船用燃料电池动力推进技术应用研究

康嘉伦 李 欣 王 怡 周 熲 庄士超

上海外高桥造船有限公司

0 引言

船运行业作为经济全球化的主要载体，在世界范围内为经济贸易做出巨大贡献。伴随着全球石油资源的耗尽，以及环境污染、温室效应和能源短缺所带来的巨大压力，国际海事组织（International Maritime Organization,IMO）国际防止船舶造成污染公约（MARPOL 公约）对污染排放规则提出了更高的要求[1]。船舶航行主要依靠船用柴油机提供动力，存在如下主要问题：燃料能量转换效率低，柴油机运行振动噪音大，燃料燃烧排放污染物，化石能源储量有限濒临耗竭等，加剧了资源的枯竭以及生态环境的恶化。因此，研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为绿色船舶的重要发展方向[2,3]。

船舶电力推进技术是当前绿色船舶发展的重要方向之一，在民用船和军工领域均受到广泛关注。电力推进技术的研究和推广使船舶能够满足日益严格的污染物排放要求和低噪音环境舒适性方面的考虑。随着燃料电池技术的不断成熟并在众多领域的应用推广，将燃料电池技术运用于船舶动力系统受到了船运行业的关注。借助于综合电力系统技术的发展，燃料电池技术将充分发挥其独有优势，成为未来船用新型动力源系统的主要发展方向[4]。燃料电池技术具有以下主要优势：1）发电效率高。燃料电池把燃料的化学能直接转化为电能，发电过程不受卡诺循环的限制，它的理论发电效率可达到85%～90%，实际能量转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。2）绿色环保，近似零污染。燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，其CO2的排放量较内燃机燃烧过程将减少40%以上，且由于没有高温燃烧过程，因此几乎不排放氮和硫的氧化物，对缓解地球温室效应，减轻大气污染十分重要。3）燃料多样化，运用范围广。只要含有氢原子的物质都可以作为燃料。例如，天然气、氢气、酒精、甲醇等，符合能源多样化的需求，可减缓主流能源的耗竭，优化能源消耗结构。4）振动噪声小。燃料电池结构简单，运动部件少，工作时噪声低，其在船舶上的应用，电池本体无噪声，噪声仅来源于各种辅机。

本文介绍最具应用前景的两种燃料电池技术，并全面回顾和总结燃料电池在船舶领域的研究现状和应用前景，重点分析船用燃料电池电力推进的几种供电模式，基于大型远洋船舶的特点需求，探讨燃料电池运用的可行性。

1 船用燃料电池系统

1.1 燃料电池技术

燃料电池是运用电化学反应进行发电的装置，其不受卡诺循环的约束，可以将燃料的化学能不经过热功转换过程直接转变为电能。燃料电池系统主要由阳极、阴极、离子交换膜以及外接电路等构成，见图1。燃料与空气（或氧气）分别供应至电池阳极和阴极，在不直接混合的条件下发生电化学反应[5]。燃料电池系统按照电解质的不同，可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池优势明显，目前已进入工程应用推广阶段，技术开发也较为成熟，具有进一步大规模商业化的潜力，被普遍认为在未来得到广泛普及应用的两种燃料电池[6]。

图1 燃料电池原理图

质子交换膜燃料电池（PEMFC）一般采用氢气作为燃料，其主要特点是采用质子交换膜来传导氢离子。氢气和氧气（或空气）通过双极板上的气体流道分别输送至电池阳极和阴极，通过膜电极上的气体扩散层（GDL）到达催化层。在阳极侧，氢气在阳极催化剂表面上解离为水合质子和电子，前者通过质子交换膜上的磺酸基传递到达阴极，而电子则通过外电路流过负载到达阴极，在阴极催化剂表面，氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电子，生成水分子，并放出大量的热[5,6]，过量的反应物（氢气和氧气）通过气体流道回流至储气罐，生成物水蒸气则通过阴极侧流道收集并排泄至电池系统外。该反应过程的化学反应式如式（1）～式（3）所示[7]。

