移動式電站的研究進展及應用前景

范 晶，陳思安，余 猛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

工業新能源使用已經成為當下社會經濟發展的主要舉措，為了讓工業生產可持續創造經濟效益，利用清潔的電能源成為了工業生產中的主方向[1]。電能源的應用除了在民品方向的使用，進年來在軍事領域應用逐漸增加，這也是目前研究較為火熱的方向。軍事領域常見的電能源通常以市電作為主電源，以多種功率柴油發電機組作為應急備用發電系統，形成主－備共存的用電保障模式。但由于柴油發電機組在使用時會產生高溫、高熱、噪聲、振動、煙霧及電磁輻射，不但對部隊人員的工作環境造成不利影響，而且容易造成洞庫口部暴露，因而需要配備專門的冷卻和除煙系統，以緩解給陣地新風系統造成較大壓力[2]。此外柴油發電機組免維護周期短，保障性差，為保證其處于正常的值班狀態，需要一周至半個月進行一次例行啟動，給部隊增加了額外的工作負擔。柴油發電系統能量利用率不高，產電質量和變載能力較差，不易于進行分布式設計，難以適應今后陣地高標準的應急用電需求。因此，迫切需要一種新型的陣地備用發電系統作為現有柴油發電系統的必要補充。

燃料電池作為新型的能量轉換裝置，具有較高的能量密度，不僅發電效率高，而且工作溫度接近常溫，紅外隱身性能好，對冷卻系統的保障要求低，工作過程無噪聲、無振動、無煙霧，對新風系統造成壓力小等優勢；可以進行分布式設計，能夠有效提升發電系統的可靠性。因此，中大功率燃料電池系統能夠作為現有備用電源的有效補充手段，也具有替代傳統柴油發電系統的巨大潛力。目前常見的燃料電池電站能源按照大類可分為固定式電站與移動式電站。但是，固定式電站的建設周期長、地理位置不靈活、需要征地和建設大量基礎設施，因此建設移動式電站系統是解決這些問題的有效途徑[3]。

1 移動式電站研究現狀

開發移動式電站對于行業內去產能、產業結構轉型等都具有深遠意義。目前移動式電站在國內外得到了廣泛發展和應用，各種示范性項目也在不斷的推進。隨著技術的不斷進步，在國外軍用和民用領域開始進入市場推廣階段。目前，燃料電池產品功率已經實現從瓦級到兆瓦級的全覆蓋[4]。

由于燃料電池移動式電站具有離網持續穩定供電、隱蔽性好、使用維護方便等優點，美國國防部從1994 年開始在30 余個基地安裝采用天然氣重整制氫的燃料電池移動式電站發電系統，有力保障了部隊基地的可靠供電。2010 年，美國利用SOFC 發電作軍用移動式電站及分布式電站，發電功率等級可從2 kW 至60 kW，并可實現模塊化組合發電[5]。2017 年，美國海軍水面作戰中心演示了使用SOFC 混合動力裝置的過程。結果表明移動式電站能支持三種模擬負載特性，已具備可取代柴油輔助發動機的能力。

圖1 美國SOFC 燃料電池移動式電站

美國燃料電池公司Atrex 系統公司，研發的5 kW 管式SOFC 發電系統，由于其良好的移動式性能，不受地形及位置的影響，因此可為偏遠山區、基地等做備用電源。

圖2 Atrex 公司移動式燃料電池備用電源

美國Delphi 公司在輔助動力裝置研究方面的水平是屬于全球領先，該公司已研發出1.5kW 和9kW SOFC 電堆。其開發的5kW SOFC 輔助動力裝置已被成功地引進到機動車設備中，得到了實際的使用。

美國燃料電池公司Redox Power 系統公司，研發的25 kW SOFC 發電系統，系統發電效率可達54%，通過發電系統的模塊串聯擴展，可實現百千瓦級SOFC 獨立發電系統。

