燃料電池技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

劉子楊，翁方龍，李玉生，湯 濤，劉仲祥

燃料電池技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

劉子楊1，翁方龍2，李玉生1，湯 濤2，劉仲祥2

（1. 海裝駐大連地區(qū)第一軍事代表室，大連 116000；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

本文針對(duì)燃料電池技術(shù)在民用船舶和軍艦動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景展開分析，主要討論了質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)，及其應(yīng)用中的優(yōu)勢和限制條件；重點(diǎn)分析了燃料電池在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中使用的燃料適用性問題，以及動(dòng)力電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制方面的問題。分析認(rèn)為，固體氧化物燃料電池技術(shù)在船用環(huán)境適應(yīng)性方面具有一定優(yōu)勢，在總體設(shè)計(jì)方面需要關(guān)注與其他動(dòng)力源裝置的協(xié)同互補(bǔ)，在運(yùn)行安全方面需要解決多約束條件下的控制和管理技術(shù)。

燃料電池 固體氧化物 電力推進(jìn) 艦船 控制和管理

0 引言

電力推進(jìn)技術(shù)是當(dāng)前船舶發(fā)展的重要方向之一，在民用船舶和軍艦都受到越來越多的關(guān)注。民用船舶采用電力推進(jìn)技術(shù)的主要目的在于滿足日益嚴(yán)格的污染物排放要求和低噪音環(huán)境舒適性方面的考慮。近年來，我國已開始陸續(xù)出現(xiàn)采用動(dòng)力電池推進(jìn)中小型純電動(dòng)客船，以及采用柴油機(jī)發(fā)電的綜合電力推進(jìn)游船，海工船舶也越來越多的采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，并且逐漸開始由交流組網(wǎng)電力推進(jìn)發(fā)展為直流組網(wǎng)電力推進(jìn)[1]。挪威Hurtigruten郵輪公司的某萬噸級(jí)郵輪將采用混合動(dòng)力推進(jìn)，可采用純電力推進(jìn)運(yùn)行半小時(shí)以上[2]。軍艦上應(yīng)用綜合電力系統(tǒng)是新一代艦船的顯著特點(diǎn)之一，能夠滿足未來艦用高能武器和雷達(dá)發(fā)展應(yīng)用的需求，并提高船舶的安靜性和隱身性。例如，美國朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦（DDG1000），以及英國伊麗莎白女王級(jí)航空母艦，均采用了綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力源，除了采用柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等常規(guī)熱機(jī)，還能夠采用燃料電池、儲(chǔ)能電池、可再生能源發(fā)電裝置等作為主動(dòng)力或輔助動(dòng)力。借助于綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，燃料電池技術(shù)將可能充分發(fā)揮其獨(dú)有優(yōu)勢，成為船用新型動(dòng)力源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。燃料電池在污染物排放、燃料經(jīng)濟(jì)性和振動(dòng)、噪聲指標(biāo)等方面，都具有突出優(yōu)勢，目前正處于關(guān)鍵技術(shù)研究和規(guī)模化示范應(yīng)用的快速發(fā)展期，相關(guān)技術(shù)發(fā)展如何支撐未來船用動(dòng)力的發(fā)展是本文研究的重點(diǎn)。

早在上世紀(jì)90年代，我國學(xué)者就對(duì)燃料電池用于電力推進(jìn)的可能性進(jìn)行相關(guān)分析[3,4]，二十多年來燃料電池技術(shù)的發(fā)展已有顯著突破，并且技術(shù)方向也發(fā)生較大變化。燃料電池技術(shù)發(fā)展初期，主要以航空航天為應(yīng)用背景，技術(shù)路線以常溫堿性氫氧燃料電池為主，而當(dāng)前應(yīng)用背景主要為車用動(dòng)力裝置和大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，主要技術(shù)路線分別為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。目前關(guān)于燃料電池技術(shù)在船用方面的應(yīng)用研究和分析，多關(guān)注于其使用成本問題，缺乏對(duì)船舶適用性問題的深入探討。本文將結(jié)合這兩種燃料電池技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)一步探討其在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性問題。

1 燃料電池技術(shù)