阳极反应：

阴极反应：

总反应：

固体氧化物燃料电池属于高温燃料电池，运行温度为550～850 ℃，其主要特点是采用固态导电陶瓷作为电解质用于传导阴极产生的氧离子。系统运行过程中，燃料气体和氧气（或空气）通过双极板上的气体流道分别输送至电池阳极和阴极，通过膜电极上的气体扩散层（GDL）到达催化层。在阳极侧，具有催化作用的催化剂层表面吸附燃料气体。在阴极侧，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，并扩散到达阳极的催化剂层表面，与燃料气体发生反应，生成水分子并放出大量的热，失去的电子通过外电路回到阴极。过量的反应物（氢气和氧气）通过气体流道回流至储气罐，生成物水蒸气则通过阳极侧流道收集并排泄至电池系统外。以氢气作为燃料为例，反应过程的化学反应式如式（4）～式（6）所示[8]。

1.2 研究现状及应用前景

目前，燃料电池技术主要被应用在汽车行业、无人机领域、航天航空领域以及船舶行业。其中，燃料电池在大客车和小型汽车领域的应用已具有良好的基础，我国在大型客车的研发和生产处于领先地位。以上海大通为代表的多家国内企业掌握了燃料电池大型客车集成技术，并可以进行自主生产，但燃料电池系统的核心部件仍然依赖进口，国家和各地方政府也纷纷出台燃料电池汽车的相关政策，进一步加速了车用燃料电池的运用发展。燃料电池在小型汽车最为典型的工程化应用是日本丰田公司推出的Mirai 系列汽车及韩国现代公司推出的Tucson FCEV 系列汽车，已进入市场商业化阶段。燃料电池在无人机领域和航天航空领域的应用相较于汽车领域，示范工程较少，主要集中在欧美发达国家。近年来，国内也在无人机运用燃料电池上取得较大进展和突破。

欧美和日韩等国家和地区在船用燃料电池的研发和设计上起步较早，目前在工程化的应用和推广处于领先地位，已有较多船用燃料电池动力推进装置的应用和示范工程。最初，德国将燃料电池应用于潜艇领域，由霍瓦兹造船公司（HDW）研制建造了世界上第一艘装备氢氧燃料电池的212A 型AIP潜艇，该潜艇使用柴电及燃料电池混合动力，两种动力系统既可单独使用，也可联合使用。燃料电池动力系统用于水下长时间巡航，柴电动力系统用于潜艇作战时高速航行[9]。在此基础上，德国与意大利联合进一步改良了燃料电池潜艇的制造，研制了使用2 套燃料电池，每套功率120 kW 的新型潜艇，可以4.5节的速度潜航1250海里，航行15-17天，至今仍在多国海军中服役。除潜艇以外，燃料电池在其他军工领域也不断进行应用尝试，美国和英国计划在诸如驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰领域，开展将燃料电池技术应用于船用电网和辅助推进系统的研究[10]。

