船用燃料電池電力推進系統特性與展望

王娜娜，汪曉菲，王 碩

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

近年來，環境污染已然成為焦點，能源和環境也逐漸成為左右世界經濟發展的重要問題。加快新能源的開發利用，必然是解決當前環境問題的一大重要舉措。而氫燃料電池由于其綠色、高效等優勢，成為解決環境能源問題的一個炙手可熱的新型技術[1]。氫燃料電池以氫和氧為燃料，生成清潔的水，作業過程中不產生CO和CO2，也沒有SOX和微粒排出。因此，氫燃料電池可實現真正意義上的零排放、零污染。

1 船舶電力推進系統分類

船舶電力推進裝置一般采用電動機械帶動螺旋槳，以推動船舶運動。其結構簡圖見圖1。

圖1 電力推進裝置簡圖

該裝置主要由原動機、發動機、電動機、螺旋槳及控制調節設備等組成[2]。

由圖1可知，利用原動機（現多以柴油機組為主）帶動發電機運行，通過發電機將其他形式能量轉換為電能，進而傳送至船舶的主配電盤，再由配電系統向全船供電，以推動船舶航行。

2 燃料電池電力推進原理

通常，可按照燃料電池的電解質類型、工作溫度及其所使用的燃料種類進行詳細分類。根據不同工作原理可以分為：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等[3]。其中，屬于氫燃料電池的是PEMFC和AFC。而按照工作溫度，可將其可分為低、中、高3種溫度的燃料電池。

2.1 燃料電池結構

燃料電池由形成離子導電體的電解質板及其兩側配置的空氣極、燃料極和氣體流路組合而成，見圖2[4]。其中，空氣極為陰極，燃料極為陽極。各種燃料電池中的電解質是不盡相同的，且經過電解質與反應相關的離子種類也不相同。在燃料極中，供給的燃料氣體中H2變為H+和自由電子，H+移動到電解質中與陰極一側所供給的O2發生化學反應。自由電子經外部負荷回路，再返回到陰極，參與陰極反應后，H2與O2反應生成H2O。由此可見，H2具有的化學能轉變為電能，其電效率可達40%～60%。

圖2 氫燃料電池的工作原理

其中，氫燃料電池是一種能夠將儲存將燃料（H2）和氧化劑（空氣中的O2）中的化學能直接轉變為電能的能量轉換裝置[5]。其工作原理，從本質上而言是電解水的逆過程。

化學反應方程式為

陰極：

2.2 系統組成

氫燃料電池供電系統主要由儲氫、供氫單元、燃料電池單元、DC/DC轉換單元、配電單元、監控單元、熱綜合管理單元及其他附件組成，見圖3。

圖3 氫燃料電池供電系統簡圖

根據船舶推進的基本原理、推進裝置的結構以及對于燃料電池工作原理，可總結出整體推進裝置結構的簡化示意圖，見圖4。

由圖4可知，以純氫為燃料電池提供燃料，即本文所述的氫燃料電池。H2分別流經2個燃料電池后，將電池反應后生成的能量輸送到電機控制器。從電機控制器中所得的電能，一部分通向蓄電池，另一部分則通過電機將電能轉化為動能，以到達減速器，從而驅動螺旋槳。

圖4 燃料電池電力推進裝置示意圖

2.3 燃料電池電力推進裝置特性

采用氫燃料電池作為中小型游艇推進裝置中的電力傳動時，電動機的轉速直接決定了螺旋槳的轉速。與此同時，若改變電流大小，螺旋槳的轉速也便會隨之發生變化；改變電動機的電流方向則可改變螺旋槳的轉向。

和傳統動力發電設備（如：柴油發動機和燃氣輪機）相比，燃料電池的優點如下：

1）高效率。燃料電池轉換效率通常達到40%～50%，當將其加入熱電組合時，系統效率高達60%～70%。

2）低噪聲。由于燃料電池沒有移動部件，聲源僅包括泵、風扇和壓縮機等輔助設備，因此與內燃機相比，燃料電池堆可安置在任意位置，且對乘客或船員產生的噪聲影響較小。

3）低排放。對于PEMFC而言，在燃料改良中將不符合要求的成分從燃料中被去除，燃料電池本身的排放可忽略不計，且燃料電池系統氮氧化物排放比傳統能源低得多。

4）多樣性。即燃料選擇的多樣性。燃料電池可選用多種燃料，如：純氫、天然氣、甲醇、石腦油、液態烴燃料、煤氣和生物質衍生燃料等。低溫燃料電池（如：PEMFC）通常需要非常純粹的H2，而高溫燃料電池（如：SOFC）則對燃料要求較低，可直接使用天然氣。

5）操作、維護成本低。與內燃機相比，燃料電池操作簡單，甚至可以實現無人操作，無需潤滑油，運行和維護的成本也均低于柴油發動機。

3 存在問題及解決方法

3.1 存在的主要問題

燃料電池系統是船上發電的一個非常有吸引力的推進方案，但存在優點的同時，也存在一些亟待解決的問題。

1）燃料的存儲及運輸

目前為止，燃料的存儲和運輸成為燃料電池電力推進系統推廣過程中的一大難題。以氫燃料電池為例，氫氣的存儲系統的體積大，質量重且價格昂貴。因此，解決氫燃料儲存和運輸的問題尤為關鍵。

