氫燃料電池系統于港機設備上的應用和設計

李惠卿，余文學，嚴亦慈，何春磊，張卿

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

0 引言

港機設備，特別是移動型的輪胎吊等，還是以傳統的柴油機為主。碼頭港機設備數量多，油品消耗大。節能減排是碼頭非常迫切的需求。目前已經有鋰電池結合柴油機系統在港機設備上開始應用，但總體規模不大。尚未有以氫氣為燃料的燃料電池系統在港機設備上應用。

1 氫燃料電池的基本特性與工作原理

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

在燃料電池堆中包括膜電極組件、用于均勻地分配反應氣體并傳遞所產生的電能的氣體擴散層、保持反應氣體和冷卻水的氣密性和適當的緊固壓力的墊片和緊固件，以及雙極板等結構。其中，膜電極組件具體包括氫離子在其中移動的聚合物電解質膜和附接到該聚合物電解質膜的相對側并發生電化學反應的催化劑層。

通過這種構造，燃料電池系統通過使作為燃料的氫氣與空氣中的氧氣發生反應來產生直流電（DC），其通過逆變器轉化成交流電（AC），并且排放作為反應副產物的熱和水。氫燃料電池系統可以在較低的溫度工作，在產生功率時具有較高效率，并且具有較短的啟動時間和電力轉換反應時間[1]。

2 港機設備節能減排技術現狀

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

港機設備一般使用重柴油作為燃料，工作時會產生大量的NOx、VOCs、COx、SOx等污染物。節能減排一直是港機設備技術發展的重要目標。在港機設備節能減排方面，先后經歷了變速柴油機節能、混合動力節能以及最新的全電動節能3個階段。變速柴油機節能是在待工時降低柴油機轉速來達到節能效果。混合動力節能將鋰電池作為儲能單元，在重物下降過程或制動過程中鋰電池儲能，在提升過程或啟動過程中鋰電池輔助供電。全電動節能技術是近年來研發的鋰電池直接驅動港機設備的最新技術，如振華重工上海港的鋰電池輪胎起重機，節能率在65%以上[2]；青島前灣集裝箱碼頭有限責任公司在輪胎吊的轉場時，采用容量高于200 AH的大容量磷酸鐵鋰電池組替換設備原柴油發電機組來提供動力，改造后，單臺輪胎吊年度可節約燃油消耗3 500余升[3]。鋰電池動力系統可以裝備新采購的RTG，也可以對舊機進行改造，對硬件設備的適應性很高。鋰電池動力系統RTG相比市電RTG，降低了碼頭基建以及碼頭配電系統的改造和擴建工作的投資，具有較好的經濟性[4]。

3 氫燃料電池系統在港機設備上的應用前景

近年來，氫燃料電池技術取得了較大突破，也在許多領域開始了廣泛應用。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，現代汽車公司2020年實現了燃料電池重型卡車XCIENT Fuel Cell的大規模生產。

燃料電池汽車相比電動汽車具備加氫時間短、續航里程長、低溫冷啟動等特點，美國、歐洲、日本、韓國等國家和地區均制定了氫能產業發展規劃促進燃料電池汽車產業發展。美國2020年11月發布《氫能項目計劃2020》，致力于氫能全產業鏈的技術研發，并將加大示范和部署力度，實現產業規模化。美國加州規劃2030年燃料電池汽車達到100萬輛。歐洲2020年7月發布《歐盟氫能戰略》，將“氫能戰略”作為“能源一體化戰略”的關鍵，為工業生產、交通運輸等領域實現去碳化，并通過投資、監管、市場創建以及研究和創新等一系列措施來幫助這種潛力變成現實。英國發布的氫戰略指出到2030年，氫將在英國化工、煉油廠、電力和重型運輸（如：航運、重型貨車和火車）等高污染、能源密集型行業脫碳方面發揮重要作用；2050年，英國20%～35%的能源消耗將以氫為基礎，最終為英國2035年減少78%排放和2050年凈零排放目標作出重要貢獻。日本2020年12月發布《綠色增長戰略》，確定了日本到2050年實現碳中和的目標，構建“零碳社會”，氫能產業重點發展氫燃料電池動力汽車、船舶和飛機。韓國2020年2月發布《2020年新能源和可再生能源技術開發利用和行動計劃》，進一步投資于氫能研發，包括加氫站、燃料電池國產化和增強安全性。

我國高度重視燃料電池汽車產業發展，從北京奧運會、上海世博會以及科技部、聯合國開發計劃署牽頭的重大示范運營項目開始，近年來示范推廣區域逐漸從北京、上海拓展到了張家口、鄭州、成都、蘇州等多個示范城市，示范車型也逐步從燃料電池客車擴大到物流車、輕型客車、環衛車等，示范運營規模也從每批次數臺擴大到數百臺。我國近期發布了《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》等一系列國家重大發展規劃，明確了加快推進燃料電池汽車產業的發展。

