船用燃料电池技术初探＊

叶伟强 宋艳琼

（广州航海学院海运系 广州 510725）

0 引 言

目前船舶推进市场主要份额仍然由柴油发动机主宰，占据了功率和设备容量的95%.燃气轮机在过去的几十年里也曾占据航运市场的重要地位.由于燃料电池的局限性，其开发和应用对于商用水面船舶来说相对滞后，即使相比于潜艇的不依赖空气的推进系统（AIP）也是如此.

文中总结各种燃料电池的特点和发展现状，并在效率、功率密度、排放等方面对比用于各种不同类别船舶的柴油发动机和燃气涡轮机.作为一个案例研究，提出由燃料电池驱动的船舶推进系统.

1 燃料电池及其发展

燃料电池是一种发电装置，化学反应物的自由能源被转化为电能.化学反应的吉布斯自由能变化相关的电池电压如下：

式中：n为参与反应的电子数；F为法拉第常数；Vo为热力学平衡在无电流时电池电压.

所有燃料电池的基本结构是相似的：电池有2个电极（阳极燃料和阴极氧化剂），它们是被电解液隔开和被连接在外部的导电电路.电极接触到气体或液体流向电极提供燃料或氧化剂.电极经由一个多孔结构渗透到气体或液体，而电解液应具备尽可能低的透气性［1］.

燃料电池可根据使用的离子导体（电解质）的类型和操作的温度范围进行分类，见图1.碱性燃料电池（alkali fuel cells，AFC），使用碱性氢氧化钾作为燃料电池的电解液，其长期用于美国宇航局的航天领域.在质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）和磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC），氢燃料解离成自由电子和质子（正的氢离子）.氢质子通过电解质迁移到阴极.在阴极，氧气来自于空气，来自外部电路的电子与质子结合成水和热.所有这3种类型都是低温燃料电池.

高温燃料电池，例如，固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cells，SOFCs）和熔融碳酸盐（molten carbonate fuel cells，MCFC）是有特别价值的，因为在高温下的操作允许使用天然气作为燃料和混合动力概念，涉及燃料电池和燃气轮机.整个系统可以显著提高效率.操作温度1 000℃（传统、电解液支撑型设计），700℃ （中间温度，阳极支撑型设计）和大于1个大气压的压力使得SOFCs成为必然的选择［2］.

由于船舶要求功率高，需要燃料电池堆栈和支持组件，例如，燃料裂化炉（碳氢化合物燃料转换成氢气），空气压缩机，加湿器和／或冷凝器等，因为需要进行热控制／平衡，等等，使燃料电池正常工作至关重要.此外，燃料应该在进入燃料电池堆之前脱硫.

高性能、低成本和高可靠性是燃料电池的主要特色，目前主要工作都集中在发现新材料和新工艺用于特定系统的制造，以实现良好的电池／电池堆的性能，同时使得系统成本最小化.

图1 各种类型的燃料电池

2 船上传统热机

本研究专注于商用水面船舶，如远洋货船，沿海货船，游轮，渡船，和科考船等［3］，其性能范围和电力需求可以概括为商用水面船舶［4］：推进功率5～50MW；船舶电网电能小于10MW；应急电源0.1～1MW.电力系统的典型性能标准见表1.

表1 电力系统的典型性能标准

电力系统设计和安装还应考虑船舶类型、任务、货物和经济性等因素.其推进系统按装机功率划分，市场份额见表2［5］.

表2 按装机功率统计的市场份额

柴油发动机在船舶推进和辅助动力发电方面一直占据主导地位，同时燃气轮机也应用于商用水面船舶，虽然燃气轮机在过去10年获得了越来越大的市场份额，但仍然十分有限.柴油发动机和燃气轮机的特性见表3.

表3 传统发动机的特性

另外，柴油发动机为更好地利用燃料，可以通过改进燃烧室，控制燃油喷射，增加气缸的气缸压力和紧凑的布置等，使用废气透平、锅炉和废气加热器，甚至低余热用于热电联产提高系统热效率.