随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池在商船和客船上的应用日益得到重视，燃料电池作为船舶辅助动力的前景被十分看好。燃料电池技术在民船领域的应用研究主要集中在欧洲，2008 年，德国Zemships 项目推出的48 kW 质子交换膜燃料电池客船Alsterwasser 正式在阿尔斯特河上营运，是世界上第一艘投入运营的燃料电池电力推进客船[11]。由挪威资助的“Fellow Ship”燃料电池船用系统示范项目在2009 年推出了装备320 kW 燃料电池动力系统的海洋工程供应船“Viking Lady”号，该船由欧洲几大船级社与企业（DNV、挪威航运集团、瓦锡兰、VIK SANDVIK、MTU）合作研制，是全球第一艘通过燃料电池技术进行船上发电的营运船舶[12]。2017 年9月，维京邮轮（Viking）公司在挪威宣布将建造一艘使用氢燃料电池为动力的邮轮。该邮轮设计长度为230 m，以液氢为燃料，由船上的氢燃料电池产生电能，用于船舶驱动和船上其他用电，这艘邮轮将可能成为世界上第一艘零排放的氢燃料电池邮轮。2017 年由法国研制的Energy Observer（能源观察者号）正式下水并开始环球航行。该船舶的燃料电池使用氢燃料，氢气的来源由一套太阳能和风能电解水装置制得，并通过储存罐体存储，氢燃料电池系统在阴天、夜间以及长途航行的起步阶段启动为船只航行提供动力，是世界上第一艘可以自产制氢的船舶。加拿大Ballard 公司于2018年宣布将开展用于海运船舶动力系统的兆瓦（MW）级质子交换膜燃料电池系统的开发，应用重点是游轮方向，计划当游轮停靠港口时为其提供电力，或在海上运行时提供主要推进动力[13]。德国西门子集团于2018年提出将燃料电池系统装配在渡船及其他海上船舶的计划，未来将装配在海上观光船及海洋考察船。此外，西门子集团目前正在研究采用多种燃料的混合多燃料动力系统、电动系统和液化天然气动力系统。近年来，挪威海运公司Norled提出将建造全球首艘氢电动渡轮，该渡轮主要动力由氢气提供，将于2021 年在罗加兰郡Hjelmeland-Skipavik-Nesvik 之 间 的 国 道13 线 路投入运营。这条大容量渡轮可容纳299名乘客，80辆汽车，在船用燃料电池领域具有划时代的意义。

新世纪以来，日本也开始进行燃料电池技术船用领域的研究，相较于车用燃料电池技术，其在船用领域起步较晚，但得益于日本燃料电池领域的技术优势，因此发展较快[14]。2015 年初，在日本政府大力支持下，日本户田建设与雅马哈发动机联手开发氢燃料电池船舶，年底便在渔船上实现了实船试航，其最高速度可达37 km/h，每次加氢可运行2 h左右。另外，三菱重工、Flatfield等企业对燃料电池在船舶领域的应用也有着持续的研究。日本在深海科学考察巡航船舶上的应用取得重大进展，由其研制的世界第一艘采用氢氧燃料电池动力的深海科学考察巡航器已经试航。韩国自2010 年以来，加大了对船用燃料电池技术的研究和政府资金支持。韩国政府制定了船用燃料电池的长期发展战略规划，韩国的大型船厂与企业（如：大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船联合韩国船级社（KR））都参与了政府牵头的船用燃料电池研发项目或自主研发[15,16]，其主要定位是研发建造液化天然气（LNG）燃料推进船，沿近海政府公务船，以及沿近海商用客船和客货滚装船。

基于对国内外已有船用燃料电池示范工程项目的分析和总结，燃料电池技术在以下船舶类型领域具有较好的应用前景：

1）LNG船

LNG运输船装载液化天然气，在航行中船舶受到光照和晃荡，液态天然气会发生自动气化，一般采用安全阀释放或再液化的方法。采用安全阀释放意味着天然气被浪费且对大气造成污染，气相再液化则需要消耗电力。开发燃料电池LNG运输船，燃料电池技术正好能以气化的天然气作为燃料，为船舶提供驱动电能，实现了因地制宜、经济环保。

2）游艇及小型客船

燃料电池推进技术可作为推进动力和辅助动力装置，应用于内河、内湖和近海的游船和游艇，满足该类型船舶对节能减排、绿色环保和提升船舶舒适度的需求。此外，游艇及小型客船在行进或进、出港时，低负荷运行，且负载变化很大，需要主机有良好的负荷特性，而燃料电池具有这样的优势和特点。目前的燃料电池负载变化范围为10%～25%，负载变化速率为每MW级25%/min。

3）科学考察船

燃料电池电力推进船具有噪声低、振动少的优点，对精密测量仪器的寿命及测量数据的精确度都有极大的益处，还能够创造非常舒适的研究和生活的航行条件，因此燃料电池可作为推进动力和辅助动力装置应用于科考船，满足该类型船舶对噪声振动及废气排放的需求。

