船用燃料電池動力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用研究

康嘉倫 李 欣 王 怡 周 熲 莊士超

上海外高橋造船有限公司

0 引言

船運(yùn)行業(yè)作為經(jīng)濟(jì)全球化的主要載體，在世界范圍內(nèi)為經(jīng)濟(jì)貿(mào)易做出巨大貢獻(xiàn)。伴隨著全球石油資源的耗盡，以及環(huán)境污染、溫室效應(yīng)和能源短缺所帶來的巨大壓力，國際海事組織（International Maritime Organization,IMO）國際防止船舶造成污染公約（MARPOL 公約）對污染排放規(guī)則提出了更高的要求[1]。船舶航行主要依靠船用柴油機(jī)提供動力，存在如下主要問題：燃料能量轉(zhuǎn)換效率低，柴油機(jī)運(yùn)行振動噪音大，燃料燃燒排放污染物，化石能源儲量有限瀕臨耗竭等，加劇了資源的枯竭以及生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，研究清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為綠色船舶的重要發(fā)展方向[2,3]。

船舶電力推進(jìn)技術(shù)是當(dāng)前綠色船舶發(fā)展的重要方向之一，在民用船和軍工領(lǐng)域均受到廣泛關(guān)注。電力推進(jìn)技術(shù)的研究和推廣使船舶能夠滿足日益嚴(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。隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟并在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，將燃料電池技術(shù)運(yùn)用于船舶動力系統(tǒng)受到了船運(yùn)行業(yè)的關(guān)注。借助于綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，燃料電池技術(shù)將充分發(fā)揮其獨(dú)有優(yōu)勢，成為未來船用新型動力源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[4]。燃料電池技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢：1）發(fā)電效率高。燃料電池把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電過程不受卡諾循環(huán)的限制，它的理論發(fā)電效率可達(dá)到85%～90%，實際能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。2）綠色環(huán)保，近似零污染。燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，其CO2的排放量較內(nèi)燃機(jī)燃燒過程將減少40%以上，且由于沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，對緩解地球溫室效應(yīng)，減輕大氣污染十分重要。3）燃料多樣化，運(yùn)用范圍廣。只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料。例如，天然氣、氫氣、酒精、甲醇等，符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭，優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)。4）振動噪聲小。燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動部件少，工作時噪聲低，其在船舶上的應(yīng)用，電池本體無噪聲，噪聲僅來源于各種輔機(jī)。

本文介紹最具應(yīng)用前景的兩種燃料電池技術(shù)，并全面回顧和總結(jié)燃料電池在船舶領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，重點分析船用燃料電池電力推進(jìn)的幾種供電模式，基于大型遠(yuǎn)洋船舶的特點需求，探討燃料電池運(yùn)用的可行性。

1 船用燃料電池系統(tǒng)

1.1 燃料電池技術(shù)

燃料電池是運(yùn)用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的裝置，其不受卡諾循環(huán)的約束，可以將燃料的化學(xué)能不經(jīng)過熱功轉(zhuǎn)換過程直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池系統(tǒng)主要由陽極、陰極、離子交換膜以及外接電路等構(gòu)成，見圖1。燃料與空氣（或氧氣）分別供應(yīng)至電池陽極和陰極，在不直接混合的條件下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[5]。燃料電池系統(tǒng)按照電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池優(yōu)勢明顯，目前已進(jìn)入工程應(yīng)用推廣階段，技術(shù)開發(fā)也較為成熟，具有進(jìn)一步大規(guī)模商業(yè)化的潛力，被普遍認(rèn)為在未來得到廣泛普及應(yīng)用的兩種燃料電池[6]。

圖1 燃料電池原理圖

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）一般采用氫氣作為燃料，其主要特點是采用質(zhì)子交換膜來傳導(dǎo)氫離子。氫氣和氧氣（或空氣）通過雙極板上的氣體流道分別輸送至電池陽極和陰極，通過膜電極上的氣體擴(kuò)散層（GDL）到達(dá)催化層。在陽極側(cè)，氫氣在陽極催化劑表面上解離為水合質(zhì)子和電子，前者通過質(zhì)子交換膜上的磺酸基傳遞到達(dá)陰極，而電子則通過外電路流過負(fù)載到達(dá)陰極，在陰極催化劑表面，氧分子結(jié)合從陽極傳遞過來的水合質(zhì)子和電子，生成水分子，并放出大量的熱[5,6]，過量的反應(yīng)物（氫氣和氧氣）通過氣體流道回流至儲氣罐，生成物水蒸氣則通過陰極側(cè)流道收集并排泄至電池系統(tǒng)外。該反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)式如式（1）～式（3）所示[7]。

