氢燃料电池在集装箱码头水平运输设备上应用的可行性分析
（1.青岛海西重机有限责任公司技术中心，山东青岛，266520；
2.中船重工（青岛）海洋装备研究院有限责任公司，山东青岛，266520）
摘要：为了减少码头污染排放，以集装箱码头和码头水平运输设备实际情况为出发点，从氢燃料电池的优势、技术支撑、政策支撑等方面，分析氢燃料电池应用于集装箱码头水平运输设备的可行性，认为氢燃料电池非常适合在集装箱码头水平运输设备上应用，并提出氢燃料电池在技术、经济等方面需要解决的一些问题。
关键词：港口；集装箱码头；水平运输设备；氢燃料电池；应用可行性分析
集装箱码头水平运输设备连接海侧的岸边装卸系统和堆场内的堆场装卸系统，负责在两者之间运送集装箱。目前，应用于集装箱码头的水平运输设备主要有集卡、跨运车（Shuttle Carrier ，SC）和自动导引小车（AutomatedGuided Vehicle，AGV）等，其驱动方式主要有柴油机驱动、油电混合驱动、燃气机（天然气）驱动、气电混合驱动和纯电力驱动等，其中应用较多的主要有柴油机驱动、油电混合驱动和纯电力驱动等3种方式。
柴油机驱动方式是目前应用最广泛的一种驱动方式，应用时间最早，具有技术成熟、动力性能好、续航里程长等优点。传统集卡、早期AGV和跨运车等均采用此种驱动方式。但是，该驱动方式以柴油为燃料，存在能耗高、噪声大、产生的尾气污染环境等问题。因此，该驱动方式越来越难以满足社会发展要求。
油电混合驱动方式是传统柴油机驱动方式与纯电力驱动方式之间的过渡阶段，作为2种驱动方式的结合体，起到很好的衔接作用。油电混合驱动系统一般采用柴油机组和锂电池（或超级电容）的搭配方式。柴油机组在设备低功率运行时负责能源供应，并为锂电池（或超级电容）进行充电。锂电池（或超级电容）通过短时高倍率放电，辅助柴油机组为设备提供动力，同时可以将多余的电能回收存储。油电混合驱动系统结构示意图见图1。与传统柴油机驱动方式相比，油电混合驱动系统可以选择额定功率较小、排放量较低的柴油机。柴油机的小型化可以有效减少柴油燃料的消耗，降低噪声污染，减少尾气排放，从而达到节能减排的效果。[1]
随着电力驱动相关技术的发展，纯电力驱动方式作为目前备受瞩目的多个新型动力源发展方向之一，逐渐受到人们的青睐，在许多领域都得到推广应用。
近年来，纯电力驱动方式开始被应用在码头水平运输设备上。目前，自动化集装箱码头的AGV基本都采用纯电力驱动方式，例如：青岛港自动化集装箱码头AGV采用充电式锂电池驱动；上海港洋山四期自动化集装箱码头AGV采用换电式锂电池驱动。采用纯电力驱动方式，不仅简化AGV的能源系统，而且在动力输出和能量回收方面具有更好的控制灵活度，同时可减少废气排放和噪声污染。纯电力驱动系统的结构示意图见图2。
综上所述，绿色、环保、可持续的发展理念同样适用于码头水平运输设备。氢气作为一种清洁能源，将氢燃料电池应用于码头水平运输设备，符合社会发展要求。本文结合集装箱码头和码头水平运输设备的具体情况，对氢燃料电池应用于集装箱码头水平运输设备的可行性进行详细的分析。
氢燃料电池最早出现于19世纪，而其第1次应用于商业领域则是在20世纪60年代。最初由于其高昂的成本，以及具有体积小、容量大的特点，氢燃料电池最先被成功应用于航天领域，例如美国国家航空航天局将氢燃料电池应用于太空项目，为太空飞船和卫星提供电力。随后，伴随着技术的不断进步、成本的不断降低，氢燃料电池作为一种新的动力源慢慢走入人们的视野，氢燃料电池应用于越来越多的领域，主要包括客运（汽车、大巴车等）、物流运输（物流车、卡车和叉车等）、船舶（潜艇和水面船只等）和电力（备用电源和发电等）等领域。
氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能的发电装置。氢燃料电池主要由正（燃料电极）、负（氧化剂电极）2个电极和电解质等部件组成。氢燃料电池工作原理示意图见图3。
