我國首艘氫燃料電池動力船研發紀實

　　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。利用三峽電站發出的綠電制氫，供氫舟使用，產生水再流入江中……為實現這一目標，中國長江三峽集團有限公司(以下簡稱“三峽集團”)聯合多家單位組建研發團隊，經數載攻關，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優先、綠色發展，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部系統研究室主任王振告訴記者。

　　首次上船測試，氫燃料電池就出現原因不明的功率波動，引發停機檢查。大家逐一排查氫氣、空氣、電池、水熱管理等子系統，結果發現狀態一切正常。

　　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，始終不得其解。直到有一天，王振腦海中忽然閃現心臟移植手術——“一定是系統間匹配出了問題。就好似心臟移植后，各個器官自身都是好的，卻會出現‘排異反應’。”

　　“癥結”最終被鎖定在動力系統的能源管理策略上。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動機和鋰電池組網工況設置參數。

　　“我們發現氫燃料電池發電反應迅捷，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，觸發應急保護，導致停機。”王振介紹。

　　團隊立即著手優化能源管理策略，協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，調整動力系統輸出電壓保護閾值，使其適應環境變化，避免發生停機故障。

　　后續測試中，李章明顯感覺到，氫燃料電池這顆“大心臟”與其他系統實現了高效匹配、協同運轉，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。

　　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，確保空氣、泥沙等雜物不進入電池模塊。”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，供氫系統安全可靠，氫舟平穩啟動。

　　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、持續時間長，還要考慮在突發狀況下，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，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米誤差。關蘇敏介紹：“三峽庫區汛前調水騰庫容，汛末蓄水促發電，季節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。

　　“三節棍?”有團隊成員突發奇想。“對，把三節棍第一節改為垂直可俯仰，另外兩節依托其移動、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，加快經濟社會發展全面綠色轉型，健全生態環境治理體系，推進生態優先、節約集約、綠色低碳發展，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

作者：何亮