固体氧化物燃料电池LNG船的电力系统设计

曾辉　鲁枫　马奔

摘    要：本文对燃料电池的分类进行了介绍，对固体氧化物燃料电池LNG船的电力系统和天然气对燃料电池的供给系统进行了设计，并对所设计的电力系统的优点和不足进行了分析。

关键词：燃料电池;LNG;电力系统

中图分类号：U662.2                                文献标识码：A

Power System Design of Solid Oxide Fuel Cell-powered LNG Carrier

ZENG Hui， LU Feng， MA Ben

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： In this paper， the classification of fuel cell is introduced， the power system of solid oxide fuel cell-powered LNG ship and the supply system of natural gas for the fuel cell are designed， and the advantages and disadvantages of the designed power system are analyzed.

Key words： Fuel cell;  LNG;  Power system

1     前言

随着近年来对海上排放要求和特定区域控制排放的要求提高，液化天然气（LNG）作为清洁能源在船上得到了应用。作为运输LNG的船舶，在运输过程中液货舱产生的挥发气体不应该直接排放到大气中浪费掉，而应该得到很好的利用。燃料电池可选用的燃料之中就有天然气[1]，两者结合利用，将在环保和节能减排方面发挥更大的作用。

2     燃料电池的分类

燃料电池的原理是通过化学反应把化学能转化成电能。燃料电池共分为五类：质子交换膜燃料电池;碱性燃料电池;磷酸盐燃料电池;固体氧化物燃料电池（简称SOFC）;熔融碳酸燃料电池[2]。

3     固体氧化物燃料电池（SOFC）

3.1   工作原理

固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理：把燃料气体通入阳极端，空气通入阴极端。阴极端的O^2- 离子会传递到阳极端，将阳极端燃料气体氧化为H₂O或CO₂，并释放自由电子形成电动势，通过外加电路产生电流[3]。

3.2    主要特点

（1）燃料利用面更广，可利用的燃料有柴油、水煤气、液化石油气、天然气、生物质气等;

（2）不需要利用贵金属催化剂;

（3）可实现模块化安装，易于布置;

（4）运转温度高（可达600 ℃～1 000 ℃），余热可进行二次利用，综合效率高。

鉴于SOFC的燃料可以使用天然气，正好可以安装在LNG船上，既能实现排放的要求，又能充分利用液货舱挥发的气体，避免了浪费。本文介绍17.4萬m³LNG船的电力系统和燃料电池的天然气供给系统设计。

4    使用SOFC的LNG船电力系统

4.1   电力系统设计

由于燃料电池输出的是直流电，所以本船的母排采用直流1 000 V，机舱、甲板和上建通讯导航等设备皆使用直流用电设备，仅日常生活用电通过逆变器提供220 V交流电。

如图1所示：电力系统的母排分为两个区域，由跨接开关相连。供电端由燃料电池、超级电容、DC/DC变换器、燃汽轮机发电机、发电机整流器和开关组成，且都是双套配备。其中，超级电容通过DC/DC变换器并经过开关与母排相连;燃汽轮机发电机通过发电机整流器，并经过开关与母排相连;燃料电池经过开关与母排相连;岸电通过发电机整流器，并经过开关与母排相连;用户端由生活用电逆变器、1000 V/220 V变压器、DC/DC变换器、液货设备、机舱设备、控制器、推进电机、通导电池组、通导设备、交流生活用电配电板组成;通导电池组、通导设备和交流生活用电配电板是一套，其它设备是双套配备;采用双机双桨系统，具有更高的操纵性和可靠性。

4.2   电力系统特点

本船的电力系统，主要由燃料电池供电，并利用燃料电池产生的废气经过处理提供给燃气轮机进行燃烧[5]，由燃汽轮机带动发电机进行发电。所有电能汇总到1 000 V直流母排上，为用户端提供电能[6]。

超级电容通过DC/DC变换器与1000 V直流母排相连，在电网中起到降低电网波动的作用，使供电设备燃料电池和燃汽轮机发电机负载波动更平缓;当母排功率用量低时，超级电容进入充电状态储存电能;使供电设备不用在低功率状态下工作，如船舶在海上定速航行或者在锚地抛锚等待时，仍保持在较优的工况;当母排功率用量突然升高时，如船舶速度出现较大提升或者码头装卸货物时，超级电容进入放电状态释放电能，使供电设备负载提升得更平缓。

母排采用分区供电，中间由跨接开关连接。当跨接开关断开时，每区仅能给对应区的用电设备进行独立供电;当跨接开关闭合时，每区不仅能给对应区的用电设备进行供电，还能给其他区的用电设备进行供电。

燃料电池是通过电池管理系统（BMS）来控制电池内部电池供电的顺序，采用轮换的方式以提升电池的使用寿命。具体的功率分配和管理，采用功率管理系统（PMS），对燃料电池和燃汽轮机发电机进行启停和负载分配等方面的控制和管理，使功率分配平衡在一个较优点上。

5    使用SOFC的LNG船天然气供给系统设计

5.1   天然气供给系统设计

如图2所示：对燃料电池所需的天然气的供给，主要是利用挥发气收集系统和气化气系统来提供，并通过GVU装置来调节供气量。主要设备包括：气动泵、气化装置、压缩机和相关管路系统。

5.2   天然气供给系统特点

挥发气系统，主要是利用压缩机把气穹内从液货舱挥发出来的气态天然气抽取出来，通过GVU装置输送到燃料电池内部;气化气系统，是在挥发气系统供应天然气不足时，提供补充天然气的作用;由气动泵把液货舱内的液化天然气抽取出来输送到气化装置内，气化装置通过加热的方法，把液态的天然气转换成气态的天然气，再通过压缩机把气态天然气经过GVU装置输送到燃料电池内部。GVU装置会根据燃料电池的工作状态，调节输送到燃料电池内部的气态天然气的数量。

