氢燃料电池系统于港机设备上的应用和设计

2022-02-18李惠卿余文学严亦慈何春磊张卿

化工管理 2022年3期

关键词：电堆储氢锂电池

李惠卿，余文学，严亦慈，何春磊，张卿

(上海国际港务（集团）股份有限公司宜东集装箱码头分公司，上海 200940)

0 引言

港机设备，特别是移动型的轮胎吊等，还是以传统的柴油机为主。码头港机设备数量多，油品消耗大。节能减排是码头非常迫切的需求。目前已经有锂电池结合柴油机系统在港机设备上开始应用，但总体规模不大。尚未有以氢气为燃料的燃料电池系统在港机设备上应用。

1 氢燃料电池的基本特性与工作原理

燃料电池系统是一种发电系统，其在燃料电池堆中将燃料所具有的化学能直接转换成电能，而不是通过燃烧将化学能转换为热能。燃料电池系统主要包括产生电能的燃料电池堆、将作为燃料的氢供应给燃料电池堆的氢供应器、将作为电化学反应所需的氧化剂的空气(氧气)供应给燃料电池堆的空气供应器、将燃料电池堆的反应热排放到系统外部并控制燃料电池堆的工作温度以执行水管理功能的热/水管理系统，以及控制燃料电池系统的整体操作的燃料电池系统控制器。

在燃料电池堆中包括膜电极组件、用于均匀地分配反应气体并传递所产生的电能的气体扩散层、保持反应气体和冷却水的气密性和适当的紧固压力的垫片和紧固件，以及双极板等结构。其中，膜电极组件具体包括氢离子在其中移动的聚合物电解质膜和附接到该聚合物电解质膜的相对侧并发生电化学反应的催化剂层。

通过这种构造，燃料电池系统通过使作为燃料的氢气与空气中的氧气发生反应来产生直流电（DC），其通过逆变器转化成交流电（AC），并且排放作为反应副产物的热和水。氢燃料电池系统可以在较低的温度工作，在产生功率时具有较高效率，并且具有较短的启动时间和电力转换反应时间[1]。

2 港机设备节能减排技术现状

港机设备主要包括岸边集装箱起重机、集装箱龙门起重机和散货装卸机械。其中岸边集装箱起重机用于在港口码头从运输船舶上装卸集装箱，而集装箱龙门起重机用于在港口码头或集装箱堆场内堆放物料及运输货物。集装箱龙门起重机可分为轮胎吊（RTG）和轨道吊（RMG）。散货装卸机械主要包括散货装船机、卸船机、堆料机、斗轮堆取料机及翻车机。

港机设备一般使用重柴油作为燃料，工作时会产生大量的NOx、VOCs、COx、SOx等污染物。节能减排一直是港机设备技术发展的重要目标。在港机设备节能减排方面，先后经历了变速柴油机节能、混合动力节能以及最新的全电动节能3个阶段。变速柴油机节能是在待工时降低柴油机转速来达到节能效果。混合动力节能将锂电池作为储能单元，在重物下降过程或制动过程中锂电池储能，在提升过程或启动过程中锂电池辅助供电。全电动节能技术是近年来研发的锂电池直接驱动港机设备的最新技术，如振华重工上海港的锂电池轮胎起重机，节能率在65%以上[2]；青岛前湾集装箱码头有限责任公司在轮胎吊的转场时，采用容量高于200 AH的大容量磷酸铁锂电池组替换设备原柴油发电机组来提供动力，改造后，单台轮胎吊年度可节约燃油消耗3 500余升[3]。锂电池动力系统可以装备新采购的RTG，也可以对旧机进行改造，对硬件设备的适应性很高。锂电池动力系统RTG相比市电RTG，降低了码头基建以及码头配电系统的改造和扩建工作的投资，具有较好的经济性[4]。

3 氢燃料电池系统在港机设备上的应用前景

近年来，氢燃料电池技术取得了较大突破，也在许多领域开始了广泛应用。在乘用车方面，通用、丰田、奔驰、宝马、大众等众多车企都先后推出氢燃料电池汽车；在重载卡车方面，氢燃料电池也有应用。美国尼古拉汽车公司研制了Nikola One氢燃料电池重载卡车，现代汽车公司2020年实现了燃料电池重型卡车XCIENT Fuel Cell的大规模生产。