燃料電池能夠?qū)⑷剂现械幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，一般由陰極、陽極、電解質(zhì)（或質(zhì)子傳導(dǎo)膜）等構(gòu)成。連續(xù)供應(yīng)的燃料與空氣（或氧氣）分別在陽極和陰極，在不直接混合的條件下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過程借助于電解質(zhì)傳遞陰離子或陽離子。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）等，其中后兩者也稱為高溫燃料電池（運(yùn)行溫度600 ℃以上）。PEMFC和SOFC目前發(fā)展較快，并且具有商業(yè)化潛力，前者是目前車用燃料電池的主要發(fā)展方向，例如日本豐田公司推出的Mirai汽車，后者主要應(yīng)用背景是重要場合應(yīng)急電源和建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)，例如美國Bloom能源公司為銀行和數(shù)據(jù)中心提供的200 kW~1 MW發(fā)電站[5]。

圖1 兩種燃料電池原理（電解質(zhì)傳遞質(zhì)子，或氧離子）

1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）主要特點(diǎn)是采用質(zhì)子交換膜來傳導(dǎo)氫離子，并且隔離燃料和空氣。膜必須能夠抵抗陰極處的還原環(huán)境以及陽極處的氧化環(huán)境。目前質(zhì)子交換膜主要采用的是聚合物材料，其工作時(shí)需要處于一定的水蒸汽環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的性能。PEMFC一般在常溫下工作，使用純氫氣作為燃料，需要使用貴金屬催化劑（主要是鉑Pt）以使得燃料在較低溫度下活化成為氫離子，這帶來兩個(gè)問題，一方面是催化劑成本高昂，目前研究主要是通過制備催化劑納米顆粒提高比表面積，或者開發(fā)新型鉑合金材料用于提高催化效率，減少鉑的使用量，降低成本；另一方面是極低的CO含量即可帶來顯著的催化活性降低，一般要求燃料中CO含量不超過百萬分之一，通過催化劑結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以在一定程度上減緩催化劑中毒的過程，但從原理上很難完全避免此過程，因此PEMFC只能使用純度要求非常高的氫氣源。

1.2 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池（SOFC）主要特點(diǎn)是采用固態(tài)導(dǎo)電陶瓷作為電解質(zhì)來傳導(dǎo)陰極產(chǎn)生的氧離子，常見的電解質(zhì)材料包括參雜的氧化鋯，參雜的氧化鈰等。其陽極常采用金屬-陶瓷復(fù)合電極材料，陰極可采用摻雜的LaMnO3和LaCoO3型鈣鈦礦系列材料。陽極-電解質(zhì)-陰極形成的分層結(jié)構(gòu)中，由于陶瓷材料和金屬材料同時(shí)存在，SOFC設(shè)計(jì)需要解決各層材料的熱膨脹匹配性問題，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。SOFC運(yùn)行溫度較高，一般550~850℃，目前有朝著低溫化發(fā)展的趨勢，它可以不使用鉑等貴金屬催化劑，因此也沒有催化劑中毒的問題，其燃料適應(yīng)性更強(qiáng)，可直接使用氫氣、一氧化碳、甲烷、甲醇等作為燃料?；谶@樣的特性，結(jié)合燃料重整技術(shù)，SOFC系統(tǒng)未來有望使用更復(fù)雜的碳?xì)浠衔铩⑷加偷茸鳛槿剂稀?/p>

1.3 燃料電池應(yīng)用特點(diǎn)

燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船舶動(dòng)力電力系統(tǒng)，可能有以下顯著優(yōu)勢：

1） 滿足日益嚴(yán)格的污染物排放要求。燃料電池運(yùn)行溫度相比內(nèi)燃機(jī)中燃料燃燒的溫度要低很多，煙氣中NOx污染物的含量極低，不需要加裝任何尾氣處理裝置即可滿足未來國際防止船舶污染公約IMO Tier III甚至更嚴(yán)格的污染物排放限制要求。因此也不需要安裝機(jī)組排氣脫硝系統(tǒng)，能夠節(jié)約大量的空間和重量資源。

