船舶电力推进技术是当前新能源船舶发展的重要方向之一,与此同时,船用氢燃料电池系统凭借绿色、高效、静音的特点,也成为绿色船舶动力系统的主要方案之一。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的能效转换率高、快速启动、零排放等优势,成为未来船用新型动力源系统的主要发展方向。
船用氢燃料电池技术
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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。
船用氢燃料电池通常是质子交换膜型燃料电池,主要由流场板、 电极、 催化剂、 质子交换膜以及氢气和氧气构成,图 1为氢燃料电池的原理图。在氢燃料电池中,质子交换膜（电解质膜）是其核心部件,通过质子交换膜传导氢离子,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,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。质子交换膜直接决定了氢燃料电池的使用寿命和电能大小,因此质子交换膜必须具有较高的热稳定性和化学稳定性,良好的质子通过性以及较低的气体渗透率。
燃料电池优势分析
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和传统柴油发动机相比,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, 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%,当将其加入热电组合时,系统效率高达60% ～ 70%。
2. 噪声低。燃料电池结构简单,没有移动部件,声源仅来自压缩机、风扇等辅助设备,且燃料电池堆在船上可布置的位置相对更多,因此对船上人员产生的噪声影响较小。
3.近似零排放。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。
4.多样性。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。
5. 维护成本低。与内燃机相比,燃料电池操作简单,甚至可以实现无人操作,无需润滑油,运行和维护的成本也均低于柴油发动机。
目前新能源在船舶上的应用形式十分繁多,目前应用较多的是锂电池、燃料电池、太阳能光伏、风力推进、核动力和油气混动等。几种新能源的优缺点比较见下表所示。
船舶氢燃料电池动力系统
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螺旋桨由推进电动机带动的独立电力推进装置是船舶最常用的电力推进方式,根据船舶运行的不同工况,船用氢燃料电池动力系统可采用多种模式 ：
1.氢燃料电池独立供电模式
当船舶所需功率和能量较小时,燃料电池的输出能量能够满足船舶需求,此时可采用燃料电池单独驱动向全船电网供电。氢燃料电池系统通过DC-DC斩波器连接到直流组网中,DC-DC斩波器将氢燃料电池系统生成的幅值变化的直流电转变为幅值稳定的直流电,再通过逆变器将直流母线上的直流电转变成交流电,为推进电机供电,并为船舶电网负载供电（如图 2 所示）。
2.燃料电池与储能装置同时组网供电
船舶在航行过程中负载变化频繁,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,同时当船舶所需功率和能量较小时,燃料电池的输出能量将大于船舶所需。为了提高供电系统的稳定性和灵活性,燃料电池系统可与储能装置联合组网,如锂电池、超级电容等配合组成船舶动力系统,在燃料电池输出电能的同时联合储能装置共同向电动机供电以满足船舶航行功率和能量需求,当燃料电池的输出能量大于船舶所需,且储能装置能量未满时,燃料电池输出的多余电量储存在储能装置中（如图 3 所示）。
3.燃料电池、储能装置与柴油发电机并联供电
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。因此根据动力需求,在船舶动力系统中配备柴油发电机系统,实现混合动力驱动。当船舶所需功率和能量较大时,可采用燃料电池、储能装置与柴油发电机组并联供电的方式,通过电站管理系统进行控制协调,实现联合供电,以满足船舶需要。
氢燃料电池船上应用现状
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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。
2008年,德国Zemships项目推出的48kW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。
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320kW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。
2017年9月,维京游轮（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米,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“EnergyObserver（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。
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小时左右。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）都参与了政府牵头的船用燃料电池研发项目或自主研发,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。
与很早就进行技术研发布局的各国相比,我国在氢能与燃料电池技术领域起步较晚,当前还处于探索阶段。不过,已在广东“绿色珠江”号氢燃料电池动力示范船、首个国家级氢燃料电池示范船等示范项目上取得了不少进展。此外,2022年初,由大连海事大学牵头建造的我国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号顺利完成试航,成功验证了燃料电池作为船舶动力的实用性 ；2022 年 6 月底,七一二所在黄冈实现燃料电池关键组件的试产,为实现燃料电池产业化打下了坚实的基础。
面临的挑战
虽然,近年来氢能源产业受到了世界多个国家的大力推广,氢燃料电池技术、绿色制氢技术、氢燃料储存加注技术等取得了长足进步,但是氢燃料动力在船舶的应用仍有待进一步研究和发展,并面临如下挑战 ：
1.国内燃料电池的研发以质子交换膜燃料电池为主,在燃料电池关键零部件,如双极板、膜电极、催化剂等方面的研究还主要停留在实验室阶段,尚未形成商业化产品,燃料电池关键零部件和材料还主要依赖进口。
2.燃料电池对船舶实际运行环境下的环境适应性以及可靠性等仍需要进一步研究。目前,燃料电池普遍寿命不超 5000 小时,与船用柴油机寿命相差较大,燃料电池的寿命和耐久性仍有待提高。
3.目前燃料电池功率一般不超350kW,满足船舶能量需求需要大量电池单体,考虑到船上空间有限,船用高紧凑的大功率氢燃料电池系统集成技术仍有待突破。
4.中国制氢技术主要以煤炭制氢为主,在绿氢制取方面仍面临诸多问题。电解水制氢中的各关键材料和部件价格过高,导致电解水制氢成本居高不下。可再生能源制氢方面,能够产业化的太阳能、风能和生物质能制氢经济性与煤炭制氢相比,缺乏竞争力,且能量密度低,稳定性差,产氢效率有待进一步提升。
5.大型远洋船舶需氢量大,导致氢气加注时间长。高压气态氢气储罐的容量较低,所需储罐数量多,占据船舶空间大,布置难度高。
6.国内当前尚未有专用船舶氢气加注的港口,氢加注配套设施需要进一步建设。
展望与建议
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。当前,船舶燃料电池技术主要应用在内河和近海的客船及小型船上,在大型远洋船舶上的应用仍面临巨大的挑战,但随着燃料电池和储氢技术的快速发展以及船舶污染排放要求的逐步提升,仍具有大规模应用的潜力。为进一步推动船舶氢燃料电池动力技术和行业应用发展,建议 ：
一 是开展氢燃料电池动力船舶技术标准规范的符合性研究,建立完善的氢燃料电池动力船舶标准规范体系。
二 是支持关键零部件的核心技术攻关、应用示范与推广。例如设计大功率模块集成化的燃料电池电堆,以满足氢燃料电池的船舶应用需求。研究开发与燃料电池系统相配套的在线状态监测和智能故障诊断系统,实现对燃料电池系统关键参数的实时监测,以及故障的快速定位、辨识、隔离。
三 是加强对储氢机理的研究,研究提高储氢密度、降低放氢难度的理论方法,发展轻质、耐压、高储氢密度的新型储罐。综合各种储氢技术的优点,研发复合储氢技术。
来源：中国船级社 崔 艳
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