H2（氢气）在正极上发生可控的氢氧化反应，分离为电子（e-）和质子（H+，氢原子核）。分离出的电子从正极出发，经外部电路做功到达负极，从而形成电能供负载使用。分离出的质子存在于电解质中，从正极出发，经质子交换膜到达负极。O2（氧气）在负极发生可控的氧还原反应，首先与从正极发出的电子结合，分解为O2-，然后再与经质子交换膜到达的质子结合，形成H2O（水分子）。因此，只要有燃料（氢气）和氧化剂（空气或纯氧）连续不断的输入，氢燃料电池就可以连续不断地产生电能，而且最后产生的物质只有水，无污染，可以直接排出。[2]
2 氢燃料电池在集装箱码头水平运输设备上应用的可行性
- 氢燃料电池的燃料为氢气，氢在自然界中广泛存在，因此燃料来源广泛。根据氢燃料电池的工作原理，只要从外部不断输入燃料和氧化剂，氢燃料电池就可以不间断地产生电能。所以氢燃料电池同时具有电池和热机的优点，具有排放物不污染环境、能量转化率高、噪声低、无振动和可低温快速启动等特点[3]，符合码头水平运输设备节能减排的发展要求。
- 由于码头水平运输设备主要负责在岸边与堆场之间运送集装箱，载重大，再加上其自身质量，因此其每公里消耗的能量较多。以储能电池式纯电力驱动方式为例，为了保证续航里程，需要在水平运输设备上携带一定数量的储能电池组，不仅增加自重，而且大容量电池在长时间使用后需要定期更换，且废弃的电池处置不当会污染环境。氢燃料电池具有燃料质量轻、燃料加注快、续航里程长、完全没有污染排放、使用寿命长等优点。因此，相比于储能电池，氢燃料电池更具优势。
氢燃料电池技术在近几年取得长足的进步，目前已应用于很多领域。在普通汽车方面，通用、丰田、奔驰、宝马、大众等众多车企都先后推出氢燃料电池车。在重载卡车方面，氢燃料电池也有所应用，例如：美国尼古拉汽车公司于2016年底对外展示其研制的NikolaOne 氢燃料电池重载卡车；丰田汽车公司以港口为突破口，于2017年推出氢燃料电池重载卡车概念车，并开始在洛杉矶港执行短驳运行试验。此外，中船重工集团积极响应国家“军民融合”号召，将前期积累和沉淀的军用技术进行转化，致力开发车、船用氢燃料电池动力与能源系统。因此，氢燃料电池技术的应用和研究成果，为氢燃料电池应用于码头水平运输设备上提供有力的技术支撑。
氢能被誉为人类能源危机和环境污染的终极解决方案，氢能技术及其产业受到世界各国政府的广泛关注，各国都制定相关政策促进氢能产业的发展，国外氢能/燃料电池产业已进入高速发展阶段。我国作为能源消耗大国，同样面临着资源枯竭、环境污染严重等问题。为了实现绿色环保、可持续发展，我国也制定相应的政策，将氢能燃料电池纳入我国能源发展战略中的核心产业。
“十五”期间，氢能技术被列入《科技发展“十五”计划和2015远景规划（能源领域）》。 “十一五”期间，节能与新能源汽车重大项目（863计划）为氢能及燃料电池汽车的研发提供数十亿元的资金支持。2015年，《中国制造2025》提出：到2020年，生产1 000辆燃料电池汽车并进行示范运行；到2050年，制氢、加氢等配套设施基本完善。2016年，《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》提出：到2020年，实现氢能及燃料电池技术的示范运行或规模化推广应用；到2030年，实现大规模推广应用。2016年，《中国氢能源产业基础设施发展蓝皮书（2016）》发布，明确我国氢能源产业基础设施发展路线图。
集装箱码头离海或江较近，水资源丰富，可以就近建设制氢工厂，利用电解水的方式制氢，减少氢气运输环节产生的费用和损耗，可以源源不断地提供燃料。