燃料电池汽车相比电动汽车具备加氢时间短、续航里程长、低温冷启动等特点，美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区均制定了氢能产业发展规划促进燃料电池汽车产业发展。美国2020年11月发布《氢能项目计划2020》，致力于氢能全产业链的技术研发，并将加大示范和部署力度，实现产业规模化。美国加州规划2030年燃料电池汽车达到100万辆。欧洲2020年7月发布《欧盟氢能战略》，将“氢能战略”作为“能源一体化战略”的关键，为工业生产、交通运输等领域实现去碳化，并通过投资、监管、市场创建以及研究和创新等一系列措施来帮助这种潜力变成现实。英国发布的氢战略指出到2030年，氢将在英国化工、炼油厂、电力和重型运输（如：航运、重型货车和火车）等高污染、能源密集型行业脱碳方面发挥重要作用；2050年，英国20%～35%的能源消耗将以氢为基础，最终为英国2035年减少78%排放和2050年净零排放目标作出重要贡献。日本2020年12月发布《绿色增长战略》，确定了日本到2050年实现碳中和的目标，构建“零碳社会”，氢能产业重点发展氢燃料电池动力汽车、船舶和飞机。韩国2020年2月发布《2020年新能源和可再生能源技术开发利用和行动计划》，进一步投资于氢能研发，包括加氢站、燃料电池国产化和增强安全性。

我国高度重视燃料电池汽车产业发展，从北京奥运会、上海世博会以及科技部、联合国开发计划署牵头的重大示范运营项目开始，近年来示范推广区域逐渐从北京、上海拓展到了张家口、郑州、成都、苏州等多个示范城市，示范车型也逐步从燃料电池客车扩大到物流车、轻型客车、环卫车等，示范运营规模也从每批次数台扩大到数百台。我国近期发布了《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》《节能与新能源汽车技术路线图2.0》等一系列国家重大发展规划，明确了加快推进燃料电池汽车产业的发展。

据头豹研究院统计，我国2015年氢燃料电池总装机规模不足1兆瓦，经过五年的发展时间，2020年氢燃料电池总装机规模已提升至128兆瓦，年均增长率约403%。作为实现“碳达峰、碳中和”目标的重要细分领域之一，氢能源相关产业有望正式迎来提速发展阶段，而氢燃料电池行业作为氢能源重要应用下游领域将同步快速发展。预计2019—2024年氢燃料电池总装机规模有望保持61%的年均增长速度，2024年达到1 383兆瓦。

近期我国北京、上海、广东首批燃料电池汽车示范城市群陆续批复，我国燃料电池汽车产业发展即将进入加速期。已有超过30家上市公司布局了氢能及氢燃料电池产业。

氢燃料电池技术的研究和应用现状为其应用于港机设备上提供了可能和有力支撑。目前港机设备仍然以传统的柴油机为主，虽然已有锂电池结合小柴油机、全电池等系统在设备上开始应用，但总体规模还不大。对于国内外的各个码头而言，节能减排是非常迫切的需求。氢燃料电池系统能量密度高、零排放、噪音低，借助氢燃料电池汽车的市场拓展趋势，将氢燃料电池应用于港机设备，符合用户需求和预期。

4 氢燃料电池系统在轮胎吊上的设计实例

轮胎吊是常用的港机设备，集装箱在陆地上的装卸都要依靠轮胎吊，同时，轮胎吊也是港口能耗最大的机械之一，每天消耗大量柴油。轮胎吊每台年用油在40～70万元，营运成本压力大，同时燃油轮胎吊也排放大量的废气黑烟，产生大量噪音[5]。

通过氢燃料电池系统在轮胎吊上设计使用，实现了轮胎吊设备的清洁、低碳、零排放。

4.1 氢燃料电池系统

轮胎吊氢燃料电池系统从结构上包括氢燃料电池电堆、储氢系统、氢气子系统、空气子系统、冷却子系统、升压DC/DC变换器、降压DC/DC变换器。储氢系统与氢气子系统连接。升压DC/DC变换器通过高压盒与氢燃料电池电堆相连，节省了氢燃料电池系统空间，降低了成本，避免了安全隐患。降压DC/DC变换器与升压DC/DC变换器相连，提供了低压电源。升压DC/DC变换器还与冷却液循环泵、加热器和空压机控制器相连。氢气子系统与氢燃料电池电堆的电堆氢气入口和电堆氢气出口相连。空气子系统与氢燃料电池电堆的电堆空气入口和电堆空气出口相连。冷却子系统与氢燃料电池电堆的电堆冷却液入口和电堆冷却液出口相连。升压DC/DC变换器的功率为75 kW。升压DC/DC变换器带两路辅助输出。升压DC/DC变换器采用液冷。升压DC/DC变换器的输入电压范围为170～340 V，输出电压范围为390～750 V。

