我国首艘氢燃料电池动力船研发纪实

　　解缆、离泊、启航……

　　伴随着悠扬的汽笛声，在三峡大坝下游江面上，一艘蓝白相间的轮船缓缓驰离码头。这艘名为“三峡氢舟1”号(以下简称“氢舟”)的船舶，是我国首艘入级中国船级社的氢燃料电池动力船。

　　氢从水中来，回到水中去。利用三峡电站发出的绿电制氢，供氢舟使用，产生水再流入江中……为实现这一目标，中国长江三峡集团有限公司(以下简称“三峡集团”)联合多家单位组建研发团队，经数载攻关，终获成功。

　　“氢舟的投用，标志着‘氢化长江’迈出实质性步伐，对推动长江经济带坚持生态优先、绿色发展，具有重要示范意义。”日前，在接受科技日报记者采访时，三峡集团长江电力副总经理兼总工程师冉毅川表示。

　　匹配“大心脏”

　　“静!”说起氢舟的最大特点，船长李章用一个字来形容。

　　如此友好的性能，源自研发团队给氢舟配置的氢燃料电池。

　　“氢燃料电池在车辆交通领域应用有成熟方案，但在船舶交通上，却无经验可循。”团队成员、中国船舶集团有限公司第七一二研究所燃料电池事业部系统研究室主任王振告诉记者。

　　首次上船测试，氢燃料电池就出现原因不明的功率波动，引发停机检查。大家逐一排查氢气、空气、电池、水热管理等子系统，结果发现状态一切正常。

　　如果找不到原因，船在航行中遇到特殊情况，就会像汽车在超车时失去动力一样，极易造成事故。

　　“究竟是哪里出了问题?”团队拆了装、装了拆，反复分析研究各个系统，始终不得其解。直到有一天，王振脑海中忽然闪现心脏移植手术——“一定是系统间匹配出了问题。就好似心脏移植后，各个器官自身都是好的，却会出现‘排异反应’。”

　　“症结”最终被锁定在动力系统的能源管理策略上。船行江上，自主形成小型电网。氢燃料电池首次入网，需要制定专门的管理策略。但这没有先例，团队只能参照此前柴油发动机和锂电池组网工况设置参数。

　　“我们发现氢燃料电池发电反应迅捷，但氢气供给却略有延迟。这一时间差会造成电网电压高频波动，触发应急保护，导致停机。”王振介绍。

　　团队立即着手优化能源管理策略，协调氢燃料电池与应急电源之间的能量输出，让应急电源在电网需要时及时顶上;同时，调整动力系统输出电压保护阈值，使其适应环境变化，避免发生停机故障。

　　后续测试中，李章明显感觉到，氢燃料电池这颗“大心脏”与其他系统实现了高效匹配、协同运转，让氢舟操控起来更加得心应手。

　　闯过“压力关”

　　按下葫芦浮起瓢。2023年6月，就在氢舟即将首航测试时，一个意想不到的问题出现了。

　　船舱内，蜂鸣器突然警报迭起，提示燃料电池供氢管道入口压力过高，电池模块无法启动。这意味着，氢舟不仅没了动力来源，用氢安全也面临挑战。

　　氢舟储氢舱室有32个储氢罐，罐内氢气最高压力可达35兆帕;而燃料电池入口的供氢压力须保持在0.6至0.8兆帕。只有通过减压装置，才能把二者连接起来。

　　“一定是减压阀出了故障。”团队成员、三峡集团长江电力检修厂水工检修部船舶潜水分部主任许家铭判断。

　　果然，更换减压阀后，电池模块顺利启动。

　　然而，没几天，系统再次报警——供氢压力仍然过高!

　　减压阀前后压力相差50多倍，是氢气出罐时的瞬间高压损伤了减压阀?还是减压阀前后的保护措施不力?只能逐一排查疑点。

　　许家铭在减压阀前后端增设保护阀，并对改进后的设备进行了150多次高压冲击测试。结果显示，减压阀完好无损。但安装使用后不久，压力过高问题依然存在。

　　首航迫在眉睫，沮丧、困惑、焦虑，写满了大家的脸庞。设计方、造船厂、设备商……许家铭逐个探寻良方。

　　“能否跳出减压阀‘框框’，从管道系统上找答案?”王振提出。这一想法让团队豁然开朗，很快判明故障原因。

　　“此前，电池即将启动时，我们是在减压阀低压端对供氢管道进行吹扫，确保空气、泥沙等杂物不进入电池模块。”许家铭解释，“吹扫过程中的大流量管路放空，造成减压阀两端压力差急剧上升，使阀门密闭件受损，导致电池端供氢压力过高。”

　　团队迅速开出“药方”——将吹扫流程前置至减压阀高压端，改低压放空为高压放空。经过再三验证，故障消除，供氢系统安全可靠，氢舟平稳启动。

　　定制“加氢臂”

　　氢舟已动，氢从何来?

　　“给船舶加注氢气，我们是‘第一次吃螃蟹’。”团队成员、三峡集团长江电力科学技术研究中心主管研究员关苏敏告诉记者，氢气的制取、压缩、存储都有成熟方案，但如何实现船舶氢气加注，是个全新课题。

　　与氢能汽车加氢相比，船舶的氢气加注量大、持续时间长，还要考虑在突发状况下，具备紧急切断船岸连接的功能。

　　此外，氢舟泊岸时，船岸距离不固定。不同季节，垂直方向会有10余米的落差;受强风、水流等因素影响，水平方向也会产生数米误差。关苏敏介绍：“三峡库区汛前调水腾库容，汛末蓄水促发电，季节性调整让大坝下游水位随之涨落。恶劣天气下，船体更会剧烈晃动，无法精准系泊。”

　　船舶充氢口位置变化莫测，且加氢管道内气压高，难以人为控制走向。显然，陆上静位加氢方案无法照搬。“我们必须找到一种能长能短、能上能下、刚柔并济的解决方案。”关苏敏说。

　　“三节棍?”有团队成员突发奇想。“对，把三节棍第一节改为垂直可俯仰，另外两节依托其移动、伸缩不就行了。”其他团队成员跟着展开想象。

　　思路一旦打开，灵感犹如泉涌，“折叠机械臂牵引高压软管”方案应运而生。不久后，一座为氢舟量身定制的“加氢臂”矗立在杨家湾码头绿电绿氢示范站前。它能在水平距离10米内、垂直落差5至13米内灵活加氢。

　　如今，氢舟已成功越过能源管理、安全运转、氢气加注“三重大山”，穿梭于三峡大坝和葛洲坝之间，在一江碧水中开展运输、巡查、应急等工作。

　　党的二十届三中全会提出，聚焦建设美丽中国，加快经济社会发展全面绿色转型，健全生态环境治理体系，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展，促进人与自然和谐共生。

　　展望未来，冉毅川信心满满：“我们将在‘制氢、加氢、储氢、用氢’等方面全程发力，探索氢能多元应用，为推动长江大保护和践行‘双碳’目标贡献力量!”(记者 何亮)

　　来源：科技日报