3 燃料电池的优点和潜在的船舶应用

和传统火力发电引擎如柴油发动机和燃气轮机相比，燃料电池的优点简要比较总结如下.

1）高效率 燃料电池转换效率（从输入燃料到输出电）通常能达到40%～50%.当热电组合应用时，系统效率可以达到60%～70%.

2）低排放 对于PEMFCs，在燃料改良中将不符合要求的成分从燃料中被去除，燃料电池本身的排放可以忽略不计.同时燃料电池系统氮氧化物排放比常规火电系统要低得多.

3）低噪声 因为燃料电池没有移动部件，唯一的声源只包括泵、风扇、压缩机等辅助设备.与内燃机相比，燃料电池堆可以安置在任何地方，甚至接近乘客、船员休息舱.

4）模块化／部分负荷性能好 因为燃料电池堆的效率很大程度上取决于电池的特点，燃料电池系统的效率和系统的大小无关.因此，可以通过一定范围的负载即加载30%～100%的额定功率输出，可以维持燃料电池系统的效率.因此，燃料电池可以运用于经常改变电力需求的船舶，例如渡轮或离岸供应船舶.此外，可以模块化制造燃料电池.燃料电池系统应用于电气设备时，可以很方便增加其容量大小，以匹配负载的要求.

5）燃料选择的多样性 燃料电池可选用多种燃料，如纯氢、天然气、甲醇、石脑油、液态烃燃料、煤气甚至生物质衍生燃料.低温燃料电池质子交换膜燃料电池（如PEMFC）需要非常纯粹H2（导致在改良上非常困难），而高温燃料电池（如SOFC）则对燃料要求较低，可以直接使用天然气.

6）操作、维护成本低 与内燃机相比，燃料电池操作简单，甚至可以无人操作.无需润滑油，运行和维护成本低于柴油发动机.

4 船用燃料电池应用的主要问题和障碍

在商用水面船舶上应用燃料电池的主要问题有：资金和运营成本、燃料供应和转化、技术完善、安全和船舶入级问题等.

推广新技术有相对高的成本，这是燃料电池不能得到广泛商业应用的主要障碍之一.而且，燃料电池技术还没有成熟，它正与成熟有效可靠的技术进行竞争.因为传统热动力技术用的配套服务和基础设施已经比较发达且广为接受，物流和经济方面的考虑一直促使船东运营由柴油机或燃气轮机驱动的船舶，其使用重质燃油或船用燃油.

为了给电池阳极提供燃料，在船上可以装储纯氢，也可以将碳氢化合物和目前的燃料转化.选择燃料应满足如下共同要求：安全操作、易于转化、易于补充和价格便宜.各种燃料的性能比较见表4［6］.

表4 各种供给燃料的比较

由于柴油获取方便，且价格相对较低，燃料的转化技术在航运业应用中取得突破性进展，特别是对航行时间长和跨洲航行的水面商船，关键的挑战是开发一个能有效工作的转化器，和开发稳定的催化剂用于降低水碳比率和脱硫.

另外，船用燃料电池还需考虑安全和监控问题.例如，燃料电池堆和相关组件中单点故障的危害不应导致动力的完全丧失.电池堆里单模块或不能修好的电池堆应该能隔离开，且不影响剩余电池堆的运行.

设计和开发的燃料电池已经用于陆上，船用时还需考虑与海洋环境有关的特定问题，包括海洋空气和水中的盐分、震动撞击及腐蚀等问题，以及在艰苦海况中的耐用性和性能表现.船舶操纵中负荷的突然改变或大负荷改变引起的温度变化，燃料电池对这些突变如何反应还需深入研究.

5 案例研究

几乎所有的燃料电池开发工作都集中在陆上应用，燃料电池在船用领域的开发十分有限.美国海岸警卫队对燃料电池应用于小型艇进行了研究，如四台柴油发电机组，直流电动机驱动的CGC Vindicator艇、单体船.对其结构、电气、燃料供给、排气管理和其他组件作相应变动，移走柴油发电机组，安装4台熔融碳酸盐燃料电池组（625kW／每堆，总共2.5MW）.一台燃料转化器将符合NATO标准的低硫F－76柴油转化成氢和二氧化碳.