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

固體氧化物燃料電池屬于高溫燃料電池，運(yùn)行溫度為550～850 ℃，其主要特點是采用固態(tài)導(dǎo)電陶瓷作為電解質(zhì)用于傳導(dǎo)陰極產(chǎn)生的氧離子。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，燃料氣體和氧氣（或空氣）通過雙極板上的氣體流道分別輸送至電池陽極和陰極，通過膜電極上的氣體擴(kuò)散層（GDL）到達(dá)催化層。在陽極側(cè)，具有催化作用的催化劑層表面吸附燃料氣體。在陰極側(cè)，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，并擴(kuò)散到達(dá)陽極的催化劑層表面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，生成水分子并放出大量的熱，失去的電子通過外電路回到陰極。過量的反應(yīng)物（氫氣和氧氣）通過氣體流道回流至儲氣罐，生成物水蒸氣則通過陽極側(cè)流道收集并排泄至電池系統(tǒng)外。以氫氣作為燃料為例，反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)式如式（4）～式（6）所示[8]。

1.2 研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

目前，燃料電池技術(shù)主要被應(yīng)用在汽車行業(yè)、無人機(jī)領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域以及船舶行業(yè)。其中，燃料電池在大客車和小型汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已具有良好的基礎(chǔ)，我國在大型客車的研發(fā)和生產(chǎn)處于領(lǐng)先地位。以上海大通為代表的多家國內(nèi)企業(yè)掌握了燃料電池大型客車集成技術(shù)，并可以進(jìn)行自主生產(chǎn)，但燃料電池系統(tǒng)的核心部件仍然依賴進(jìn)口，國家和各地方政府也紛紛出臺燃料電池汽車的相關(guān)政策，進(jìn)一步加速了車用燃料電池的運(yùn)用發(fā)展。燃料電池在小型汽車最為典型的工程化應(yīng)用是日本豐田公司推出的Mirai 系列汽車及韓國現(xiàn)代公司推出的Tucson FCEV 系列汽車，已進(jìn)入市場商業(yè)化階段。燃料電池在無人機(jī)領(lǐng)域和航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用相較于汽車領(lǐng)域，示范工程較少，主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家。近年來，國內(nèi)也在無人機(jī)運(yùn)用燃料電池上取得較大進(jìn)展和突破。

歐美和日韓等國家和地區(qū)在船用燃料電池的研發(fā)和設(shè)計上起步較早，目前在工程化的應(yīng)用和推廣處于領(lǐng)先地位，已有較多船用燃料電池動力推進(jìn)裝置的應(yīng)用和示范工程。最初，德國將燃料電池應(yīng)用于潛艇領(lǐng)域，由霍瓦茲造船公司（HDW）研制建造了世界上第一艘裝備氫氧燃料電池的212A 型AIP潛艇，該潛艇使用柴電及燃料電池混合動力，兩種動力系統(tǒng)既可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用。燃料電池動力系統(tǒng)用于水下長時間巡航，柴電動力系統(tǒng)用于潛艇作戰(zhàn)時高速航行[9]。在此基礎(chǔ)上，德國與意大利聯(lián)合進(jìn)一步改良了燃料電池潛艇的制造，研制了使用2 套燃料電池，每套功率120 kW 的新型潛艇，可以4.5節(jié)的速度潛航1250海里，航行15-17天，至今仍在多國海軍中服役。除潛艇以外，燃料電池在其他軍工領(lǐng)域也不斷進(jìn)行應(yīng)用嘗試，美國和英國計劃在諸如驅(qū)逐艦和小型護(hù)衛(wèi)艦等海軍戰(zhàn)艦領(lǐng)域，開展將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船用電網(wǎng)和輔助推進(jìn)系統(tǒng)的研究[10]。

隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，燃料電池在商船和客船上的應(yīng)用日益得到重視，燃料電池作為船舶輔助動力的前景被十分看好。燃料電池技術(shù)在民船領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在歐洲，2008 年，德國Zemships 項目推出的48 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池客船Alsterwasser 正式在阿爾斯特河上營運(yùn)，是世界上第一艘投入運(yùn)營的燃料電池電力推進(jìn)客船[11]。由挪威資助的“Fellow Ship”燃料電池船用系統(tǒng)示范項目在2009 年推出了裝備320 kW 燃料電池動力系統(tǒng)的海洋工程供應(yīng)船“Viking Lady”號，該船由歐洲幾大船級社與企業(yè)（DNV、挪威航運(yùn)集團(tuán)、瓦錫蘭、VIK SANDVIK、MTU）合作研制，是全球第一艘通過燃料電池技術(shù)進(jìn)行船上發(fā)電的營運(yùn)船舶[12]。2017 年9月，維京郵輪（Viking）公司在挪威宣布將建造一艘使用氫燃料電池為動力的郵輪。該郵輪設(shè)計長度為230 m，以液氫為燃料，由船上的氫燃料電池產(chǎn)生電能，用于船舶驅(qū)動和船上其他用電，這艘郵輪將可能成為世界上第一艘零排放的氫燃料電池郵輪。2017 年由法國研制的Energy Observer（能源觀察者號）正式下水并開始環(huán)球航行。該船舶的燃料電池使用氫燃料，氫氣的來源由一套太陽能和風(fēng)能電解水裝置制得，并通過儲存罐體存儲，氫燃料電池系統(tǒng)在陰天、夜間以及長途航行的起步階段啟動為船只航行提供動力，是世界上第一艘可以自產(chǎn)制氫的船舶。加拿大Ballard 公司于2018年宣布將開展用于海運(yùn)船舶動力系統(tǒng)的兆瓦（MW）級質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)用重點是游輪方向，計劃當(dāng)游輪?？扛劭跁r為其提供電力，或在海上運(yùn)行時提供主要推進(jìn)動力[13]。德國西門子集團(tuán)于2018年提出將燃料電池系統(tǒng)裝配在渡船及其他海上船舶的計劃，未來將裝配在海上觀光船及海洋考察船。此外，西門子集團(tuán)目前正在研究采用多種燃料的混合多燃料動力系統(tǒng)、電動系統(tǒng)和液化天然氣動力系統(tǒng)。近年來，挪威海運(yùn)公司Norled提出將建造全球首艘氫電動渡輪，該渡輪主要動力由氫氣提供，將于2021 年在羅加蘭郡Hjelmeland-Skipavik-Nesvik 之 間 的 國 道13 線 路投入運(yùn)營。這條大容量渡輪可容納299名乘客，80輛汽車，在船用燃料電池領(lǐng)域具有劃時代的意義。

新世紀(jì)以來，日本也開始進(jìn)行燃料電池技術(shù)船用領(lǐng)域的研究，相較于車用燃料電池技術(shù)，其在船用領(lǐng)域起步較晚，但得益于日本燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，因此發(fā)展較快[14]。2015 年初，在日本政府大力支持下，日本戶田建設(shè)與雅馬哈發(fā)動機(jī)聯(lián)手開發(fā)氫燃料電池船舶，年底便在漁船上實現(xiàn)了實船試航，其最高速度可達(dá)37 km/h，每次加氫可運(yùn)行2 h左右。另外，三菱重工、Flatfield等企業(yè)對燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也有著持續(xù)的研究。日本在深海科學(xué)考察巡航船舶上的應(yīng)用取得重大進(jìn)展，由其研制的世界第一艘采用氫氧燃料電池動力的深?？茖W(xué)考察巡航器已經(jīng)試航。韓國自2010 年以來，加大了對船用燃料電池技術(shù)的研究和政府資金支持。韓國政府制定了船用燃料電池的長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，韓國的大型船廠與企業(yè)（如：大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船聯(lián)合韓國船級社（KR））都參與了政府牽頭的船用燃料電池研發(fā)項目或自主研發(fā)[15,16]，其主要定位是研發(fā)建造液化天然氣（LNG）燃料推進(jìn)船，沿近海政府公務(wù)船，以及沿近海商用客船和客貨滾裝船。

基于對國內(nèi)外已有船用燃料電池示范工程項目的分析和總結(jié)，燃料電池技術(shù)在以下船舶類型領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景：

