我國首艘氫燃料電池動力船研發(fā)紀實

　　解纜、離泊、啟航……

　　伴隨著悠揚的汽笛聲，在三峽大壩下游江面上，一艘藍白相間的輪船緩緩馳離碼頭。這艘名為“三峽氫舟1”號(以下簡稱“氫舟”)的船舶，是我國首艘入級中國船級社的氫燃料電池動力船。

　　氫從水中來，回到水中去。利用三峽電站發(fā)出的綠電制氫，供氫舟使用，產生水再流入江中……為實現(xiàn)這一目標，中國長江三峽集團有限公司(以下簡稱“三峽集團”)聯(lián)合多家單位組建研發(fā)團隊，經數(shù)載攻關，終獲成功。

　　“氫舟的投用，標志著‘氫化長江’邁出實質性步伐，對推動長江經濟帶堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，具有重要示范意義。”日前，在接受科技日報記者采訪時，三峽集團長江電力副總經理兼總工程師冉毅川表示。

　　匹配“大心臟”

　　“靜!”說起氫舟的最大特點，船長李章用一個字來形容。

　　如此友好的性能，源自研發(fā)團隊給氫舟配置的氫燃料電池。

　　“氫燃料電池在車輛交通領域應用有成熟方案，但在船舶交通上，卻無經驗可循。”團隊成員、中國船舶集團有限公司第七一二研究所燃料電池事業(yè)部系統(tǒng)研究室主任王振告訴記者。

　　首次上船測試，氫燃料電池就出現(xiàn)原因不明的功率波動，引發(fā)停機檢查。大家逐一排查氫氣、空氣、電池、水熱管理等子系統(tǒng)，結果發(fā)現(xiàn)狀態(tài)一切正常。

　　如果找不到原因，船在航行中遇到特殊情況，就會像汽車在超車時失去動力一樣，極易造成事故。

　　“究竟是哪里出了問題?”團隊拆了裝、裝了拆，反復分析研究各個系統(tǒng)，始終不得其解。直到有一天，王振腦海中忽然閃現(xiàn)心臟移植手術——“一定是系統(tǒng)間匹配出了問題。就好似心臟移植后，各個器官自身都是好的，卻會出現(xiàn)‘排異反應’。”

　　“癥結”最終被鎖定在動力系統(tǒng)的能源管理策略上。船行江上，自主形成小型電網。氫燃料電池首次入網，需要制定專門的管理策略。但這沒有先例，團隊只能參照此前柴油發(fā)動機和鋰電池組網工況設置參數(shù)。

　　“我們發(fā)現(xiàn)氫燃料電池發(fā)電反應迅捷，但氫氣供給卻略有延遲。這一時間差會造成電網電壓高頻波動，觸發(fā)應急保護，導致停機。”王振介紹。

　　團隊立即著手優(yōu)化能源管理策略，協(xié)調氫燃料電池與應急電源之間的能量輸出，讓應急電源在電網需要時及時頂上;同時，調整動力系統(tǒng)輸出電壓保護閾值，使其適應環(huán)境變化，避免發(fā)生停機故障。

　　后續(xù)測試中，李章明顯感覺到，氫燃料電池這顆“大心臟”與其他系統(tǒng)實現(xiàn)了高效匹配、協(xié)同運轉，讓氫舟操控起來更加得心應手。

　　闖過“壓力關”

　　按下葫蘆浮起瓢。2023年6月，就在氫舟即將首航測試時，一個意想不到的問題出現(xiàn)了。

　　船艙內，蜂鳴器突然警報迭起，提示燃料電池供氫管道入口壓力過高，電池模塊無法啟動。這意味著，氫舟不僅沒了動力來源，用氫安全也面臨挑戰(zhàn)。

　　氫舟儲氫艙室有32個儲氫罐，罐內氫氣最高壓力可達35兆帕;而燃料電池入口的供氫壓力須保持在0.6至0.8兆帕。只有通過減壓裝置，才能把二者連接起來。

　　“一定是減壓閥出了故障。”團隊成員、三峽集團長江電力檢修廠水工檢修部船舶潛水分部主任許家銘判斷。

　　果然，更換減壓閥后，電池模塊順利啟動。

　　然而，沒幾天，系統(tǒng)再次報警——供氫壓力仍然過高!