从已有的研究案例可知，低温燃料电池堆（PEMFCs）在效率方面有优势，而SOFCs有潜力超过现有最好的柴油机或燃气轮机，见图2.另一方面，使用同样燃料（NATO F－76柴油），燃料电池的能量密度略高于柴油机，但还赶不上高功率燃气轮机.

图2 不同技术的能量转化效率比较

针对某船预定的燃料电池动力装置开发的计算机仿真程序，用来预测燃料电池动力装置运行和电力分配.对复杂的电池动力装置进行简化建模，某船燃料电池系统原理图见图3.

系统由燃料电池堆、反应物控制单元、逆变器和必要的能量、电力输送组件组成.燃料电池堆是关键部分，用来产生电能.中温固体氧化物燃料电池堆（intermediate temperature solid oxide fuel cell，ITSOFC）用来作为案例研究，它基于最新开发的燃料电池材料，能够在600～700℃温度下运行.在这个新开发的燃料电池中，使用了复合盐陶瓷电解质，安装的电极基于氧化物复合材料，固体氧化物复合材料（solid oxide composite，SOC）内含镍基氧化物和氟化物.一些氟化物具有催化剂的重要作用，有助燃料转化为碳氢化合物.SOC电极有高效催化剂的功能，这使得ITSOFC能够在宽的气体组分和温度范围内运行，充分展现了电池的高性能［7］.反应物控制单元能提供适合的燃料／氧化剂（通常是氧气）给燃料电池阳极／阴极，它可配有必需的热／水平衡装置（如各种热交换器）.逆变器将直流变成交流.总的来说，监控系统可以用来监控燃料／空气流动、水平衡、燃料利用、温度、压力和电力／能量负载平衡等，

此案例燃料电池堆的性能分析结果见图4.通过ITSOFC的数值仿真模型去评估其性能，如电压－电流曲线，功率－电流曲线，热／气平衡等［8］.

图3 某船燃料电池系统原理图设计

图4 ITSOFC电池堆性能

此案例用生物质气（或生物燃料）做燃料，气体组成是 CO （30%）＋ CO2（10%）＋ H2（50%）＋ CH4（10%）.电池堆能够提供24V、1kW交流电能（例如，1.1kW直流电能，如在本研究中变换器效率为90%）.当电流密度在200～950mA／cm2内时，此电池堆单元电压在0.5～0.7V之间.如0.6V电压作为运行电压（测试时，相应电流密度为606mA／cm2），这时电池堆内有40个电池单元，每个电池单元有0.008m2有效工作面积来产生所需的电能.电池堆工作参数和预测性能见表5.从表5可看出，电能的能量转换效率为34%，而在有废热发电装置回收废热时，可以达到64%.值得注意的是，燃料的利用率（电池内反应的燃料量／进入电池的燃料量）可假定为70%.

表5 ITSOFC参数和预测性能

ITSOFC和PEMFC电池堆的性能参数见图5［9］，两者额定功率均为1kW，但分别用生物燃料和氢做燃料.从图中可以看出，使用碳氢化合物做燃料的ITSOFC电池堆效率更高.

图5 ITSOFC和PEMFC电池堆功率对比图

6 结束语

相对于传统的柴油机，燃料电池有特定优势.然而至今，大部分工作都是致力于陆用开发，如SOFC用于电站，PEMFC用于运输工具.再者，有限的船用也主要是集中在军用相关领域.目前只有诸如瑞士、德国和美国等几个国家应用于小型船，特别是应用于游艇［11］.

船用燃料电池新技术的应用案例研究表明，需要设计和开发未来航运需要的燃料电池，特别是用于水面商用船舶的.这样，很多船舶可以把燃料电池当作可用的能量来源，从而广泛应用于客船、渡轮、集装箱船和储气船［12］.燃料电池有卓越的排放性能，有利于在环境敏感的区域使用，然而，在瞬时响应和可靠性、安全性方面，还有待更加深入的研究.

［1］汪 灿，刘宁，石 敏.固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展［J］.材料导报，2004（2）：264－267.

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