2 船用燃料电池电力推进模式

船舶的电力推进按照装置功能分为独立电力推进装置、联合电力推进装置、辅助电力推进装置、特殊电力推进装置和主动舵电力推进装置，其中独立电力推进装置是最常用的电力推进方式，螺旋桨由推进电动机带动。船舶在海洋中往往是变工况航行，燃料电池在输出变化的控制要求下反应速度较慢，无法满足电动机的瞬态能量需求，容易出现燃料电池供电不足的问题。为了提高供电系统的稳定性和灵活性，燃料电池系统一般配备蓄电池系统进行配合。当燃料电池发电系统的输出功率在满足船舶运行工况功率需求时，能够单独给电动机供电；燃料电池达到额定的输出功率区域，若此时输出功率大于运行工况的需求，主发电机除供电给推进电动机外，可根据需求把一部分电能供给船舶电网，可利用蓄电池组储备其发出的多余电力；当燃料电池发电量无法满足运行工况需求时，可切换为与锂电池组联合对推进电机供电。基于对船舶运行时不同工况的分析，总结得出船用燃料电池电力推进的6种模式[13,16]。

1）燃料电池单独驱动模式

当船舶航行工况所需功率和能量较小时，燃料电池的产电功率和输出能量能够满足航行工况所需功率和能量，一般采用燃料电池单独驱动电机运转，由于燃料电池产生的是直流电，船舶电压平台的电压一般为48 V，需对燃料电池系统发出的直流电进行DC-DC 变换，通过变换后输入电机，使电机驱动螺旋桨工作（见图1）。

图1 燃料电池单独驱动模式

2）燃料电池驱动并向蓄电池充电模式

当船舶航行工况所需功率和能量较小时，燃料电池的产电功率和输出能量远大于船舶的功率和能量需求，且蓄电池的储电量不足时，氢燃料电池单独向发动机供电的同时，可根据需求把一部分电能供给船舶电网，还可以分流电能为蓄电池充电，将燃料电池输出的多余电量储存在蓄电池中，以备燃料电池和蓄电池联合驱动模式下或蓄电池单独驱动模式下使用。燃料电池产生的直流电通过双向DC/DC 交换器的变换，被输送至蓄电池系统中，见图2。

3）燃料电池与蓄电池双驱动模式

当船舶航行工况所需功率和能量较大时，燃料电池的产电功率和输出能量远不能满足船舶航行工况所需功率和能量，燃料电池需配合蓄电池对电机进行联合供电，以满足船舶航行的需要。另一方面，船舶在海洋中通常是变工况航行，为避免出现燃料电池供电不足的问题，一般需要配备锂电池等电能存储装置。燃料电池在输出变化的控制要求下反应速度较慢，无法满足电动机的瞬态能量需求，因此在燃料电池输出电能的同时需要控制蓄电池系统共同向电动机供电以满足船舶航行功率和能量需求。对蓄电池系统发出电能进行DC-DC 变换，通过变换后输入电机，使电机驱动螺旋桨工作（见图3）。

图2 燃料电池驱动并向蓄电池充电模式

图3 燃料电池与蓄电池双驱动模式

4）燃料电池、蓄电池与内燃机发电联合驱动模式

虽然燃料电池技术日益成熟，但目前的燃料电池还存在较多技术性能上的制约，如动态响应速度慢，单电池输出功率较小等，燃料电池的技术水平仍需提高。因此根据船舶的需求，可以在船舶动力系统中选择性配备内燃机发电系统，实现对电机的联合驱动。当船舶航行工况所需功率和能量较大时，燃料电池和蓄电池双联供电功率和输出能量也不能满足船舶航行工况所需的功率和能量，可采用内燃机系统进行发电，通过配电控制系统对燃料电池、蓄电池与内燃机产电进行控制协调，实现联合供电，以满足船舶航行的需要（见图4）。