　　減壓閥前后壓力相差50多倍，是氫氣出罐時的瞬間高壓損傷了減壓閥?還是減壓閥前后的保護措施不力?只能逐一排查疑點。

　　許家銘在減壓閥前后端增設保護閥，并對改進后的設備進行了150多次高壓沖擊測試。結果顯示，減壓閥完好無損。但安裝使用后不久，壓力過高問題依然存在。

　　首航迫在眉睫，沮喪、困惑、焦慮，寫滿了大家的臉龐。設計方、造船廠、設備商……許家銘逐個探尋良方。

　　“能否跳出減壓閥‘框框’，從管道系統(tǒng)上找答案?”王振提出。這一想法讓團隊豁然開朗，很快判明故障原因。

　　“此前，電池即將啟動時，我們是在減壓閥低壓端對供氫管道進行吹掃，確?？諝狻⒛嗌车入s物不進入電池模塊。”許家銘解釋，“吹掃過程中的大流量管路放空，造成減壓閥兩端壓力差急劇上升，使閥門密閉件受損，導致電池端供氫壓力過高。”

　　團隊迅速開出“藥方”——將吹掃流程前置至減壓閥高壓端，改低壓放空為高壓放空。經過再三驗證，故障消除，供氫系統(tǒng)安全可靠，氫舟平穩(wěn)啟動。

　　定制“加氫臂”

　　氫舟已動，氫從何來?

　　“給船舶加注氫氣，我們是‘第一次吃螃蟹’。”團隊成員、三峽集團長江電力科學技術研究中心主管研究員關蘇敏告訴記者，氫氣的制取、壓縮、存儲都有成熟方案，但如何實現(xiàn)船舶氫氣加注，是個全新課題。

　　與氫能汽車加氫相比，船舶的氫氣加注量大、持續(xù)時間長，還要考慮在突發(fā)狀況下，具備緊急切斷船岸連接的功能。

　　此外，氫舟泊岸時，船岸距離不固定。不同季節(jié)，垂直方向會有10余米的落差;受強風、水流等因素影響，水平方向也會產生數(shù)米誤差。關蘇敏介紹：“三峽庫區(qū)汛前調水騰庫容，汛末蓄水促發(fā)電，季節(jié)性調整讓大壩下游水位隨之漲落。惡劣天氣下，船體更會劇烈晃動，無法精準系泊。”

　　船舶充氫口位置變化莫測，且加氫管道內氣壓高，難以人為控制走向。顯然，陸上靜位加氫方案無法照搬。“我們必須找到一種能長能短、能上能下、剛柔并濟的解決方案。”關蘇敏說。

　　“三節(jié)棍?”有團隊成員突發(fā)奇想。“對，把三節(jié)棍第一節(jié)改為垂直可俯仰，另外兩節(jié)依托其移動、伸縮不就行了。”其他團隊成員跟著展開想象。

　　思路一旦打開，靈感猶如泉涌，“折疊機械臂牽引高壓軟管”方案應運而生。不久后，一座為氫舟量身定制的“加氫臂”矗立在楊家灣碼頭綠電綠氫示范站前。它能在水平距離10米內、垂直落差5至13米內靈活加氫。

　　如今，氫舟已成功越過能源管理、安全運轉、氫氣加注“三重大山”，穿梭于三峽大壩和葛洲壩之間，在一江碧水中開展運輸、巡查、應急等工作。

　　黨的二十屆三中全會提出，聚焦建設美麗中國，加快經濟社會發(fā)展全面綠色轉型，健全生態(tài)環(huán)境治理體系，推進生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展，促進人與自然和諧共生。

　　展望未來，冉毅川信心滿滿：“我們將在‘制氫、加氫、儲氫、用氫’等方面全程發(fā)力，探索氫能多元應用，為推動長江大保護和踐行‘雙碳’目標貢獻力量!”(記者 何亮)

　　來源：科技日報