“三峡氢舟1”氢燃料供电系统设计要点.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.004“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 龙浩楠，刘桂玲，汤文军（武汉长江船舶设计院有限公司，湖北 武汉 430062）摘要：“三峡氢舟 1”是国内首艘入级 CCS 的氢燃料电池动力船舶，其氢燃料供电系统的研发、设计和实船应用是项目建设中的难点。本文通过对“三峡氢舟 1”的发电系统、配电系统、能量管理策略、涉氢设备的布置以及涉氢安全处理措施等设计情况进行分析，解决了氢燃料电池动力船舶氢燃料供电系统应用中的关键问题。关键词：氢燃料电池；能量管理；涉氢设备 中图分类号：U664.1 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0014-05 Design Points of Hydrogen Fuel Power Supply System for San Xia Qing Zhou 1 LONG Haonan,LIU Guiling,TANG Wenjun(Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430062,China)Abstract:San Xia Qing Zhou 1is the first hydrogen fuel-powered ship classified as CCS in China.The research,design and practical application of its hydrogen fuel power supply system are difficult points in the project construction.This paper analyzes the design points of the power generation system,distribution system,energy management strategy,arrangement of hydrogen-related equipment and hydrogen-related safety handling measures of the San Xia Qing Zhou 1.The key problem of hydrogen fuel power supply system for hydrogen fuel cell powered ships is solved.Key words:hydrogen fuel cell;energy management;hydrogen related equipment 0 引言 氢气具有清洁、高效等优点，其燃烧热值也是除核燃料之外，所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。这些优势让氢气成为解决全球能源紧缺和环境污染问题的关键技术之一。以氢气为主要燃料的燃料电池具有零排放、噪声小、能效转换率高、可快速启动等优势，非常适合作为船舶动力使用，因此氢燃料电池作为船舶动力的构想得到了很多国家的重视，美国、日本、欧盟等国家和地区多个大型船运或者商用企业在氢燃料电池船舶上进行了研发投入，启动了多个示范应用项目，其中单个燃料电池最大的功率达到 200kW，国外现阶段船用燃料电池系统功率一般在350kW 以内，正在向 5001 000kW 的燃料电池系统 收稿日期：2023-05-31 作者简介：龙浩楠（1974-），女，湖南人，高级工程师，研究方向为船舶电气及自动化.（）发展。“三峡氢舟 1”是国内首艘满足最新规范要求的氢燃料电池动力船舶，具有高环保性、高舒适性、低能耗、低噪声等特点，交付后将用于三峡库区及两坝间交通、巡查、应急等工作。其氢燃料电池额定输出功率可达到 500kW，是首套获得 CCS 认证的 500kW级氢燃料电池动力系统，其氢燃料供电系统的研发、设计和实船应用是项目建设中的难点，其投入使用为我国后续氢燃料电池船舶的推广提供了重要的理论基础和实践经验。1 氢燃料电池船舶发电系统 1.1 系统组成及功能 氢燃料发电系统采用氢气和空气的电化学反应方式，将化学能转化为电能。氢燃料发电装置主要由第 4 期 龙浩楠等，“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 15 四大单元组成，分别为氢燃料电池电堆、监控单元、辅助单元和外壳。“三峡氢舟 1”的氢燃料电池电堆采用氢空质子交换膜技术，考虑辅机功耗、电力变换功耗、功率余量和可靠性，单个氢燃料电池模块实际输出总功率为 70kW，由 2 套 35kW 的氢燃料电池电堆组成。单个氢燃料电池模块外壳采用集成端板和铝合金壳体。氢燃料发电装置功能框图如图 1 所示。其中，氢燃料电池电堆将氢气与空气中的氧气转化为电能；空压机将空气升压，膜增湿器利用电堆生成水加湿空气；比例阀将氢气减压，氢气循环泵将电堆反应后的残余氢气重新送入电堆，提高了氢气的利用率；巡检板监控氢燃料电池电堆的单节电压；主控制器为系统运行提供工作条件与安全保护控制。氢燃料发电装置内部没有冗余设计，主要是为了追求更高的质量功率密度，尽量简化氢燃料发电装置的组成。图 1 氢燃料发电装置功能框图 Fig.1 Functional block diagram of hydrogen fuel power generation device 1.2 氢燃料电池系统工作流程 氢燃料电池系统的化学能转化为电能的转换流程如下：（1）氢气通过导板到达阳极。（2）在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：H22H+2e。（3）在电池的另一端，氧气或空气通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H+2e+H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2=H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向氢燃料电池阳极和阴极供给氢和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。