1）LNG船

LNG運(yùn)輸船裝載液化天然氣，在航行中船舶受到光照和晃蕩，液態(tài)天然氣會發(fā)生自動氣化，一般采用安全閥釋放或再液化的方法。采用安全閥釋放意味著天然氣被浪費(fèi)且對大氣造成污染，氣相再液化則需要消耗電力。開發(fā)燃料電池LNG運(yùn)輸船，燃料電池技術(shù)正好能以氣化的天然氣作為燃料，為船舶提供驅(qū)動電能，實現(xiàn)了因地制宜、經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

2）游艇及小型客船

燃料電池推進(jìn)技術(shù)可作為推進(jìn)動力和輔助動力裝置，應(yīng)用于內(nèi)河、內(nèi)湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對節(jié)能減排、綠色環(huán)保和提升船舶舒適度的需求。此外，游艇及小型客船在行進(jìn)或進(jìn)、出港時，低負(fù)荷運(yùn)行，且負(fù)載變化很大，需要主機(jī)有良好的負(fù)荷特性，而燃料電池具有這樣的優(yōu)勢和特點。目前的燃料電池負(fù)載變化范圍為10%～25%，負(fù)載變化速率為每MW級25%/min。

3）科學(xué)考察船

燃料電池電力推進(jìn)船具有噪聲低、振動少的優(yōu)點，對精密測量儀器的壽命及測量數(shù)據(jù)的精確度都有極大的益處，還能夠創(chuàng)造非常舒適的研究和生活的航行條件，因此燃料電池可作為推進(jìn)動力和輔助動力裝置應(yīng)用于科考船，滿足該類型船舶對噪聲振動及廢氣排放的需求。

2 船用燃料電池電力推進(jìn)模式

船舶的電力推進(jìn)按照裝置功能分為獨(dú)立電力推進(jìn)裝置、聯(lián)合電力推進(jìn)裝置、輔助電力推進(jìn)裝置、特殊電力推進(jìn)裝置和主動舵電力推進(jìn)裝置，其中獨(dú)立電力推進(jìn)裝置是最常用的電力推進(jìn)方式，螺旋槳由推進(jìn)電動機(jī)帶動。船舶在海洋中往往是變工況航行，燃料電池在輸出變化的控制要求下反應(yīng)速度較慢，無法滿足電動機(jī)的瞬態(tài)能量需求，容易出現(xiàn)燃料電池供電不足的問題。為了提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，燃料電池系統(tǒng)一般配備蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行配合。當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率在滿足船舶運(yùn)行工況功率需求時，能夠單獨(dú)給電動機(jī)供電；燃料電池達(dá)到額定的輸出功率區(qū)域，若此時輸出功率大于運(yùn)行工況的需求，主發(fā)電機(jī)除供電給推進(jìn)電動機(jī)外，可根據(jù)需求把一部分電能供給船舶電網(wǎng)，可利用蓄電池組儲備其發(fā)出的多余電力；當(dāng)燃料電池發(fā)電量無法滿足運(yùn)行工況需求時，可切換為與鋰電池組聯(lián)合對推進(jìn)電機(jī)供電?；趯Υ斑\(yùn)行時不同工況的分析，總結(jié)得出船用燃料電池電力推進(jìn)的6種模式[13,16]。

1）燃料電池單獨(dú)驅(qū)動模式

當(dāng)船舶航行工況所需功率和能量較小時，燃料電池的產(chǎn)電功率和輸出能量能夠滿足航行工況所需功率和能量，一般采用燃料電池單獨(dú)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由于燃料電池產(chǎn)生的是直流電，船舶電壓平臺的電壓一般為48 V，需對燃料電池系統(tǒng)發(fā)出的直流電進(jìn)行DC-DC 變換，通過變換后輸入電機(jī)，使電機(jī)驅(qū)動螺旋槳工作（見圖1）。

圖1 燃料電池單獨(dú)驅(qū)動模式

2）燃料電池驅(qū)動并向蓄電池充電模式

當(dāng)船舶航行工況所需功率和能量較小時，燃料電池的產(chǎn)電功率和輸出能量遠(yuǎn)大于船舶的功率和能量需求，且蓄電池的儲電量不足時，氫燃料電池單獨(dú)向發(fā)動機(jī)供電的同時，可根據(jù)需求把一部分電能供給船舶電網(wǎng)，還可以分流電能為蓄電池充電，將燃料電池輸出的多余電量儲存在蓄電池中，以備燃料電池和蓄電池聯(lián)合驅(qū)動模式下或蓄電池單獨(dú)驅(qū)動模式下使用。燃料電池產(chǎn)生的直流電通過雙向DC/DC 交換器的變換，被輸送至蓄電池系統(tǒng)中，見圖2。