圖3 美國Delphi 公司燃料電池電站產品

圖4 美國Redox 公司移動式燃料電池電站

英國Ceres Power 公司研發的金屬型SOFC，已開發出5～10 kW 單模塊電堆，30～100 kW 級SOFC 發電系統，與博世、濰柴、斗山、AVL 等公司推廣SOFC 在電站、船舶等領域已經開始規模化應用。

圖5 英國SOFC 移動式電站產品

英國的巴拉德公司可提供1.7 kW 或5.0 kW模塊，可提供低成本、靈活且可靠性較高的備用電源。該移動式燃料電池模塊可耦合至滿足功率輸出要求，這使得燃料電池系統高度靈活且易于升級，遷移至另一場地也很方便，機動性極高。12 個模塊可經耦合用于功率輸出高達60 kW 的系統，能為直流和交流電設備供電。

韓國主要通過收購北美和歐洲獲得先進技術，以此來發展燃料電池電站。2012 年，LG 公司收購了勞斯萊斯的燃料電池系統項目，建立了LG Fuel Cell Systems 公司，致力于50 kW～20 MW 級的 SOFC 發電系統的研發和推廣。浦項能源POSCO 入股Fuel Cell Energy 公司后，在韓國建造了18 個共170 MW 的商用燃料電池電站[6]。

我國對于燃料電池移動式電站的研究起步較晚，初期與國際水平有較大差距，由于應用研究不足，技術成熟度低，關鍵科學問題未解決，關鍵設備技術尚未突破，在移動式電站研究領域幾乎處于空白，與國外的先進水平相比，差距十分明顯。但隨著燃料電池移動式性能優勢的日益顯著，國內燃料電池企業加緊產品實用化研究，推出了一批性能優良、質量可靠的燃料電池產品，研究機構也將新型的燃料電池技術作為研究重點，使得國內燃料電池技術與國際高端水平差距不斷縮小，燃料電池產品在民用和軍用市場不斷開拓，取得了不小進步[7]。

2 移動式電站面臨挑戰

移動式電站在民用與軍用市場的研究優勢已經不言而喻，但隨著研究的不斷深入，我們面臨的挑戰也是巨大的。就目前而言，我們遇到的主要挑戰有以下幾個方面。

2.1 電站電池系統控制與能量管理分配設計

移動式電站核心主要以燃料電池為依托運行，而燃料電池中對整體系統的控制與能量管理分配最為重要。而燃料電池系統的溫度輸出與耐久性是考驗移動式電站可長時間使用的重要指標。如何解決移動式電站輸出電能的穩定性與可靠性是目前面臨的重要挑戰。

移動式電站能量管理是以鋰電池模塊荷電狀態為基準，考慮不同溫度下模塊充放電能力及燃料電池輸出功率的能力。通過對移動式電站不同狀態下能量的分配管理，解決低溫存儲下對各部件的保護及電站啟動時能量分配不均衡的問題[8]。此外，在面對電站負載端用電功率突變及不同使用溫度條件下功率的變化，精準控制能量管理系統，協調各部件及負載工作之間的匹配性也是一大挑戰。

2.2 電站環境適用性及輕量化設計

移動式電站由多個設備協同合作對外輸出電能，因此為滿足電站的環境適用性，需專用方艙或集成設計，并且在保障電站穩定運行的前提下，考慮風暴、日曬、雨淋、振動、低溫等惡劣環境的適應性。但現有方艙尚無專門針對燃料電池電站專用設計，此外受用戶端總體尺寸、重量的控制，電站的設備集成、內部布置較為困難。因此如何在有限的空間內進行管路及系統的輕量化設計、優化有限空間維修性，便捷安全是移動式電站在研發過程中的一項重要挑戰。