“三峡氢舟 1”氢气以 35MPa 高压气态形式储存，从高压氢气瓶组出来的高压氢气经减压阀组减压后由管路输送至氢燃料电池模块，同时燃料电池模块所需空气通过空气管直接从位于气体安全处所的室外抽取，由机带专用空气过滤器过滤后，进入燃料电池电堆中与氢气进行电化学反应，参与反应后的废气和生成水直接排出舷外水线以上。氢燃料电池工作为船舶电网提供电能，没有完全消耗的氢气进入排气系统后排出舷外水线以上；整个工作过程由氢燃料电池控制系统控制，由氢燃料电池安全保护系统保护安全运行，电力输出调节装置调节输出电力，氢燃料电池装置与电网隔离，同时电网接入储能装置，可回收多余电量，并保证氢燃料电池失效时为船舶提供电能。1.3 氢燃料电池产品参数 氢燃料电池产品参数见表 1。表 1 氢燃料电池产品参数 Tab.1 Hydrogen fuel cell product parameters 参数 数值 输出额定功率 70kW 输出电压 200380VDC 输出电流 0400A 输入高压直流电源功率 12kW 输入高压直流电源电压 450750VDC 输入低压直流电源功率 0.6kW 输入低压直流电源电压 24VDC 氢气供给压力 0.50.7MPa 氢气额定消耗 1.15g/s 发电效率 45%防护等级 IP65 1.4 船舶主电源的设置 中国船级社（CCS）在船舶应用燃料电池发电装置指南中提到：若船舶配置了燃料电池发电装置和主发电机组或动力电池，燃料电池发电装置可作为船舶主电源的组成部分向全船电气设备供电，并可申请 FC-POWER1 附加标志。因此，燃料电池系统只要满足规范要求的安全性和可靠性，能向全船用电设备稳定供电，可等效于船舶主电源的组成部分。由于燃料电池价格昂贵，在船上布局多组氢燃料电池动力系统将极大增加船舶建造初始费用负担，另外，氢燃料电池的发电过程为化学反应，其特殊的结构特点造成响应速率慢、短路和过载承受能力差等问题，燃料电池不具备自启动能力，氢燃料电池系统的突增突减负荷响应特性较差，通常需要配备储能装置作为辅助启动设备来负责“削峰填谷”，且在船舶最大航速工况时，船舶动力系统对电力需求非常大，仅仅依靠氢燃料发电系统不能满足需求，为提高系统的稳定性和灵活性，“三峡氢舟 1”采用混合动力系统，配置 2 套独立的氢燃料电池系统，每套由 4 组 70kW 氢16 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 燃料发电装置组成，氢燃料电池系统最大发电功率为500kW；另配置 2 组独立的锂电池组，每组电池903kW h，每组电池由 6 簇电池簇并联组成，锂电池动力系统能提供最大约 900kW 的总功率。采用氢燃料电池组与锂电池组共同组成船舶主电源：燃料电池组设有控制系统，锂电池组设有 BMS管理系统，直流配电系统采用 EMS 管理系统，可以有效满足规范对船舶主电源的相关要求。2 氢燃料电池船舶配电系统 2.1 船舶配电系统的设置“三峡氢舟 1”配电系统分为直流配电系统和交流配电系统，具体如表 2 所示。表 2 配电系统设置 Tab.2 Power distribution system settings 名称 参数 备注 直流配电板 推进控制屏&逆变电源屏 1 屏 锂电池输入屏 2 屏 氢燃料电池输入屏 2 屏 母联&充电屏 1 屏 列出为单块直流配电板的设置，左右舷直流板配置相同，内含能量管理系统。隔离变压器 AC400V/400V、100kVA2 只 交流配电板 AC380V、AC220V，2 屏 照明变压器 AC400V/230V、40kVA2 只 直流配电板分为左、右舷两部分，每块直流配电板通过 DC/DC 模块接入 6 个锂电池簇和 4 个氢燃料电池模块。氢燃料电池模块和锂电池簇通过DC/DC变换器在直流母线侧进行并网。“三峡氢舟 1”的电力系统结构见图 2。图 2 电力系统单线图 Fig.2 Single line diagram of power system 直流主配电板集成了直流配电、直流保护、充放电控制、变频驱动及逆变电源（日用负荷逆变供电）等功能。2.2 功率和能量的分配模式及控制策略 2.2.1 氢燃料电池+锂电池混合动力模式 氢燃料电池动力船舶需要根据实时功率需求，综合考虑各动力源的输出特性与整船动力性、操纵性之间的匹配关系，自动选择最优的动力分配策略、合理设置各氢燃料电池和锂电池的投入和撤出时序，以及两种电池输出功率的配比。“三峡氢舟 1”的能量管理系统控制对象为氢燃料电池系统、锂电池系统和直流配电板。根据航行工况，实时控制氢燃料电池发电系统以及锂电池系统的工作状态。由于“三峡氢舟 1”直流配电系统 2 段母排独立运行，本文分析均为单侧设备的分析说明，具体分析工况如下：（1）船电启动阶段 船电启动阶段，顺序启动锂电池组锂电池DC/DC逆变电源直流配电辅助风机水泵，此时船电就绪。氢燃料电池系统根据能量管理系统指令，启动氢燃料电池辅助系统，辅助系统就绪后发送就绪状态至能量管理系统。此阶段，单侧全部 6 簇锂电池投入，由锂电池提第 4 期 龙浩楠等，“三峡氢舟 1”氢燃料供电系统设计要点 17 供全船用电，3 台锂电池 DC/DC 变换器（每两簇电池共用一个 DC/DC）并联工作，运行在恒电压模式，提供稳定的直流电压源至直流母排，DC/DC 均流给定通过能量管理系统计算单侧日用负荷大小，平均分配到每个 DC/DC，确保电池簇放电一致；单侧日用逆变电源运行在恒压恒频模式，提供船上 380V/220V/50Hz交流用电。（2）巡航工况 根据电力负荷计算，巡航工况下，全船负载总功率小于氢燃料电池系统可提供的最大功率。氢燃料电池系统根据能量管理系统指令自动投入运行并作为主用电源对外供电，锂电池组始终在网并用于稳定母线电压，使氢燃料电池始终处于较平稳的运行工况。此工况下，全部 4 套发电模块投入，氢燃料电池系统（配合 4 台氢燃料电池 DC/DC 变换器）处于电流控制模式，根据能量管理系统计算的