷却系统后进行两相分离，确保冷却水系统工作正常可靠。
（4）超级电容：本设备主要用于大功率电子负载启动时为船舶配电系统稳压，确保燃料电池系统在大功率电子负载启动时维持稳定的输出电压，使系统工作安全、稳定。
（5）功率分析仪：本设备主要用于燃料电池系统工作时对输出功率进行信号收集分析，确保燃料电池系统适应船用负荷的变化要求，满足相关船用规范。
（6）电子负载：本设备作为燃料电池系统模拟负载，检验系统在各个负载条件下的运行状况。
（7）防爆风机：本设备主要用于燃料电池系统的安全防护工作。氢燃料电池系统主要采用LNG制氢作为燃料，需要保持足够的通风条件，以确保系统的工作安全。防爆风机为系统提供满足规范的换气条件。
（8）燃料电池本体故障检测仪：本设备主要用于燃料电池的故障监测和分析，为系统安全运行、故障诊断提供分析依据。
（9）制氢装置：本设备主要用于燃料电池项目LNG通过催化反应制氢，为燃料电池提供反应氢气。
（10）烟雾/热能探测器：本设备主要用于燃料电池系统的安全监测和防火。
（11）LNG储罐：燃料电池项目是利用LNG作为原料制氢，LNG储罐用于LNG的储存，为系统提供制氢原料。
（12）气化器组件：气化器是将LNG气化，为LNG制氢提供符合工况要求的CH4。
（13）氮气惰化吹扫装置组件：燃料电池项目采用LNG原料制氢，CH4和氢气均是易燃易爆气体。氮气惰化吹扫装置对管路进行吹扫，确保系统工作的安全。
（14）低温阀件、不锈钢管件、传感器及仪表。燃料电池系统部分管路需采用不锈钢管路和低温阀件，相关压力表、温度计等测量仪表有特殊要求，同时需对液位、温度、压力等参数进行测量，并将相关数据传输至控制单元。
（15）缓冲罐：本设备主要用于H2储存蓄压，以匹配燃料电池系统的用氢需求。
（16）压力开关：主要用于燃料电池系统的控制系统。
4 结论及存在的问题
整个燃料电池上船系统拟分多个步骤进行：天然气制氢试验、燃料电池模块试验、实船测试等。根据试验进度安排，我所目前完成了30KW燃料电池模块系统试验测试，测试结果如下：
——燃料电池模块的输出电压、电流、功率达到设计要求；
——在3～30kW范围内，效率变化在10%以内；
——突加突减负荷时系统能迅速响应；
——整体噪声小于65分贝；（噪声主要是由风机产生）；
——电池堆的倾斜不影响燃料电池堆的工作，但倾斜角度过大影响冷却系统的排水。
通过对燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统的研究，我们看到了氢燃料电池作为船舶电源的良好前景，同时也清楚了所面临的众多挑战。单纯从装船的角度而言，有下列问题尚待深入研究解决：
（1）30kW燃料电池的氢气消耗量约为21.6m3/h，而国内仅生产每小时产氢量数百立方米的天然气制氢装置，船上采用天燃气制氢的难度较大，而若通过岸基加注氢气，则需要解决储存和加注站建设的问题。
（2）燃料电池系统如果布置在封闭或者半封闭的舱室，则需要采取高度可靠的防爆措施。
（3）天然气制取的氢气纯度有限，影响到催化剂的效率和寿命。
（4）蒸汽重整制氢中用到的水蒸气为纯水蒸气，所以需要添加水的净化处理装置。
参考文献：
[1] 吉桂明.燃料电池驱动的船舶[J]. 热能动力工程. 2013（03）
[2] 叶伟强，宋艳琼.船用燃料电池技术初探[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）. 2015（03）
[3] 日本推动研发燃料电池船舶，拟全面构建氢能源社会[J]. 新材料产业. 2015（07）
[4] 吴苇航.浅谈燃料电池技术研究现状[J]. 中国石油和化工标准与质量. 2016（23）
注：本文章来自国家科技支撑计划资助项目，所属项目： 船舶能效提升与柴电混合动力关键技术研究，课题名称： 高能效江海直达散货船关键技术，项目编号2014BAG04B00
