船用燃料電池動力推進技術應用研究

康嘉倫 李 欣 王 怡 周 熲 莊士超

上海外高橋造船有限公司

0 引言

船運行業作為經濟全球化的主要載體，在世界范圍內為經濟貿易做出巨大貢獻。伴隨著全球石油資源的耗盡，以及環境污染、溫室效應和能源短缺所帶來的巨大壓力，國際海事組織（International Maritime Organization,IMO）國際防止船舶造成污染公約（MARPOL 公約）對污染排放規則提出了更高的要求[1]。船舶航行主要依靠船用柴油機提供動力，存在如下主要問題：燃料能量轉換效率低，柴油機運行振動噪音大，燃料燃燒排放污染物，化石能源儲量有限瀕臨耗竭等，加劇了資源的枯竭以及生態環境的惡化。因此，研究清潔、高效、可持續發展的新能源動力推進技術已經成為綠色船舶的重要發展方向[2,3]。

船舶電力推進技術是當前綠色船舶發展的重要方向之一，在民用船和軍工領域均受到廣泛關注。電力推進技術的研究和推廣使船舶能夠滿足日益嚴格的污染物排放要求和低噪音環境舒適性方面的考慮。隨著燃料電池技術的不斷成熟并在眾多領域的應用推廣，將燃料電池技術運用于船舶動力系統受到了船運行業的關注。借助于綜合電力系統技術的發展，燃料電池技術將充分發揮其獨有優勢，成為未來船用新型動力源系統的主要發展方向[4]。燃料電池技術具有以下主要優勢：1）發電效率高。燃料電池把燃料的化學能直接轉化為電能，發電過程不受卡諾循環的限制，它的理論發電效率可達到85%～90%，實際能量轉化效率約為40%～60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。2）綠色環保，近似零污染。燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，其CO2的排放量較內燃機燃燒過程將減少40%以上，且由于沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，對緩解地球溫室效應，減輕大氣污染十分重要。3）燃料多樣化，運用范圍廣。只要含有氫原子的物質都可以作為燃料。例如，天然氣、氫氣、酒精、甲醇等，符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭，優化能源消耗結構。4）振動噪聲小。燃料電池結構簡單，運動部件少，工作時噪聲低，其在船舶上的應用，電池本體無噪聲，噪聲僅來源于各種輔機。

本文介紹最具應用前景的兩種燃料電池技術，并全面回顧和總結燃料電池在船舶領域的研究現狀和應用前景，重點分析船用燃料電池電力推進的幾種供電模式，基于大型遠洋船舶的特點需求，探討燃料電池運用的可行性。

1 船用燃料電池系統

1.1 燃料電池技術

燃料電池是運用電化學反應進行發電的裝置，其不受卡諾循環的約束，可以將燃料的化學能不經過熱功轉換過程直接轉變為電能。燃料電池系統主要由陽極、陰極、離子交換膜以及外接電路等構成，見圖1。燃料與空氣（或氧氣）分別供應至電池陽極和陰極，在不直接混合的條件下發生電化學反應[5]。燃料電池系統按照電解質的不同，可分為堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。其中，質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池優勢明顯，目前已進入工程應用推廣階段，技術開發也較為成熟，具有進一步大規模商業化的潛力，被普遍認為在未來得到廣泛普及應用的兩種燃料電池[6]。

圖1 燃料電池原理圖

質子交換膜燃料電池（PEMFC）一般采用氫氣作為燃料，其主要特點是采用質子交換膜來傳導氫離子。氫氣和氧氣（或空氣）通過雙極板上的氣體流道分別輸送至電池陽極和陰極，通過膜電極上的氣體擴散層（GDL）到達催化層。在陽極側，氫氣在陽極催化劑表面上解離為水合質子和電子，前者通過質子交換膜上的磺酸基傳遞到達陰極，而電子則通過外電路流過負載到達陰極，在陰極催化劑表面，氧分子結合從陽極傳遞過來的水合質子和電子，生成水分子，并放出大量的熱[5,6]，過量的反應物（氫氣和氧氣）通過氣體流道回流至儲氣罐，生成物水蒸氣則通過陰極側流道收集并排泄至電池系統外。該反應過程的化學反應式如式（1）～式（3）所示[7]。

