燃料電池及其在船舶上的應用研究

陳璐+++林丞豐

摘 要：隨著國際社會對節能減排越來越重視，清潔能源的應用也開始成為社會的關注熱點。作為能源消耗巨大的航運業，清潔能源在船舶上的應用顯得愈發重要。燃料電池作為新型清潔能源已經在汽車上得到應用，文章根據國內外研究現狀，以實際案例對船用燃料電池做出分析，并給出了燃料電池發電系統在船舶應用和船舶布置方面的建議。

關鍵詞：清潔能源；燃料電池；航運業

1 國外燃料電池在船上應用的現狀

船用燃料電池的研發開始于21世紀，主要以歐洲造船強國為中心。由挪威船社研制的第一艘通過燃料電池進行供電運行的船舶2009年12月實驗運營，這個項目的成功預示著未來船舶動力系統的環保革新。挪威船級社為了研究船舶如何降低排放的難題，在“Viking Lady”號上做了一個試驗，以燃料電池組為對象，將該電池組與船舶的推進系統結合，形成了混合動力推進系統，經過實際的運行測試，該電池組為船舶提高了30%的功率，并且安全運行了18500小時。

2 國內燃料電池在船上應用的現狀

我國對燃料電池研究相對于國外較晚，經過國內專家多年的研究，在質子交換膜燃料電池上的研究獲得了重大的發展，各種燃料電池項目慢慢應用到了相應的設備上，2001年7月由上海交大燃料電池研究所實施的“1～1.5kW熔融碳酸鹽燃料電池系統”項目已通過成果鑒定。目前上海海事大學“電力電子與電力傳動”學科，在上海市教委的支持下 ，利用重點學科經費，成立了“燃料電池電力推進”實驗室，要把燃料電池運用到船舶上來，實現新能源的電力推進。

3 主電源

3.1 主電源的一般要求

（1）主電源裝置應能確保為保持船舶處于正常操作狀態和滿足正常居住條件所必須的所有電氣設備供電。

（2）自航船舶應至少設置兩組主電源裝置。非自航船舶可按使用所需設置主電源裝置。

3.2 主電源的配備

（1）對于動力操舵裝置、為主機服務的各種輔機、消防泵、艙底泵等船舶正常運行所必需的設備均為電力供電時，應至少設置2臺與主機獨立的發電機組。

（2）船舶在下列情況之一時，可只設1臺與主機獨立的發電機組：a.由推進主機帶動一套下列設備：舵機油泵、為主機服務的各種輔機、消防泵、艙底泵，且船舶安全所必需的用電設備如航行信號設備、通信和報警設備及照明等能由蓄電池供電時。b.當設置的主機軸帶發電機符合《鋼質內河船舶建造規范2015綜合文本》第3章3.2.3.1及3.2.3.2的規定時。

3.3 燃料電池發電系統標志

對于使用燃料電池發電系統的船舶，根據其不同的供電范圍，可授予下列附加標志：

（1）除燃料電池發電系統外，船舶未配置其他動力源，燃料電池發電系統向全船設備（推進、操舵和其他重要設備、應急設備以及其他設備等）供電，并符合本指南規定時——FC-FULL。

（2）船舶配置了柴油發電機組和燃料電池發電系統，燃料電池發電系統向船舶的重要設備供電并符合本指南規定時——FC-POWER 1。

（3）船舶配置了柴油發電機組和燃料電池發電系統，燃料電池發電系統向非重要設備和非應急設備供電并符合本指南規定時——FC-POWER 2。

4 船舶布置

4.1 一般規定

用于氣體燃料儲存、分配和使用的處所的布置和位置應盡可能減小危險區域的數量和范圍。

4.2 燃料電池設備處所

（1）燃料電池設備處所應盡可能有一個簡單的幾何形狀，以便有效通風、避免燃料氣體的積聚。可能存在氫氣的燃料電池設備處所，其上部不應有阻檔結構并且應以平滑天花板向上傾斜至通風出口。大梁或加強筋等支撐結構應位于外部。