集装箱码头是一个相对较小范围的封闭区域，且码头水平运输设备的主要工作是在岸边装卸系统与堆场装卸系统之间运送集装箱。因此，码头水平运输设备的运行有一个非常显著的特点：虽然码头水平运输设备每天的行驶里程非常长，但其活动范围很小。所以在码头内只需建造1座或几座加氢站就能满足所有水平运输设备的加氢需求，可以有效减少码头的前期投入。因此，氢燃料电池非常适合在集装箱码头水平运输设备上应用。
氢气作为氢燃料电池的燃料，其有效制备是保证氢燃料电池大规模应用的基础。目前，工业上制氢方法主要有化石燃料制氢（天然气制氢、煤炭制氢等）、富氢气体制氢（合成氨生产尾气制氢、氯碱厂回收副产氢制氢等）、甲醇制氢（甲醇分解制氢、甲醇水蒸汽重整制氢等）、电解水制氢和生物制氢等，但是，氢燃料电池所用高纯度氢制造成本仍然较高。以普通车为例，各类车辆运营成本对比[4]见表1。
氢气是已知密度最小的气体，其密度仅为空气的1/14，常温常压下极易燃烧。因此，实现氢气安全、可靠、高效的存储成为氢能大规模开发利用的关键，也是一直以来制约氢燃料电池大规模商用的瓶颈。目前，氢气存储方法主要有高压气态存储、低温液氢存储、可逆金属氢化物储氢等，其中：高压气态存储的容器体积大，存在泄漏和爆炸等安全隐患；对于低温液氢存储，其液化过程耗能大，对存储容器要求高，还存在易挥发、运行过程中安全隐患多等问题；可逆金属氢化物储氢存在热交换比较困难等问题。[5]因此，为实现氢燃料电池在集装箱码头水平运输设备上大规模的应用，还需研究更加安全高效的储氢技术。
目前，氢燃料电池车的整车成本非常高，经济性较差，从而制约氢燃料电池的大规模商业化应用。氢燃料电池车整车成本高的主要原因是车载储氢系统、氢燃料电池系统成本较高。此外，氢气的制造、使用成本和加氢站运营成本也很高。这些也都是制约氢燃料电池大规模商业化应用的关键因素。因此，要实现氢燃料电池在集装箱码头水平运输设备上的大规模应用，必须将整车成本、车载储氢系统成本、氢燃料电池系统成本、氢燃料成本和加氢站营运成本都降到一个较低范围内。
- 氢能作为一种新型绿色环保能源，将氢燃料电池应用于集装箱码头水平运输设备，可以有效减少码头水平运输设备尾气等污染物的排放，符合国家绿色、环保、可持续发展的理念，有利于实现码头节能减排目标。
- 我国氢燃料电池技术与日本、美国等国的差距还很大，尤其在乘用车领域。要促进氢燃料电池车的应用，必须建造大量的配套加氢站，因此前期投入非常大。但集装箱码头是一个相对封闭的区域，对加氢站的密度没有要求，1个加氢站基本就可以满足整个码头水平运输设备的加氢需求。因此，可以以码头水平运输设备为试点进行推广应用，促进我国氢燃料电池技术及其相关产业的发展。
- 目前限制氢燃料电池大规模应用的关键因素之一就是氢燃料电池及其配套设施的经济性比较差。但近些年来，随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大，氢燃料电池及其配套设施的成本在逐渐下降，这为氢燃料电池大规模应用于集装箱码头水平运输设备提供可能。
- 氢燃料电池技术在普通汽车、重载卡车等领域已有所应用，虽然整体规模较小，但可借鉴相关技术、经验，为氢燃料电池应用于集装箱码头水平运输设备提供参考。
- 张广斌,胡文辉,陈金龙.自动化集装箱运输车AGV动力能源系统[J].起重运输机械,2018(9):64-68.
- 徐自亮,余英,李力.氢燃料电池应用进展[J].中国基础科学,2018,20(2):7-17.
- 胡庆松.氢燃料电池的研究进展[J].汽车实用技术,2017(21):114-116.
- 程一步.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析[J].石油石化绿色低碳,2018,3(2):5-13.
- 李璐伶,樊栓狮,陈秋雄,等.储氢技术研究现状及展望[J].储能科学与技术,2018,7(4):586-594.
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