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氢燃料电池完美方案: 可再生能源发电+电解海水制氢+氢燃料电池
燃料电池干货 / 时间:2020-02-17 21:47:38

中国储能网2月17日讯:丰田汽车企业基于Mirai燃料电池系统组件已为Energy Observer重新设计和开发出一海事应用的船载燃料电池系统,使其成为全球第一艘利用风光可再生能源发电+在线电解海水制氢的船舶。Energy Observer从去年年末开始搭载丰田燃料电池系统进行实验,目前处于海上最终全负荷实验。该船计划于2020年2月从法国圣马洛港正式启航并全球巡游,穿越大西洋和太平洋。这艘堪称氢燃料电池动力完美方案(可再生能源制氢+在线电解海水制氢+氢燃料电池),到底是如何工作的呢? 

可再生能源制氢(绿氢)是氢燃料电池能否作为终极动力和构建氢能源社会的关键一步。近年来,以丰田汽车企业为代表的日本,正持续突破和解决氢能源社会的一系列关键基础技术-氢气制储运,并不断取得成就。

2016年,日本国内东芝和岩谷产业等企业联合开建全球最大制氢工厂(年产900吨氢气,可供1万辆FCV使用),实现完全绿色制氢,目前该工厂基本建成,计划在2020年6月前投入使用,向东京奥林匹克运动会和残奥会提供服务。2019年文莱制氢工厂竣工正式开启全球首条氢供应链,该供应链可将文莱制氢厂生产的氢气和甲苯混合,通过化学固定将其转化为甲基环乙烷,并冷却至液态,运输回日本川崎,再提取氢气。2019年,美国EPA批准世界首个将澳大利亚褐煤转化为氢气出口日本的试点项目;2019年,日本川崎在神户工厂举行了全球首艘液态氢运输船下水仪式,计划2020年投入实证验证把在澳大利亚的液氢运输回日本。

Energy Observer集中验证和使用可再生能源发电+电解水+氢燃料电池的解决方案,将进一步为绿色氢燃料电池的全面推广提供案例和参考。Energy Observer搭载的燃料电池系统由丰田欧洲技术中心仅7个月时间设计并装配完成。该船长31m、宽13m、高度12.85m、吃水2.2m、重量34t、有8名机组人员、平均航速4/5节(电力)。Energy Observer双体船动力系统主要由风力发电、光伏发电、海水脱盐系统、电解槽、压缩机、储氢瓶、燃料电池和能量管理系统组成。

Energy Observer动力系统结构

脱盐系统

脱盐系统,亦称海水淡化,为从海水中提取淡水的过程。海水因含盐量非常高,不能直接被使用。目前,海水淡化技术主要有蒸馏法和反渗透法等。Energy Observer采用多级反渗透系统进行海水淡化。

Energy Observer海水反渗透装置

反渗透法是1953年才开始使用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜,将海水与淡水分隔开的。通常,淡水通过半透膜扩散到海水一侧,从而使海水一侧的液面逐渐升高,直至一定高度停止,该过程为渗透。此时,海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。此时,如果对海水一侧施加大于海水渗透压的外压,海水中的纯水将反渗透到淡水中,此过程消耗大量能量。反渗透法的最大优点是节能。反渗透海水淡化技术发展很快,工程造价和运行成本持续降低,主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力,提高反渗透系统回收率,低价高效预处理技术,增强系统抗污染能力等。

对于Energy Observer船多级淡化系统,第一级淡化系统消耗约250 W能量产生90 L的饮用水。其中30 L将进一步经淡化系统处理供电解槽电解制氢使用。1 L淡水产生约100 g氢气。当燃料电池发电时,氢气再次转化成纯水(该部分水重新通入电解槽中)。 

电解槽 

电解槽通常较为笨重,来自CEA-Liten的工程师们为Energy Observer双体船设计了一个更紧凑的设备原型,通过改造Proton Onsite企业的标准样品,与燃料电池结构结合在一起。该设备每小时可产生多达4 Nm3的纯氢,每小时需消耗3.66 L去离子水。

目前,世界上95%的氢气来自化石燃料,如通过使用甲烷(天然气主要成分)进行重整获取。使用可再生能源进行电解是未来大规模使用绿氢的解决方案。电解水过程的核心反应为将水分子(H2O)分解为氢气(H2)和氧气(O2)。准确说,将水注入正极(阴极)中,首先将其分解为氧气、氢离子和电子。然后,氢离子向负极(阳极)迁移,在这里它们与电子结合形成氢气。膜允许质子迁移和阻止电子,并使它们循环到阳极。

2018年全年,Energy Observer双体船上该电解槽共运行1469小时,共产生488 kg氢气。在此期间,工程师们并没有观察到海洋环境导致的电解衰减现象。由于干燥罐的正常磨损,观察到产氢量略有下降(约-3%)。2019年Energy Observer双体船已经更换新PEM电解槽,以确保达到最佳产量。PEM电解槽的使用寿命通常为数千小时,鉴于Energy Observer上潮湿和盐碱环境等恶劣条件,工程师们将密切观察电解槽。 