陽極反應：

陰極反應：

總反應：

固體氧化物燃料電池屬于高溫燃料電池，運行溫度為550～850 ℃，其主要特點是采用固態導電陶瓷作為電解質用于傳導陰極產生的氧離子。系統運行過程中，燃料氣體和氧氣（或空氣）通過雙極板上的氣體流道分別輸送至電池陽極和陰極，通過膜電極上的氣體擴散層（GDL）到達催化層。在陽極側，具有催化作用的催化劑層表面吸附燃料氣體。在陰極側，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使O2得到電子變為O2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，并擴散到達陽極的催化劑層表面，與燃料氣體發生反應，生成水分子并放出大量的熱，失去的電子通過外電路回到陰極。過量的反應物（氫氣和氧氣）通過氣體流道回流至儲氣罐，生成物水蒸氣則通過陽極側流道收集并排泄至電池系統外。以氫氣作為燃料為例，反應過程的化學反應式如式（4）～式（6）所示[8]。

1.2 研究現狀及應用前景

目前，燃料電池技術主要被應用在汽車行業、無人機領域、航天航空領域以及船舶行業。其中，燃料電池在大客車和小型汽車領域的應用已具有良好的基礎，我國在大型客車的研發和生產處于領先地位。以上海大通為代表的多家國內企業掌握了燃料電池大型客車集成技術，并可以進行自主生產，但燃料電池系統的核心部件仍然依賴進口，國家和各地方政府也紛紛出臺燃料電池汽車的相關政策，進一步加速了車用燃料電池的運用發展。燃料電池在小型汽車最為典型的工程化應用是日本豐田公司推出的Mirai 系列汽車及韓國現代公司推出的Tucson FCEV 系列汽車，已進入市場商業化階段。燃料電池在無人機領域和航天航空領域的應用相較于汽車領域，示范工程較少，主要集中在歐美發達國家。近年來，國內也在無人機運用燃料電池上取得較大進展和突破。

歐美和日韓等國家和地區在船用燃料電池的研發和設計上起步較早，目前在工程化的應用和推廣處于領先地位，已有較多船用燃料電池動力推進裝置的應用和示范工程。最初，德國將燃料電池應用于潛艇領域，由霍瓦茲造船公司（HDW）研制建造了世界上第一艘裝備氫氧燃料電池的212A 型AIP潛艇，該潛艇使用柴電及燃料電池混合動力，兩種動力系統既可單獨使用，也可聯合使用。燃料電池動力系統用于水下長時間巡航，柴電動力系統用于潛艇作戰時高速航行[9]。在此基礎上，德國與意大利聯合進一步改良了燃料電池潛艇的制造，研制了使用2 套燃料電池，每套功率120 kW 的新型潛艇，可以4.5節的速度潛航1250海里，航行15-17天，至今仍在多國海軍中服役。除潛艇以外，燃料電池在其他軍工領域也不斷進行應用嘗試，美國和英國計劃在諸如驅逐艦和小型護衛艦等海軍戰艦領域，開展將燃料電池技術應用于船用電網和輔助推進系統的研究[10]。