2.3 高功率密度電堆設計

移動式電站的一大核心優勢就是比傳統的柴油發電有較高的利用率、工作溫度接近常溫，紅外隱身性能好，工作過程無噪聲等。而具有這些優勢的主要原因在于其燃料電池電站的核心部件電堆。電堆工作原理及設計涉及較多的專業領域，因此對高功率密度電堆的設計可滿足移動式電站快速響應的要求。通過對高功率密度電堆的設計，可提高燃料電池的氫氧利用率，進一步降低移動式電站內部使用溫度、使用噪聲，使紅外隱身效果更加凸顯。因此對電堆進行高功率密度研發，優化電堆冷卻系統是加快移動式電站投產應用的重要前提。

3 移動式電發展應用前景

我國電站能源分布不均衡，在新形勢下，隨著我國城鎮化、工業化水平的不斷提升，電站的發展形勢也在不斷擴展。針對我國地貌，建設移動式電站具有很大的發展應用前景。

3.1 移動式電站在島嶼的應用

我國面積達500 平方米以上的島嶼為6 536個，其中有人居住的島嶼為450 個。島嶼面積雖小，但在海防和經濟上意義重大，既是海洋捕撈和開發海洋資源的基礎，也像哨兵一樣，守護著祖國的海洋，但孤島的能源供給問題越來越突出。由于偏遠海島遠離電廠、人口稀少，總體用電量不大等原因，遠距離架設輸電網絡不符合經濟效益。尤其是海島遠離陸地，鋪設海底電纜的前期投入和后期維護費用巨大，無法接受。所以，除了離大陸較近、面積較大，能夠從大陸電網引電的少數島以外，其余大部分島嶼的供電多由柴油發電機提供。因此在島嶼上建設移動式電站，無論是對于民生還是軍事效益來講，都有著很好的發展前景。

3.2 移動式電站在醫療上的應用

近幾年來，世界各國病毒對人類健康構成了嚴重威脅。過去100 年中，發生了太多的重大傳染性疾病，加大了醫院的負荷，也對醫護人員健康安全造成了不少的威脅。因此為滿足快速救治需求，減少傳染風險，建設快速響應的移動式智能方艙醫院對于防治疾病方面有著重要意義。

智能方艙醫院依托于移動式電站展開建設實施，基于云計算、大數據、物聯網、5G 通信等技術于一體的集成醫療信息系統、自動化檢驗作業系統、人工智能診斷與輔助決策支持系統、高效物流保障系統、遠程醫療系統等，使醫護人員工作量減少30%-50%。實現醫用水電、氣體、空調、正負壓通風系統持續用電保障和應急保障能力。針對野戰醫院，保障處理突發醫療狀況時用電需求，根據現場戰時環境，可隨時進行移動式轉移，滿足戰時狀態的用電需求。

3.3 移動式電站在科技領域的應用

移動式電站除了在民生與軍事領域具有良好的應用前景，在我國科技發展方面同樣具有較大的應用前景。空間飛行器需長時間執行駐空任務，使用小型燃料電池不僅能量密度高，而且組成系統簡單，便于操作。為滿足太空中對其他星球探索，需要較高能量的能源，使用移動式燃料電池可為太空巡航車提供動力能源等。總之，隨著各個國家在太空領域的不斷探索，對高比能量再生燃料電池能源也越發追求，特別是移動式電站的需求與日劇增。因此，進行有關移動式燃料電池電站的相關技術研究顯得尤為重要。

4 移動式電站的研究總結與展望

從世界發展來看，目前較為清潔、且高比能量再生、中大功率燃料電池能源成為了各國科研者的追捧，并且大部分發達國家已經實現產品化，甚至投入到了實際的應用。我國目前在移動式電站關鍵技術領域幾乎處于空白，與國外的先進

水平相比，差距十分明顯。正因如此，我國移動式電站建設迎來了發展的機遇期，在燃料電池大規模發展、快速響應、機動性能等提出更高要求的情況下，移動式電站在國內前景一片廣闊，因此應提前布局，加快技術攻關步伐。移動式電站與我國的一些使用地形、使用環境等高度吻合。我們應抓緊機遇，認真梳理總結當前所面臨的技術挑戰、對科學發展趨勢進行研判，助力現代移動式能源電站的體系建設。