據頭豹研究院統計，我國2015年氫燃料電池總裝機規模不足1兆瓦，經過五年的發展時間，2020年氫燃料電池總裝機規模已提升至128兆瓦，年均增長率約403%。作為實現“碳達峰、碳中和”目標的重要細分領域之一，氫能源相關產業有望正式迎來提速發展階段，而氫燃料電池行業作為氫能源重要應用下游領域將同步快速發展。預計2019—2024年氫燃料電池總裝機規模有望保持61%的年均增長速度，2024年達到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批復，我國燃料電池汽車產業發展即將進入加速期。已有超過30家上市公司布局了氫能及氫燃料電池產業。

氫燃料電池技術的研究和應用現狀為其應用于港機設備上提供了可能和有力支撐。目前港機設備仍然以傳統的柴油機為主，雖然已有鋰電池結合小柴油機、全電池等系統在設備上開始應用，但總體規模還不大。對于國內外的各個碼頭而言，節能減排是非常迫切的需求。氫燃料電池系統能量密度高、零排放、噪音低，借助氫燃料電池汽車的市場拓展趨勢，將氫燃料電池應用于港機設備，符合用戶需求和預期。

4 氫燃料電池系統在輪胎吊上的設計實例

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

通過氫燃料電池系統在輪胎吊上設計使用，實現了輪胎吊設備的清潔、低碳、零排放。

4.1 氫燃料電池系統

輪胎吊氫燃料電池系統從結構上包括氫燃料電池電堆、儲氫系統、氫氣子系統、空氣子系統、冷卻子系統、升壓DC/DC變換器、降壓DC/DC變換器。儲氫系統與氫氣子系統連接。升壓DC/DC變換器通過高壓盒與氫燃料電池電堆相連，節省了氫燃料電池系統空間，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泵、加熱器和空壓機控制器相連。氫氣子系統與氫燃料電池電堆的電堆氫氣入口和電堆氫氣出口相連。空氣子系統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）。冷卻液的電導率小于等于5 μs/cm。冷卻液具有優異的耐低溫性、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數為340節，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。氫燃料電池系統在低溫下工作，工作環境溫度為-20 ℃至45 ℃。氫燃料電池系統具有IP67的防護等級。噪音小于75分貝。

儲氫系統包括六個儲氫瓶，儲氫瓶安裝于輪胎吊電氣房側鞍梁下方，可叉裝。儲氫瓶為35 MPa的鋁合金內膽碳纖維全纏繞儲氫瓶，儲氫瓶容量為165 L，儲氫瓶環境溫度范圍-30～50℃，環境濕度范圍10%～90%。儲氫瓶在輪胎吊電氣房中的安裝設計及布置便于儲氫瓶檢查和更換，儲氫瓶可叉裝。

氫燃料電池系統包括常電繼電器。當氫燃料電池系統按流程完成下電后切斷常電繼電器，系統完全斷電。氫燃料電池系統通過CAN總線控制啟動。

圖1 用于輪胎吊的氫燃料電池系統組成

4.2 輪胎吊

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

輪胎吊的動力系統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。輪胎吊的動力系統也可以包括小功率柴油發電機組作為備用發電機組，常規狀態下，柴油發電機組不工作。

輪胎吊的動力系統包括預充電回路。預充電回路包括開關和電阻。設置預充電回路提升了操作性能和系統的安全性。預充電回路包括開關K2和電阻R2。開關K2和電阻R2的兩端與開關K1并聯。電路中還包括電阻R1、電阻R3、電阻R4和電阻R5。氫燃料電池系統和鋰電池組通過CAN總線與PLC模塊連接。氫燃料電池系統的升壓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。輪胎吊的動力系統還可以為輪胎吊的輔助電源提供電量。

4.3 管理系統

通過氫燃料電池管理系統進行管理，氫燃料電池管理系統進行系統運行模式管理及狀態信息輸出，控制系統啟動停止、運行調節、冷啟動控制、氫安全管理、儲氫壓力和溫度實時檢測、供氫管道通斷控制，以及故障診斷及處理。

設計的氫燃料電池系統在輪胎吊上的應用方案的優勢是，能夠滿足碼頭輪胎吊的工作要求，結構緊湊，安全性高，具有過載能力，氫燃料電池系統在低溫下工作時具有較快的啟動時間，-20 ℃時氫燃料電池系統的啟動時間小于5 min，加載動態響應速率大于等于6 kW/s，卸載動態響應速率≥6 kW/s。氫燃料電池電堆的輸出功率可達75 kW，使用壽命超過10 000 h。

輪胎吊采用氫燃料電池系統，降低了碼頭市電供電容量配比，減少了基建投資，設備減少了高壓電纜卷盤，高壓電纜、高壓開關柜、高壓變壓器等投資，并實現了碼頭設備零排放。

5 結語

氫燃料電池產業基礎設施不斷完善，我國加氫站建設已步入快速發展階段。氫燃料電池產業鏈上下游協同發展，應用場景不斷拓展。氫燃料電池技術的不斷進步，為氫燃料電池在港機設備上大規模應用提供了可能。氫燃料電池在港機設備上的應用大大減少了港口碳排放、基建投資和設備投入。