图4 燃料电池、蓄电池与内燃机发电联合驱动模式

5）蓄电池充电模式

在船舶靠岸装卸货物的电机停机状态下，船舶航行所需功率和能量近乎为零，燃料电池系统不需要为电机提供电能输入，如蓄电池的储电量不足或未达饱和状态时，燃料电池可切换至直接向蓄电池单独充电模式，以备蓄电池联合驱动模式下或蓄电池单独驱动模式下使用。燃料电池产生的直流电通过双向DC/DC交换器的变换，被输送至蓄电池系统中（见图5）。

图5 蓄电池充电模式

6）蓄电池单独驱动模式

在船舶航行工况所需功率和能量极小，或者在燃料电池系统燃料储量不足，抑或是燃料电池系统需要检修的情况下，蓄电池作为单独的驱动源供电给电机，由蓄电池系统输出的电能经过双向DC/DC交换器输入至电机，从而驱动螺旋桨做功，此模式下燃料电池系统不工作（见图6）。

图6 蓄电池单独驱动模式

3 远洋船舶应用可行性

大中型远洋船舶是国际航运行业的中坚力量，是连接全球进出口的主要媒介，由于其自身的特点，相较于内河近海的小型船舶，其对燃料电池系统的性能提出了更高的要求。目前，燃料电池的应用定位主要是作为内河和近海的客船和小型货船，舰船产品，LNG运输船及科学考察船的推进动力或辅助动力系统，国内外还未有燃料电池应用于大型远洋船舶的示范项目和实例。

大型远洋船作为商用船舶，建造和运维成本是其商业化推广中重点考虑的因素。目前燃料电池电堆的建造成本很高，一方面归因于昂贵的稀有金属催化剂成本，另一方面是由于目前的燃料电池技术水平有限，许多关键性技术还未突破，功率密度、能量密度、运行电流密度等方面的问题导致目前的燃料电池电堆必须依靠增大电堆体积来达到指标参数的商业化应用要求，由此导致建造耗材成本增加；电堆体积大使原本就宝贵的船舱空间，变得更加紧缺，船舱设备的布置也将受到极大影响。除成本因素以外，远洋船舶还具有单次航程远，航行动力需求大变化多等特点，目前的燃料电池技术还尚未达到大型远洋船舶对电池输出功率、续航里程以及使用寿命的要求，导致目前的电池性能不足以支撑其大规模工程化应用，也正是因为存在这些关键性技术障碍，使国内外均未开展大中型远洋船舶燃料电池推进系统的示范项目。即：由于电堆性能和成本等导致的障碍，全球对后续船用燃料电池系统集成和设计（如电池系统布置、发电模块集成、控制系统开发等）的研究和探索十分匮乏。因此，通过进一步研究和探索，突破燃料电池堆核心技术障碍，显著提高电池性能的重要指标参数是燃料电池大规模商业化应用于远洋船舶的关键所在。

4 结论

随着绿色船舶理念的不断深化，燃料电池技术凭借其独特优势，将成为船舶电力推进领域重点研究和发展的方向。船用燃料电池技术的探索相较于车用领域较为滞后，目前的应用主要是内河和近海的客船和小型货船、军工产品、LNG 运输船和科学考察船等，主要作为辅助动力系统和特殊工况下的推进系统。燃料电池在大型远洋船舶上的应用还存在较多技术障碍，其功率密度、成本经济性还无法与内燃机竞争，但是随着燃料电池技术的快速发展以及船舶污染物排放的要求逐步提高，其大规模应用将具有非常大的潜力。未来应根据远洋船舶的特点对船用燃料电池技术进行针对性的改进、优化和探索，以满足大型远洋船舶对电池输出功率、续航里程以及使用寿命的要求。此外，本文基于燃料电池汽车的几种供电工作模式，根据船舶的不同运行工况，总结得到了船用燃料电池电力推进的6 种模式，为船用燃料电池的应用设计提供相应的技术参考。