隨著燃料電池技術的不斷成熟，燃料電池在商船和客船上的應用日益得到重視，燃料電池作為船舶輔助動力的前景被十分看好。燃料電池技術在民船領域的應用研究主要集中在歐洲，2008 年，德國Zemships 項目推出的48 kW 質子交換膜燃料電池客船Alsterwasser 正式在阿爾斯特河上營運，是世界上第一艘投入運營的燃料電池電力推進客船[11]。由挪威資助的“Fellow Ship”燃料電池船用系統示范項目在2009 年推出了裝備320 kW 燃料電池動力系統的海洋工程供應船“Viking Lady”號，該船由歐洲幾大船級社與企業（DNV、挪威航運集團、瓦錫蘭、VIK SANDVIK、MTU）合作研制，是全球第一艘通過燃料電池技術進行船上發電的營運船舶[12]。2017 年9月，維京郵輪（Viking）公司在挪威宣布將建造一艘使用氫燃料電池為動力的郵輪。該郵輪設計長度為230 m，以液氫為燃料，由船上的氫燃料電池產生電能，用于船舶驅動和船上其他用電，這艘郵輪將可能成為世界上第一艘零排放的氫燃料電池郵輪。2017 年由法國研制的Energy Observer（能源觀察者號）正式下水并開始環球航行。該船舶的燃料電池使用氫燃料，氫氣的來源由一套太陽能和風能電解水裝置制得，并通過儲存罐體存儲，氫燃料電池系統在陰天、夜間以及長途航行的起步階段啟動為船只航行提供動力，是世界上第一艘可以自產制氫的船舶。加拿大Ballard 公司于2018年宣布將開展用于海運船舶動力系統的兆瓦（MW）級質子交換膜燃料電池系統的開發，應用重點是游輪方向，計劃當游輪停靠港口時為其提供電力，或在海上運行時提供主要推進動力[13]。德國西門子集團于2018年提出將燃料電池系統裝配在渡船及其他海上船舶的計劃，未來將裝配在海上觀光船及海洋考察船。此外，西門子集團目前正在研究采用多種燃料的混合多燃料動力系統、電動系統和液化天然氣動力系統。近年來，挪威海運公司Norled提出將建造全球首艘氫電動渡輪，該渡輪主要動力由氫氣提供，將于2021 年在羅加蘭郡Hjelmeland-Skipavik-Nesvik 之 間 的 國 道13 線 路投入運營。這條大容量渡輪可容納299名乘客，80輛汽車，在船用燃料電池領域具有劃時代的意義。

新世紀以來，日本也開始進行燃料電池技術船用領域的研究，相較于車用燃料電池技術，其在船用領域起步較晚，但得益于日本燃料電池領域的技術優勢，因此發展較快[14]。2015 年初，在日本政府大力支持下，日本戶田建設與雅馬哈發動機聯手開發氫燃料電池船舶，年底便在漁船上實現了實船試航，其最高速度可達37 km/h，每次加氫可運行2 h左右。另外，三菱重工、Flatfield等企業對燃料電池在船舶領域的應用也有著持續的研究。日本在深海科學考察巡航船舶上的應用取得重大進展，由其研制的世界第一艘采用氫氧燃料電池動力的深海科學考察巡航器已經試航。韓國自2010 年以來，加大了對船用燃料電池技術的研究和政府資金支持。韓國政府制定了船用燃料電池的長期發展戰略規劃，韓國的大型船廠與企業（如：大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船聯合韓國船級社（KR））都參與了政府牽頭的船用燃料電池研發項目或自主研發[15,16]，其主要定位是研發建造液化天然氣（LNG）燃料推進船，沿近海政府公務船，以及沿近海商用客船和客貨滾裝船。

基于對國內外已有船用燃料電池示范工程項目的分析和總結，燃料電池技術在以下船舶類型領域具有較好的應用前景：

1）LNG船

LNG運輸船裝載液化天然氣，在航行中船舶受到光照和晃蕩，液態天然氣會發生自動氣化，一般采用安全閥釋放或再液化的方法。采用安全閥釋放意味著天然氣被浪費且對大氣造成污染，氣相再液化則需要消耗電力。開發燃料電池LNG運輸船，燃料電池技術正好能以氣化的天然氣作為燃料，為船舶提供驅動電能，實現了因地制宜、經濟環保。

2）游艇及小型客船

燃料電池推進技術可作為推進動力和輔助動力裝置，應用于內河、內湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對節能減排、綠色環保和提升船舶舒適度的需求。此外，游艇及小型客船在行進或進、出港時，低負荷運行，且負載變化很大，需要主機有良好的負荷特性，而燃料電池具有這樣的優勢和特點。目前的燃料電池負載變化范圍為10%～25%，負載變化速率為每MW級25%/min。

3）科學考察船

燃料電池電力推進船具有噪聲低、振動少的優點，對精密測量儀器的壽命及測量數據的精確度都有極大的益處，還能夠創造非常舒適的研究和生活的航行條件，因此燃料電池可作為推進動力和輔助動力裝置應用于科考船，滿足該類型船舶對噪聲振動及廢氣排放的需求。