氢燃料电池电堆燃料为氢气、纯度99.99%，氢气供气压力为120 kPa（表压），供气温度55～65 ℃。氧化剂为空气，纯度99.99%，空气供气压力为100 kP（a表压），供气温度60～65 ℃。冷却液为乙二醇和去离子水的混合物，其中乙二醇体积占比50%，去离子水体积占比50%。冷却液入口温度为65 ℃。冷却液入口压力为95 kPa（表压）。冷却液的电导率小于等于5 μs/cm。冷却液具有优异的耐低温性、耐腐蚀性和散热性。

氢燃料电池电堆为超薄金属双极板电堆。氢燃料电池电堆中单电池节数为340节，单电池有效活性面积为350 cm2。氢燃料电池电堆输出的电压范围为200～350 V DC。氢燃料电池系统在低温下工作，工作环境温度为-20 ℃至45 ℃。氢燃料电池系统具有IP67的防护等级。噪音小于75分贝。

储氢系统包括六个储氢瓶，储氢瓶安装于轮胎吊电气房侧鞍梁下方，可叉装。储氢瓶为35 MPa的铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢瓶，储氢瓶容量为165 L，储氢瓶环境温度范围-30～50℃，环境湿度范围10%～90%。储氢瓶在轮胎吊电气房中的安装设计及布置便于储氢瓶检查和更换，储氢瓶可叉装。

氢燃料电池系统包括常电继电器。当氢燃料电池系统按流程完成下电后切断常电继电器，系统完全断电。氢燃料电池系统通过CAN总线控制启动。

图1 用于轮胎吊的氢燃料电池系统组成

4.2 轮胎吊

轮胎吊的动力系统可以仅为氢燃料电池系统，也可以包括氢燃料电池系统、锂电池组，氢燃料电池系统与锂电池组形成燃电混合动力系统，共同为轮胎吊提供清洁动力来源。

轮胎吊的动力系统通过直流母排为轮胎吊供电。氢燃料电池电堆位于轮胎吊电气房上方。轮胎吊的动力系统也可以包括小功率柴油发电机组作为备用发电机组，常规状态下，柴油发电机组不工作。

轮胎吊的动力系统包括预充电回路。预充电回路包括开关和电阻。设置预充电回路提升了操作性能和系统的安全性。预充电回路包括开关K2和电阻R2。开关K2和电阻R2的两端与开关K1并联。电路中还包括电阻R1、电阻R3、电阻R4和电阻R5。氢燃料电池系统和锂电池组通过CAN总线与PLC模块连接。氢燃料电池系统的升压DC/DC变换器通过高压盒与锂电池组相连，高压盒为高压配线盒。升压DC/DC变换器与锂电池组相连的高压盒中包括氢燃料电池回路继电器。氢燃料电池回路继电器由FCU通过CAN控制。轮胎吊的动力系统还可以为轮胎吊的辅助电源提供电量。

4.3 管理系统

通过氢燃料电池管理系统进行管理，氢燃料电池管理系统进行系统运行模式管理及状态信息输出，控制系统启动停止、运行调节、冷启动控制、氢安全管理、储氢压力和温度实时检测、供氢管道通断控制，以及故障诊断及处理。

设计的氢燃料电池系统在轮胎吊上的应用方案的优势是，能够满足码头轮胎吊的工作要求，结构紧凑，安全性高，具有过载能力，氢燃料电池系统在低温下工作时具有较快的启动时间，-20 ℃时氢燃料电池系统的启动时间小于5 min，加载动态响应速率大于等于6 kW/s，卸载动态响应速率≥6 kW/s。氢燃料电池电堆的输出功率可达75 kW，使用寿命超过10 000 h。

轮胎吊采用氢燃料电池系统，降低了码头市电供电容量配比，减少了基建投资，设备减少了高压电缆卷盘，高压电缆、高压开关柜、高压变压器等投资，并实现了码头设备零排放。