2）使用壽命

燃料電池系統的使用壽命和可靠性到目前為止仍存在一些爭議。水和熱的問題導致材料和催化劑的累積降解，從而引發燃料電池耐久性和可靠性方面的問題。材料和催化劑的降解主要是由于水管理不善、燃料和氧化劑缺乏，導致脫水或淹水的電池組件被腐蝕且產生化學反應。電池組件的脫水可能會損壞電池中的膜，溢流會促使電極、催化劑層、氣體擴散介質和膜的腐蝕，從而減少電池的使用壽命。

3）使用成本

燃料電池的成本也是頗受關注的問題之一。使用燃料電池電力推進系統相對于傳統推進系統而言，不僅制造成本大大提高，而且維修和更換電池組的成本也是值得考慮的。尤其對于旅游業而言，成本的降低直接關系到整個公司乃至行業的盈利情況。因此，成本的考慮也是需要關注的。

3.2 解決方法

1）燃料的存儲及運輸

目前市場上儲存和運輸的氫氣的方式主要有以下幾種：（1）利用高壓罐技術來存儲船用氫氣，但此種方法造價昂貴且存儲量低；（2）通過在大氣壓下將氫氣冷卻至20 K，以液態形式使用氫氣。使用液態氫的儲存系統在使用高壓儲罐時具有儲存更多氫的潛力，但需要采用雙層壁面的儲罐，以保溫隔熱；（3）基于固體氫化物的儲存系統，它可以通過不同貯氫合金的高密度吸收和存儲氫氣。在其他方法中，這種合金比儲罐的體積更小、更輕便。金屬氫化物貯氫的方式通過加熱或水等介質，從這些化合物中反應釋放出氫。金屬貯氫裝置由于其結構多樣性，突出的調整孔徑和表面功能的能力，特殊的孔隙率和表面積以及豐富的化學成分而獲得了高度的關注。同時，與其他存儲技術相比，金屬貯氫裝置在單位體積內可存儲更多的氫。

2）使用壽命

首先，可以通過控制流動條件（即濕度、流速和溫度等）或通過改變材料和流動設計來延長燃料電池的壽命。其次，設計和開發耐腐蝕性高的廉價雙極板也是提高燃料電池的機械耐久性、延長使用壽命的有效策略之一。

3）使用成本

通過減少材料成本（尤其是鉑金使用）、增加功率密度、降低系統復雜性和改善耐用性等方法，可有效節約。同時，簡化整體系統的技術設計方案或開發無鉑催化劑也可有效降低使用成本。減少電催化劑層中鉑的含量將有效降低燃料電池技術的總體成本，特別是在運輸行業中，對批量生產有顯著的積極影響。

3.3 燃料電池研究趨勢

燃料電池作為一種綠色環保的新興能源和動力形式，與傳統的動力裝置相比，有著使用燃料種類多、壽命長、噪聲小和環境污染較低等諸多顯著優點。將來，燃料電池若要作為主動力源廣泛應用于船舶海工領域，則還需解決以下技術問題：

1）功率密度

目前，燃料電池在功率密度方面，只能與低中速柴油機相媲美。與高速柴油機、燃氣輪機相比，仍有一定的差距。因此，從現有技術條件來講，燃料電池還不能大范圍應用于高速船舶的主動力系統中。

2）功率

遠洋船舶所需動力源功率為5 000 kW～50 000 kW，而大多數燃料電池組能產生的功率都在5 000 kW以下，差距較為明顯。因此，目前大多數燃料電池只能應用于小型潛艇、游艇、民用船只和船舶輔機系統，待到相關技術成熟后，方可運用于大功率船舶。

3）重量和體積

與傳統船舶動力源相比，燃料電池在重量和體積方面不占優勢。在功率相同的情況下，燃料電池需占用更大的體積和更多的重量，船舶的可盈利空間便相對減少。因此，減小重量和體積也亟待解決的一大難題。

4）船舶工況

設計和開發的燃料電池在陸地上已有廣泛應用，但船用燃料電池還需考慮與海洋環境有關的特定問題，包括海洋空氣和水中的鹽分、震動撞擊及腐蝕等問題，以及在復雜海況中的性能表現。同時，船舶操縱中負荷的突然改變或者大負荷改變引起的溫度變化等情況，都會對燃料電池電力推進系統產生一定的影響。

5）法規限制

國際海事組織的海上人命安全公約（Convention on the Safety of Life at Sea，SOLAS）公約規定：船舶不能使用可燃氣體作為燃料（油輪除外），燃料電池組中的氫氣或富含氫氣的可燃性氣體與這一規定相違背。經過多方研究后，國內外多家船級社表示：安全的燃料電池系統在船舶上的應用是可能的，未發現大的障礙，但前提是對燃料電池技術做更深的研究和取得更新的進展。

4 結論

燃料電池系統不僅可作為船舶的推進動力，還能滿足船上各種用電要求，因此，可根據船舶類型選擇合適的燃料電池類型及燃料，有效配合船舶動力裝置特性，實現效率最大化。其中，質子交換膜燃料電池因其工作溫度低（80 ℃～100 ℃）、體積小、重量輕、模塊化程度高和生命周期長等優點，成為燃料電池動力推進裝置中的主力軍。固體高分子燃料電池的輸出功率大，相同功率下的體積與柴油機相當，也被認為是非常適用于小型船舶的燃料電池。

從世界各國對燃料電池的投資與研發力度來看，未來，其集成化、氫源技術、穩定與安全性等的發展將會更加迅速，這必然也會加快燃料電池作為內河船舶主動力電源的研究。在不久的將來，燃料電池電力推進系統勢必會被廣泛運用于船舶動力市場。