2 船用燃料電池電力推進模式

船舶的電力推進按照裝置功能分為獨立電力推進裝置、聯合電力推進裝置、輔助電力推進裝置、特殊電力推進裝置和主動舵電力推進裝置，其中獨立電力推進裝置是最常用的電力推進方式，螺旋槳由推進電動機帶動。船舶在海洋中往往是變工況航行，燃料電池在輸出變化的控制要求下反應速度較慢，無法滿足電動機的瞬態能量需求，容易出現燃料電池供電不足的問題。為了提高供電系統的穩定性和靈活性，燃料電池系統一般配備蓄電池系統進行配合。當燃料電池發電系統的輸出功率在滿足船舶運行工況功率需求時，能夠單獨給電動機供電；燃料電池達到額定的輸出功率區域，若此時輸出功率大于運行工況的需求，主發電機除供電給推進電動機外，可根據需求把一部分電能供給船舶電網，可利用蓄電池組儲備其發出的多余電力；當燃料電池發電量無法滿足運行工況需求時，可切換為與鋰電池組聯合對推進電機供電。基于對船舶運行時不同工況的分析，總結得出船用燃料電池電力推進的6種模式[13,16]。

1）燃料電池單獨驅動模式

當船舶航行工況所需功率和能量較小時，燃料電池的產電功率和輸出能量能夠滿足航行工況所需功率和能量，一般采用燃料電池單獨驅動電機運轉，由于燃料電池產生的是直流電，船舶電壓平臺的電壓一般為48 V，需對燃料電池系統發出的直流電進行DC-DC 變換，通過變換后輸入電機，使電機驅動螺旋槳工作（見圖1）。

圖1 燃料電池單獨驅動模式

2）燃料電池驅動并向蓄電池充電模式

當船舶航行工況所需功率和能量較小時，燃料電池的產電功率和輸出能量遠大于船舶的功率和能量需求，且蓄電池的儲電量不足時，氫燃料電池單獨向發動機供電的同時，可根據需求把一部分電能供給船舶電網，還可以分流電能為蓄電池充電，將燃料電池輸出的多余電量儲存在蓄電池中，以備燃料電池和蓄電池聯合驅動模式下或蓄電池單獨驅動模式下使用。燃料電池產生的直流電通過雙向DC/DC 交換器的變換，被輸送至蓄電池系統中，見圖2。

3）燃料電池與蓄電池雙驅動模式

當船舶航行工況所需功率和能量較大時，燃料電池的產電功率和輸出能量遠不能滿足船舶航行工況所需功率和能量，燃料電池需配合蓄電池對電機進行聯合供電，以滿足船舶航行的需要。另一方面，船舶在海洋中通常是變工況航行，為避免出現燃料電池供電不足的問題，一般需要配備鋰電池等電能存儲裝置。燃料電池在輸出變化的控制要求下反應速度較慢，無法滿足電動機的瞬態能量需求，因此在燃料電池輸出電能的同時需要控制蓄電池系統共同向電動機供電以滿足船舶航行功率和能量需求。對蓄電池系統發出電能進行DC-DC 變換，通過變換后輸入電機，使電機驅動螺旋槳工作（見圖3）。

圖2 燃料電池驅動并向蓄電池充電模式

圖3 燃料電池與蓄電池雙驅動模式

4）燃料電池、蓄電池與內燃機發電聯合驅動模式

雖然燃料電池技術日益成熟，但目前的燃料電池還存在較多技術性能上的制約，如動態響應速度慢，單電池輸出功率較小等，燃料電池的技術水平仍需提高。因此根據船舶的需求，可以在船舶動力系統中選擇性配備內燃機發電系統，實現對電機的聯合驅動。當船舶航行工況所需功率和能量較大時，燃料電池和蓄電池雙聯供電功率和輸出能量也不能滿足船舶航行工況所需的功率和能量，可采用內燃機系統進行發電，通過配電控制系統對燃料電池、蓄電池與內燃機產電進行控制協調，實現聯合供電，以滿足船舶航行的需要（見圖4）。