（2）燃料電池設備應位于獨立的艙室。燃料電池設備的安裝處所應位于起居處所、服務處所、機器處所和控制站之外，并且應與這類處所相獨立。

（3）燃料電池設備處所根據其處所內供氣管路的設計不同可分為如下二種：a.氣體安全燃料電池設備處所：處所的布置應使在所有情況下，包括正常和異常情況下，都可視這些處所為氣體安全，即：本質氣體安全。b.ESD保護的燃料電池設備處所：處所的布置應使這些處所在正常情況下可視為非危險處所，但在特定的異常情況下，其可能成為潛在的危險處所。在出現涉及氣體危險的異常情況時，應自動緊急關閉（ESD）非安全設備（著火源），而在這些條件下處于使用或活動狀態的設備應為合格防爆型。

4.3 燃料壓縮機/泵艙室

（1）燃料壓縮機/泵艙室一般應位于開敞甲板。如壓縮機/泵艙室位于干舷甲板之下，則其應符合下列要求：a.處所不應與 A 類機器處所相鄰。如果通過隔離艙進行隔離，則隔離間距應至少達到900mm且應在機艙一側設置達到A-60級的絕緣材料。b.處所的限界面包括出入門應為氣密型。c.處所應設有從開敞甲板進入的獨立通道，該通道應不用于任何其他處所。

（2）如壓縮機/泵由穿過艙壁或甲板的軸驅動，則艙壁貫穿件應為氣密型，以防止燃料氣體泄入軸動力所在艙室。

4.4 燃料儲罐及艙室

（1）除本章另有規定外，液化氣體燃料儲罐可按CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》的相關要求或公認標準的相關要求；壓縮氣體燃料儲罐可按 CCS《鋼質海船入級規范》第6章壓力容器的相關要求或公認標準的相關要求。

（2）燃料儲罐應安裝CCS《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》第8章所要求的壓力釋放閥。

壓力釋放閥的氣體出口一般應至少高出露天甲板B/3或6m，取其大者，并應高出工作區域和舷梯6m，其中B為船舶的最大型寬，單位為m。

（3）壓縮或液化的燃料通常應儲存在主甲板以上位置，一般壓縮氣體不應儲存在主甲板以下。位于主甲板以下的燃料儲罐最大設計壓力一般不超過10bar。

（4）燃料儲罐的布置應盡可能靠近船舶中縱線，并應至少符合如下要求：a.距離船側不小于B/5和11.5m中的較小者。b.距離船底板不小于B/15和2m中的較小者；c.距離船殼板任何位置不小于800mm。

（5）位于主甲板以下的燃料儲罐艙室尚應符合4.3.1（2）和（3）的要求。

（6）燃料儲罐的接頭、法蘭和閥等附件，如未布置在開敞甲板上，則應封閉在燃料儲罐連接處所內。該處所應能安全地容納燃料儲罐接頭處可能產生的泄漏，其限界面材料應與燃料儲罐有相同的設計溫度，且該處所應設計成能經受住最大累積壓力，或者可以設置通向一個安全位置（如透氣桅）的壓力釋放裝置。

（7）燃料儲罐連接處所的限界面包括出入門（如設有）、通道、防火結構以及氣體探測系統應與燃料儲罐艙室相同。

（8）如液化氣體燃料儲罐位于開敞甲板，則船體鋼結構應由滴盤進行保護以防來自艙柜接頭和其他泄漏源的潛在泄漏。材料設計溫度應與所攜帶燃料在大氣壓下的溫度一致。

5 建議方案

（1）為確保船舶的正常運行和日常生活所需，建議把燃料電池發電系統作為船舶輔電源。（2）為了船舶的安全和正常行駛，建議單獨設一間燃料電池間，將氫燃料電池設備安裝在氫燃料電池間內，使其有效通風、避免燃料氣體的積聚，盡可能減小危險區域的數量和范圍。