压缩机 

Energy Observer双体船上储氢瓶可存储高达35 Mpa的氢气,压缩机在第一级180 bar压力下已运转超1469 h,在第二级350 bar压力下运行超1105 h。在Energy Observer海上飞行的最初16个月中,由于压缩过程中不同因素干扰已导致11个膜被破坏。 

储氢瓶 

Energy Observer双体船搭载八个35Mpa压力的氢瓶,总容量为332 L,可储存64 kg的氢气。工程师最初打算将体积较大的储氢瓶放在双体船的船体,最终决定放在双体船两翼的外部井形甲板中,可确保储氢瓶处于防水、防密闭环境中,并可定期维护保养。Energy Observer工程师团队经过重量严格分配和氢瓶支撑设计计算,有效提升了双体船的氢安全和稳定性。

燃料电池 

Energy Observer双体船的质子交换膜燃料电池系统起初由CEA-Liten提供,净功率为20 kW。该系统采用了引射器被动氢循环系统回收电池排出的残余氢气,避免了使用循环泵带来的能量损耗。此外,为提升Energy Observer双体船的海洋环境适应性,安装的过滤器需抵抗海盐的侵蚀。

2019年,Energy Observer双体船换装了搭载丰田燃料电池技术系统,该系统由丰田欧洲技术中心耗时7个月完成设计和组装,基于丰田第一代Mirai燃料电池组件。目前,该系统正在海上进行最后的全功率测试,相关技术参数尚未公布。

光伏板

太阳能是Energy Observer双体船上的主要能量源头。发电面板面积总计141 m2,与面板连接的Prysmian电缆总长6.2 km,电缆采用自航天航空中的轻量化技术。Energy Observer双体船上主要采用两种太阳能电池技术:可弯曲光伏面板和双面光伏面板。

传统面板无法贴合弯曲形状物体,可弯曲光伏面板可紧贴中央船舱的弯曲表面。可弯曲面板由全球产量最高的Sunpower企业提供,采用耐用且轻巧的Solbian封装材料。陆地上使用的300 W标准面板重量可达20 kg,Energy Observer双体船使用的300 W面板重量为4 kg。一些船体上的光伏面板还具有防滑功能,船员可在其表面安全行走。

双面光伏面板由法国国家能源研究所开发,安装在双体船两翼和中央船体玻璃顶上。顾名思义,双面光伏面板表示光伏面板正反两面都可以接受太阳光,反面光来自于双体船白色表面和海面的反射。此外,由薄聚碳酸酯封装层制成的电池柔软又轻巧。同等情况下,比单面光伏面板发电产量提高30%。由于异质结,一般光伏面板仅使用一种类型的硅,Energy Observer双体船双面光伏面板采用了两种类型的硅,提高太阳能转化电能的效率。为保证单片电池损坏不影响其他电池工作,各电池独立连接和运行,造成电缆线较多。

风力发电机

海面除了充足的光照,还有取之不尽的风力资源。尤其在光照不足的欧洲,飞行过程中依靠风力发电必不可少。但大型海上运输船,仍较难利用风电。作为全球首艘可再生能源发电+电解水+氢燃料电池双体实验船,Energy Observer的任务就是测试所有可用的潜在解决方案。在最初的飞行测试中,Energy Observer进行了双垂直轴风力机的发电实验,附件一个牵引机翼来减少能耗。2019年开始,Energy Observer换装了一种全新的风力发电系统Oceanwings wings?,该系统在继承双垂直轴风力机+牵引机翼组合方案的优点之上,新增加了一个风力螺旋桨。

Energy Observer双体船全新风力发电系统Oceanwings wings?翼展达12 m,机翼面积31.5 m2,具有自支撑功能,360°旋转,该系统由Energy Observer研究团队和CNIM集团在VPLP Design专利下合作开发。VPLP Design的灵感和经验来自于美洲杯帆船上的刚性翼,空气动力学性能优于传统的船帆,但恰恰是刚性限制了其发展(没有传统索具减少表面积的能力,无法收帆和倾斜)。

锂电池

Energy Observer双体船采用混合储能系统:一组锂离子电池短期储能,八个氢气瓶长期储能。锂电池组的主要部分通过400 V船上电网为电机供电,容量为112 kWh,仅是雷诺电动汽车所用电池类型容量的2.5倍。另一组18 kWh锂离子电池组为24 V低压网络和船上日常设施供电:电子导航,机载计算机,照明等。确保上述两个电网能够正常工作、不互相干扰非常重要。工程师必须为获得来自不同来源(光伏面板,风力电机等)的均衡电力供应添加多个功率转换器。最后,也简化了所有布线以减少在线功率损耗,并减小储能和供电系统的尺寸。

为驱动电机供电的容量112 kWh电池组重1400 kg,而储氢装置和燃料电池在提供1000 kWh时重1700 kg。这意味着对应1 kWh,储能电池重量为12.5 kg,而储氢重量仅为1.7 kg。换言之,对于相等的重量,储氢所包含的能量是电池的7.35倍。无论是在海上、陆地还是空中,这对于交通或运输都是相当大的优势。

能量管理系统 

Energy Observer双体船主要提供三种动力模式:1)正常飞行中,由太阳能或风能直接为推进提供动力;2)发电量暂时下降期间,锂电池组将接管,为推进提供动力;3)长时间停船期,燃料电池将接管,消耗氢气发电和储电。


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