圖4 燃料電池、蓄電池與內燃機發電聯合驅動模式

5）蓄電池充電模式

在船舶靠岸裝卸貨物的電機停機狀態下，船舶航行所需功率和能量近乎為零，燃料電池系統不需要為電機提供電能輸入，如蓄電池的儲電量不足或未達飽和狀態時，燃料電池可切換至直接向蓄電池單獨充電模式，以備蓄電池聯合驅動模式下或蓄電池單獨驅動模式下使用。燃料電池產生的直流電通過雙向DC/DC交換器的變換，被輸送至蓄電池系統中（見圖5）。

圖5 蓄電池充電模式

6）蓄電池單獨驅動模式

在船舶航行工況所需功率和能量極小，或者在燃料電池系統燃料儲量不足，抑或是燃料電池系統需要檢修的情況下，蓄電池作為單獨的驅動源供電給電機，由蓄電池系統輸出的電能經過雙向DC/DC交換器輸入至電機，從而驅動螺旋槳做功，此模式下燃料電池系統不工作（見圖6）。

圖6 蓄電池單獨驅動模式

3 遠洋船舶應用可行性

大中型遠洋船舶是國際航運行業的中堅力量，是連接全球進出口的主要媒介，由于其自身的特點，相較于內河近海的小型船舶，其對燃料電池系統的性能提出了更高的要求。目前，燃料電池的應用定位主要是作為內河和近海的客船和小型貨船，艦船產品，LNG運輸船及科學考察船的推進動力或輔助動力系統，國內外還未有燃料電池應用于大型遠洋船舶的示范項目和實例。

大型遠洋船作為商用船舶，建造和運維成本是其商業化推廣中重點考慮的因素。目前燃料電池電堆的建造成本很高，一方面歸因于昂貴的稀有金屬催化劑成本，另一方面是由于目前的燃料電池技術水平有限，許多關鍵性技術還未突破，功率密度、能量密度、運行電流密度等方面的問題導致目前的燃料電池電堆必須依靠增大電堆體積來達到指標參數的商業化應用要求，由此導致建造耗材成本增加；電堆體積大使原本就寶貴的船艙空間，變得更加緊缺，船艙設備的布置也將受到極大影響。除成本因素以外，遠洋船舶還具有單次航程遠，航行動力需求大變化多等特點，目前的燃料電池技術還尚未達到大型遠洋船舶對電池輸出功率、續航里程以及使用壽命的要求，導致目前的電池性能不足以支撐其大規模工程化應用，也正是因為存在這些關鍵性技術障礙，使國內外均未開展大中型遠洋船舶燃料電池推進系統的示范項目。即：由于電堆性能和成本等導致的障礙，全球對后續船用燃料電池系統集成和設計（如電池系統布置、發電模塊集成、控制系統開發等）的研究和探索十分匱乏。因此，通過進一步研究和探索，突破燃料電池堆核心技術障礙，顯著提高電池性能的重要指標參數是燃料電池大規模商業化應用于遠洋船舶的關鍵所在。

4 結論

隨著綠色船舶理念的不斷深化，燃料電池技術憑借其獨特優勢，將成為船舶電力推進領域重點研究和發展的方向。船用燃料電池技術的探索相較于車用領域較為滯后，目前的應用主要是內河和近海的客船和小型貨船、軍工產品、LNG 運輸船和科學考察船等，主要作為輔助動力系統和特殊工況下的推進系統。燃料電池在大型遠洋船舶上的應用還存在較多技術障礙，其功率密度、成本經濟性還無法與內燃機競爭，但是隨著燃料電池技術的快速發展以及船舶污染物排放的要求逐步提高，其大規模應用將具有非常大的潛力。未來應根據遠洋船舶的特點對船用燃料電池技術進行針對性的改進、優化和探索，以滿足大型遠洋船舶對電池輸出功率、續航里程以及使用壽命的要求。此外，本文基于燃料電池汽車的幾種供電工作模式，根據船舶的不同運行工況，總結得到了船用燃料電池電力推進的6 種模式，為船用燃料電池的應用設計提供相應的技術參考。