6     本船电力系统的优缺点

6.1    主要优点

（1）更加环保

能满足海上排放及特定区域控制排放高的要求。因为在燃料电池的排气中，氮氧化物污染物的含量非常低，再加上使用的是电推系统，即使不安装脱氮装置也能满足73/78防污染公约Tier III和特定区域控制排放的要求;

（2）环境适应性强

SOFC具有模块化、组合化和全封闭的优点[3]，综合环境适应性强。模塊化和组合化，可以实现根据实际情况灵活布置;全封闭，可以保证不出现蒸发、腐蚀、电解液流失等情况，还有很高的抗潮湿性、多水汽、高盐分、高油雾和高温等优势;

（3）节省空间

由于使用燃料电池，将不需要像传统内燃机一样配备燃油舱、排气消音器和降低排放的排气脱氮系统;由于SOFC的工作温度较高，在利用余热回收系统的情况下，将不需要配备锅炉系统。因此能够节省大量的空间和载重资源;

（4）低噪音

燃料电池本身是化学反应，所产生的噪音和振动等级很低[4]，相应配套的风机和马达等设备也是低功率的设备，不会产生很大的噪音和振动，比传统内燃机发电机的噪音和振动低很多;

（5）布置灵活

相较于传统内燃机发电机外形尺寸基本固定，只能集中布置在机舱或者辅机舱;燃料电池可以对电推进行分散或者集中方式进行布置，布置方式灵活多变，能更好地利用船上的空间;

（6）能量转化效率高

SOFC本身发电过程的反应温度较高，过程简单，再加上不受卡诺循环效率限制，可实现发电效率50%～65%;对其排气进行余热利用并配合燃气轮机一起使用，能量转化效率甚至高达80%～95%。在相同电负载下，燃料电池发电效率明显优于传统内燃机发电机;

（7）直流供电更优

与交流电三项供电相比，在供电网络的绝缘等级相同、传输功率相同、线路投资成本和传输通道的宽度基本相同的情况下，直流电的传输功率是交流电单线约1.5 倍的交换[7]，所以直流供电系统比交流供电系统具有更大的供电容量;另外，直流供电系统不需要配备无功补偿设备和过滤设备，减少了固定设备的投资，节约了占地，降低输电线路的成本;直流供电相较于交流供电的电能质量更好，相比于交流电不存在电流大小和方向变化的问题，供电更稳定;直流供电相较于交流供电对超级电容的兼容性更高[8][9]，对于通讯导航设备来说，因为都是低电压弱电类设备，直流供电兼容性更高。

6.2    主要缺点

（1） 成本高

电力系统整体成本比常规设备高，主要表现在以下几个方面：

① 燃料电池：燃料电池由于在实船应用较少，采购成本相比于内燃机较高，并且在后期维护方面成本也偏高;

② 直流用电设备：用户端较多采用直流用电设备，直流用电设备比交流用电设备价格高，特别是大功率电机价格会高很多，造成整体成本偏高;

③ 更多的电气防爆设备或者措施：相比于常规双燃料LNG船，燃料电池LNG船会有更大的区域被划分成防爆区域或者采取双壁管等方式，增加了成本。

（2）规范要求高

相比于常规双燃料LNG船，燃料电池LNG船在规范要求方面会有额外的要求。如：中国船级社已发布并于2017年12月1日生效的《船舶应用替代燃料指南第2篇燃料电池系统》中，要求对材料、船舶布置、系统与管路设计、燃料存储、燃料加注、通风、消防、电气设备和检验与试验等方面做了相关规定[10]。该文件虽然是指导性文件，但也应该尽量满足。

7    结束语

燃料电池作为清洁能源近年来在实船上已有少量应用，但是在LNG船上的应用还处于设计研制阶段。本文对使用固体氧化物燃料电池（SOFC）的LNG船的电力系统和天然气对燃料电池的供给系统，进行了设计以及功能介绍，并对所设计的电力系统的优缺点进行了分析，望能对LNG船相关系统的设计提供一些参考作用。

参考文献

[1]姚利森.SOFC在天然气分布式应用中的经济性分析[J].上海节能，2019， No.371 11 77-82.

[2]杨博然，陈志光，秦朝葵.固体氧化物燃料电池（SOFC）外围热管理系统研究进展[J].城市燃气，2019， No.529 03 4-10.

[3]王雅，王傲.中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望[J].船电技术， 2018， 38（07） ：1-5.

[4]刘子杨，翁方龙，李玉生，汤涛，刘仲祥.燃料电池技术在船舶电力推进系统中的应用分析[J].船电技术， 2019， 39（289）， 11 24-29.

[5]张健.固体氧化物燃料电池与燃气轮机联合循环特性分析[D].华北电力大学（河北）， 2007.

[6]李兴宇，刘洪伟.直流组网技术在某内河游览船上的应用[J].广东造船， 2020， 39（175）， 06 67-69.

[7]杨欣可，王赛豪，沙云鹏，乔会杰，孔玉辉，李琼可.用户侧低压直流供电系统研究及创新实践[J].电工电气，2020，No.267 03 39-43.

[8]孙林.新型直流配电推进船舶的配电系统设计[J].江苏船 舶， 2019，36（192），04 5+32-35.

[9]庄伟，孙坚，王春杰，段征.超级电容储能装置在混合动力型直流电推系统中应用与实践[J].船电技术，2018，38（273）， 07 35-38+45.

[10]中国船级社.船舶应用替代燃料指南GD22[S].‐2017.