2） 燃料電池運(yùn)行的安靜性。燃料電池自身不存在旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，輔助系統(tǒng)一般也不需要采用非常大功率的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，因此運(yùn)行振動(dòng)和噪聲水平很低。對(duì)于民船，這意味著不需要安裝占用較大上層甲板空間資源的排氣消音器等設(shè)備；對(duì)于軍用艦艇，則能夠大大提高其聲隱身性能，也有助于提高自身的反潛能力，正是因?yàn)槿绱?，燃料電池在潛艇的?yīng)用受到較多關(guān)注，例如已服役的德國212型潛艇就采用了9個(gè)34 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池裝置，用于低噪聲推進(jìn)。

3） 燃料電池裝置通過多電堆串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較大功率等級(jí)輸出，多電堆的空間布置靈活，可根據(jù)船舶特點(diǎn)設(shè)采用集中式或分布式布置方式，因此對(duì)于船型的適應(yīng)性較好，而不像柴油機(jī)等大功率機(jī)組設(shè)備外形尺寸不可更改，往往只能將機(jī)組集中布置在底層，導(dǎo)致進(jìn)排氣系統(tǒng)需要經(jīng)過較長的距離才能與大氣相通，增加了進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力，也會(huì)占用較大的上層建筑空間。

4） 燃料電池對(duì)于能源利用效率提升明顯。一方面是因?yàn)槿剂想姵丶夹g(shù)不受卡諾循環(huán)效率限制，本身效率可以遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)，可達(dá)60%~85%；另一方面是因?yàn)槠洳糠重?fù)荷性能優(yōu)異，全工況范圍內(nèi)效率均可保持在較高水平，甚至在低工況時(shí)運(yùn)行效率還相對(duì)更高，因此整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的能量利用率將顯著提高。后一特性還能使得船舶動(dòng)力電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為精簡，不需要考慮全工況和部分工況下的機(jī)組切換，以及大、小機(jī)組的功率匹配等問題。

5） 燃料電池裝置作為動(dòng)力源對(duì)船舶安全運(yùn)行的限制也較少。由于燃料電池的輸出與電力系統(tǒng)直接相連，無大慣性的旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，通過切斷燃料供應(yīng)即可快速切斷電力輸出，因此主動(dòng)力源的安全停機(jī)保護(hù)限制也減少。

2 燃料適用性

燃料適用性是決定燃料電池技術(shù)能否在船舶系統(tǒng)中較大規(guī)模、長期使用，以及其經(jīng)濟(jì)性和安全性的最主要因素。目前PEMFC還只能用純氫作燃料，燃料成本較高，作為大規(guī)模艦用能源的安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。氫氣的體積能量密度較低是影響其作為船用燃料適用性的主要因素之一。為了將氫氣體積能量密度提高到實(shí)際可接受的范圍，需要通過液化或者壓縮的方式儲(chǔ)存。氫氣沸點(diǎn)非常低，約為-253 ℃，相比氫氣本身儲(chǔ)存的化學(xué)能，將氫氣液化所需能量達(dá)到30%[6]。船舶如果專門配置低溫液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)，將帶來顯著的成本提高和并且占用較多空間資源，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)存艙和輸運(yùn)管路的絕熱條件要求很高，不可避免的局部傳熱導(dǎo)致液氫氣化使得系統(tǒng)內(nèi)壓力顯著升高，為安全起見需要考慮定期泄壓，這既是不經(jīng)濟(jì)的也是比較危險(xiǎn)的過程。壓縮儲(chǔ)氫方案可以參考目前車用氫能存儲(chǔ)方案：將氫氣壓縮至70 MPa儲(chǔ)存，這一壓力適合家用轎車空間滿足6 kg左右的氫氣裝載需求，提供約120 kWh的電力輸出。對(duì)于船用需求，需要實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模氫氣存儲(chǔ)，70 MPa高壓存在較大安全性風(fēng)險(xiǎn)，并且需要采用大量碳纖維包覆的壓力罐。

目前也有研究有機(jī)溶液儲(chǔ)氫和金屬合金儲(chǔ)氫等技術(shù)[7,8]。有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫是能夠?qū)崿F(xiàn)較大規(guī)模存儲(chǔ)、運(yùn)輸和安全使用氫能的方式之一，目前研究的常用溶劑的理論儲(chǔ)氫量在3~7.5%范圍。即使按照最高儲(chǔ)氫量計(jì)算，攜帶相同能量的燃料，有機(jī)溶劑儲(chǔ)氫相比常規(guī)燃油也至少需要占用3倍以上的存儲(chǔ)空間。金屬合金儲(chǔ)氫技術(shù)理論儲(chǔ)氫量可達(dá)18%，主要用于儲(chǔ)氫穩(wěn)定性要求更高的場合，考慮其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟度，現(xiàn)階段還不適宜作為大規(guī)模艦用能源存儲(chǔ)方式。壓縮氫氣與LNG、常規(guī)船用柴油的體積能量密度比較如圖2所示。可以看出，船舶直接攜帶氫燃料將占用數(shù)倍于現(xiàn)有燃油艙的體積，而考慮安全性要求，氫燃料也不適宜直接存儲(chǔ)于船體底艙，這將給船舶的燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來較大困難。

圖2 幾種常用燃料能量密度比較

根據(jù)上述分析可以看出，船舶系統(tǒng)中使用燃料電池時(shí)不適宜直接采用氫氣作為燃料。結(jié)合不同類型燃料電池的特點(diǎn)可以有兩種解決思路：一是采用燃料重整技術(shù)（參見圖3），將常規(guī)液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為H2和CO等氣體后使用；二是采用SOFC等可以直接使用常規(guī)化石燃料的技術(shù)。對(duì)于前一種方案，PEMFC只能使用重整產(chǎn)物中的H2，CO等，一部分其他氣體燃料被浪費(fèi)，導(dǎo)致整體能量效率較低。對(duì)于后者，SOFC有可能采用甲醇、丙烷等液體燃料氣化后直接使用[9,10]。SOFC使用柴油等更復(fù)雜的化石燃料時(shí)，也需要通過燃料重整這種方案能夠較好的適應(yīng)船用能源儲(chǔ)存要求。研究表明，采用柴油作為燃料的船用PEMFC系統(tǒng)相比SOFC系統(tǒng)，整體能量利用效率低15%~20%。

需要注意到的是，常規(guī)液態(tài)化石燃料的使用中需要克服電極積碳問題，這種現(xiàn)象在使用高碳烷烴、烯烴類燃料時(shí)較顯著，因此采用低碳醇、烷烴類直接作為燃料更適合用于SOFC技術(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，直接使用甲醇、乙醇等燃料的SOFC可以獲得穩(wěn)定的輸出，并且不會(huì)有明顯的積碳問題；同時(shí)，通過燃料加濕處理，使用添加金屬元素（例如銅、鈷等）或者金屬氧化物的電池陽極也能有效提升抗積碳性能。

表2 不同動(dòng)力裝置能源轉(zhuǎn)換效率比較

圖3 用于燃料電池的燃料重整技術(shù)[11]

此外，將前述兩種方案結(jié)合，使用常規(guī)燃油進(jìn)行在線燃料重整，將H2、CO等產(chǎn)物作為SOFC的燃料，也能夠較好地滿足船舶應(yīng)用的燃料適用性要求。如圖3所示為一個(gè)典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖，燃料在進(jìn)入SOFC裝置前通過預(yù)熱到合適的溫度，在重整器中進(jìn)行燃料轉(zhuǎn)化。這種方案用于船舶系統(tǒng)，需要解決的是燃料重整與SOFC過程的匹配控制與實(shí)時(shí)調(diào)整等技術(shù)問題，以提高全工況運(yùn)行范圍內(nèi)燃料利用率。燃料重整技術(shù)包括催化氧化重整、自熱重整、水蒸氣重整，其中水蒸氣重整技術(shù)要求溫度較低，技術(shù)相對(duì)成熟。而在上述直接碳?xì)淙剂蟂OFC發(fā)電技術(shù)中，實(shí)際是將燃料重整過程與H2、CO發(fā)電過程集成到SOFC內(nèi)部結(jié)構(gòu)中同時(shí)完成，主要采用催化氧化重整和自熱重整技術(shù)。如果采用水蒸氣重整，則需要發(fā)展低溫SOFC才能實(shí)現(xiàn)直接在SOFC內(nèi)部電極材料催化作用下實(shí)現(xiàn)重整。

3 電力推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性

燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步提升能源經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢?？紤]燃料電池技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展水平和船舶電力推進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，有以下三個(gè)方面問題值得探討。

3.1 功率等級(jí)

目前商業(yè)應(yīng)用的燃料電池發(fā)電站系統(tǒng)，功率可達(dá)兆瓦級(jí)，但是用于汽車、船舶等行業(yè)作為動(dòng)力源，已見報(bào)道的功率一般不超過300 kW，并且多為示范性應(yīng)用研究項(xiàng)目。例如，德國Nemo H2項(xiàng)目，測試了采用60 kW的燃料電池發(fā)電裝置在小型客船動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用；RiverCell研究項(xiàng)目，在內(nèi)河巡邏船的混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用了250 kW的甲醇燃料電池裝置。

總體來看，目前燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在船舶動(dòng)力中應(yīng)用的功率等級(jí)還較小，一方面是燃料電池生產(chǎn)的技術(shù)成熟度和商業(yè)化程度不高，導(dǎo)致其應(yīng)用成本過高，另一方面是船用環(huán)境對(duì)燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求，燃料電池單體發(fā)電功率較低，大功率發(fā)電系統(tǒng)需要串并聯(lián)大量的電池單元達(dá)到輸出電壓和功率需求，各電池單元的一致性問題還需要開發(fā)先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于船用動(dòng)力源裝置，系統(tǒng)功率達(dá)到1 MW級(jí)時(shí)，才有可能被更廣泛的用于替代柴油發(fā)電機(jī)等裝置。因此近期燃料電池系統(tǒng)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，更有可能是采用燃料電池作為常規(guī)主動(dòng)力裝置的補(bǔ)充，用于部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)航行，或作為備用動(dòng)力源。例如，船舶靠離碼頭、錨泊作業(yè)時(shí)，功率遠(yuǎn)低于正常航行，此時(shí)可采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)滿足使用需求。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)形式

燃料電池作為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量發(fā)生裝置，需要考慮其工況調(diào)節(jié)過程與船舶航行機(jī)動(dòng)性的匹配性。特別是對(duì)于SOFC系統(tǒng)，其變工況調(diào)節(jié)過程特征時(shí)間大于10秒，實(shí)際應(yīng)用中還需要受到安全控制系統(tǒng)和熱平衡管理系統(tǒng)的制約，較大范圍工況調(diào)節(jié)時(shí)間往往需要數(shù)分鐘，對(duì)于啟動(dòng)過程，還要求堆電池堆預(yù)熱到較高溫度，其要求時(shí)間更長，一般需要10分鐘以上。而作為對(duì)比，目前柴油發(fā)電機(jī)組的工況調(diào)節(jié)只需要數(shù)秒即可完成。為了克服這一問題，需要考慮將燃料電池系統(tǒng)與其他動(dòng)力源裝置結(jié)合使用。

第一種是采用柴電-燃料電池混合電力推進(jìn)，在機(jī)動(dòng)性航行需求較高時(shí)主要采用柴油機(jī)進(jìn)行工況調(diào)節(jié)。這種混合電力推進(jìn)形式，相比于柴電-儲(chǔ)能電池推進(jìn)系統(tǒng)，既可以根據(jù)負(fù)荷大小選擇供電模式，又可以提高穩(wěn)定航行工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性；相比于純電動(dòng)船，它的初期投入成本更低，且續(xù)航能力更強(qiáng)。

第二種方式是采用SOFC系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合[12,13]，如圖5所示，燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)工作，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出來的壓縮空氣，經(jīng)過燃料電池尾氣余熱利用換熱器后進(jìn)入燃料電池陰極反應(yīng)，尾氣補(bǔ)燃后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)透平做功。在調(diào)節(jié)工況時(shí)，主要通過調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)，而進(jìn)入SOFC裝置的空氣和燃料流量可以通過控制系統(tǒng)較緩慢的調(diào)節(jié)到最優(yōu)匹配工況運(yùn)行。

第三種應(yīng)用方式是在綜合電力系統(tǒng)中采用燃料電池發(fā)電技術(shù)。通過綜合電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)動(dòng)力源裝置結(jié)合，能夠更好地發(fā)揮各自優(yōu)勢，在滿足不同工況下運(yùn)行需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)綜合能量利用效率和提升。新一代綜合電力系統(tǒng)，采用中壓直流母線供電技術(shù)，也便于燃料電池裝置產(chǎn)生的直流電通過變流器后直接接入電網(wǎng)。燃料電池系統(tǒng)接入直流電網(wǎng)需要提高電池堆-電網(wǎng)的直接反饋控制技術(shù)。由于燃料電池裝置相比柴油機(jī)等常規(guī)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置，不存在機(jī)械傳動(dòng)和離合控制裝置，因此其輸出電壓、電流特性是與電網(wǎng)直接耦合控制的。一般而言，燃料電池發(fā)電裝置通過控制功率輸出，但由于輸出電流和電壓是耦合同步變化的，因此調(diào)節(jié)功率過程中也需要考慮并入電網(wǎng)電壓的輸出調(diào)節(jié)。

圖4 一個(gè)典型SOFC發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖

圖5 一個(gè)典型SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

3.3 控制和管理技術(shù)

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的控制和管理即使為了實(shí)現(xiàn)最佳效率輸出，也是其安全運(yùn)行所必須重視的研究內(nèi)容。如圖4所示，燃料電池發(fā)電控制系統(tǒng)對(duì)水、氣、熱、電等多個(gè)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控與調(diào)節(jié)，需要同時(shí)考慮多個(gè)變量和多個(gè)約束條件[14,15]。燃料電池運(yùn)行的最優(yōu)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)和聯(lián)控曲線較為復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特點(diǎn)和運(yùn)行需求設(shè)計(jì)多變量控制技術(shù)。在工況切換過程中，運(yùn)行工況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)往往難以同時(shí)滿足最優(yōu)工況和安全性約束要求，可能需要先偏移最優(yōu)工作點(diǎn)，然后再通過多變量協(xié)同控制向最優(yōu)工況點(diǎn)靠近，具體調(diào)節(jié)過程需要根據(jù)燃料電池實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和安全性優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

燃料電池的成組管理技術(shù)是其大規(guī)模應(yīng)用所必須考慮的問題。燃料電池技術(shù)共同的特點(diǎn)是單體電壓較低，PEMFC小于1 V，SOFC一般也在1 V左右，因此需要把成千上萬個(gè)單體燃料電池來形成足夠大的功率和電壓。這要求每個(gè)單體都有較高一致的阻抗特性和電化學(xué)特性，運(yùn)行過程中單個(gè)電池的失效或異常如果控制不當(dāng)，可能引起連鎖反應(yīng)，危及整個(gè)系統(tǒng)安全。

為了維持各燃料電池單體都具有較優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，熱管理技術(shù)也是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)良好的熱平衡特性，需要通過鼓風(fēng)機(jī)來的進(jìn)入預(yù)熱器空氣和旁通空氣相對(duì)比例控制電堆入口溫度同時(shí)反應(yīng)氣流速度也需要協(xié)同進(jìn)行控制，因?yàn)榉磻?yīng)物在電堆內(nèi)重整或電化學(xué)反應(yīng)過程中一般都伴隨著較明顯的吸熱或放熱過程，反應(yīng)氣流速度變化可能使得局部溫度過高或者過低，形成較大的溫度梯度，對(duì)電池的運(yùn)行壽命及安全性不利。

4 結(jié)論

燃料電池技術(shù)由于其高效、安靜、清潔等方面的優(yōu)勢，受到船舶動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域越來越多的關(guān)注和研究。本文對(duì)比了兩種目前研究較多的燃料電池技術(shù)特點(diǎn)，從燃料適應(yīng)性方面來考慮，其中SOFC在大規(guī)模船用發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方面具有一定優(yōu)勢。從燃料電池系統(tǒng)的功率等級(jí)和機(jī)動(dòng)性等方面的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來分析，提出了三種燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的方式，包括柴電-燃料電池混合電力推進(jìn)、燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)，以及接入綜合電力系統(tǒng)應(yīng)用。針對(duì)不同噸位和用途的船舶，可以采用不同的電力推進(jìn)系統(tǒng)形式。此外，在船舶修理或加改裝過程中，為了滿足電力推進(jìn)功率擴(kuò)容的要求，也可以考慮采用燃料電池技術(shù)，由于其模塊化的特點(diǎn)，可以不受機(jī)艙或電站的限制，容易實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)靈活布置。

雖然目前燃料電池動(dòng)力裝置功率密度、經(jīng)濟(jì)性還無法與內(nèi)燃機(jī)竟?fàn)?，但是隨著技術(shù)的快速發(fā)展以及減少污染物排放的要求，其大規(guī)模應(yīng)用還是非常有潛力的。尤其是考慮到當(dāng)前PEMFC在汽車領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用前景可期，SOFC也進(jìn)入了商業(yè)化發(fā)展的快車道，美、日、中等國都有大量企業(yè)積極開展相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究的情況下，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用燃料電池技術(shù)也將具備較好的基礎(chǔ)。在解決燃料適用性、系統(tǒng)運(yùn)行控制和管理技術(shù)等技術(shù)問題后，船舶燃料電池技術(shù)的應(yīng)用也將進(jìn)一步發(fā)展。

[1] “彩虹魚”號(hào)科考船電力推進(jìn)系統(tǒng), http://www.csic-cse.com/index.php/Index/news_show/aid/322.html.

[2] Hurtigruten訂造合動(dòng)力探險(xiǎn)郵船, http://www.eworldship.com/html/2018/NewOrder_1102/144305.html.

[3] 羅啟芳. 目前燃料電池的技術(shù)水平、發(fā)展趨勢和用于艦船電力推進(jìn)的可能性[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 1980, 10:24-36.

[4] 王秋虹, 鄭克文. 燃料電池在船舶上的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2001, 31(02): 54-59.

[5] 王雅, 王傲. 中高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 船電技術(shù) 2018, 07: 1-5.

[6] Darren P. Broom. Hydrogen storage materials[M], London: Springer-Verlag, 2011.

[7] 周鵬, 劉啟斌等. 化學(xué)儲(chǔ)氫研究進(jìn)展[J]. 2014, 33(8): 2004-2011.

[8] 張媛媛, 趙靜等. 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展[J]. 2016, 35(9): 2869-2874.

[9] 張亞鵬. 直接高效使用丙烷燃料的固體氧化物燃料電池[D]. 華南理工大學(xué), 2018.

[10] Ezgi C., Coban M . T.. Design and Thermodynamic Analysis of an SOFC System for Naval Surface Ship Application[J]. Journal of Fuel Cell Science and Technology. 2013, 10: 031006.

[11] Biert L., Godjevac M., Visser K., et al. A review of fuel cell systems for maritime applications[J]. Journal of Power Sources 327, 2016: 345-364.

[12] He J. , Zhou P., Clelland D.. The development ofcontrol strategy for solid oxide fuel cell and microgas turbine hybrid power system in ship application[J]. Journal of Marine Science and Technology,2014, 19(4): 462–469.

[13] 朱潤凱, 梁前超等. 固體氧化物燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電建模仿真研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(4): 95-99.

[14] 蔣建華. 平板式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模與控制[D]. 華中科技大學(xué), 2013.

[15] Wu G., Lee K. Y., Yang W. Modeling and controlof power conditioning system for grid-connected fuel Cell power plant[J]. Power and Energy Society General Meeting (PES), IEEE, 2013: 1-5.

Analysis of Fuel Cell Technology Application in Marine Electric Propulsion System

Liu Ziyang1, Weng Fanglong2, Li Yusheng1, Tang Tao2, Liu Zhongxiang2

（1 The First Military Deputy Office of Plan Equipment Department in Dalian, Dalian 116000, China; 2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

TM911.4

A

1003-4862（2019）11-0006-06

2019-05-21

劉子楊（1989-），男，助理工程師。研究方向：船舶動(dòng)力工程。E-mail: 263069768@qq.com