3）燃料電池與蓄電池雙驅(qū)動模式

當(dāng)船舶航行工況所需功率和能量較大時，燃料電池的產(chǎn)電功率和輸出能量遠(yuǎn)不能滿足船舶航行工況所需功率和能量，燃料電池需配合蓄電池對電機(jī)進(jìn)行聯(lián)合供電，以滿足船舶航行的需要。另一方面，船舶在海洋中通常是變工況航行，為避免出現(xiàn)燃料電池供電不足的問題，一般需要配備鋰電池等電能存儲裝置。燃料電池在輸出變化的控制要求下反應(yīng)速度較慢，無法滿足電動機(jī)的瞬態(tài)能量需求，因此在燃料電池輸出電能的同時需要控制蓄電池系統(tǒng)共同向電動機(jī)供電以滿足船舶航行功率和能量需求。對蓄電池系統(tǒng)發(fā)出電能進(jìn)行DC-DC 變換，通過變換后輸入電機(jī)，使電機(jī)驅(qū)動螺旋槳工作（見圖3）。

圖2 燃料電池驅(qū)動并向蓄電池充電模式

圖3 燃料電池與蓄電池雙驅(qū)動模式

4）燃料電池、蓄電池與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電聯(lián)合驅(qū)動模式

雖然燃料電池技術(shù)日益成熟，但目前的燃料電池還存在較多技術(shù)性能上的制約，如動態(tài)響應(yīng)速度慢，單電池輸出功率較小等，燃料電池的技術(shù)水平仍需提高。因此根據(jù)船舶的需求，可以在船舶動力系統(tǒng)中選擇性配備內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機(jī)的聯(lián)合驅(qū)動。當(dāng)船舶航行工況所需功率和能量較大時，燃料電池和蓄電池雙聯(lián)供電功率和輸出能量也不能滿足船舶航行工況所需的功率和能量，可采用內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，通過配電控制系統(tǒng)對燃料電池、蓄電池與內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)電進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，實現(xiàn)聯(lián)合供電，以滿足船舶航行的需要（見圖4）。

圖4 燃料電池、蓄電池與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電聯(lián)合驅(qū)動模式

5）蓄電池充電模式

在船舶靠岸裝卸貨物的電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，船舶航行所需功率和能量近乎為零，燃料電池系統(tǒng)不需要為電機(jī)提供電能輸入，如蓄電池的儲電量不足或未達(dá)飽和狀態(tài)時，燃料電池可切換至直接向蓄電池單獨(dú)充電模式，以備蓄電池聯(lián)合驅(qū)動模式下或蓄電池單獨(dú)驅(qū)動模式下使用。燃料電池產(chǎn)生的直流電通過雙向DC/DC交換器的變換，被輸送至蓄電池系統(tǒng)中（見圖5）。

圖5 蓄電池充電模式

6）蓄電池單獨(dú)驅(qū)動模式

在船舶航行工況所需功率和能量極小，或者在燃料電池系統(tǒng)燃料儲量不足，抑或是燃料電池系統(tǒng)需要檢修的情況下，蓄電池作為單獨(dú)的驅(qū)動源供電給電機(jī)，由蓄電池系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)過雙向DC/DC交換器輸入至電機(jī)，從而驅(qū)動螺旋槳做功，此模式下燃料電池系統(tǒng)不工作（見圖6）。

圖6 蓄電池單獨(dú)驅(qū)動模式

3 遠(yuǎn)洋船舶應(yīng)用可行性

大中型遠(yuǎn)洋船舶是國際航運(yùn)行業(yè)的中堅力量，是連接全球進(jìn)出口的主要媒介，由于其自身的特點，相較于內(nèi)河近海的小型船舶，其對燃料電池系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。目前，燃料電池的應(yīng)用定位主要是作為內(nèi)河和近海的客船和小型貨船，艦船產(chǎn)品，LNG運(yùn)輸船及科學(xué)考察船的推進(jìn)動力或輔助動力系統(tǒng)，國內(nèi)外還未有燃料電池應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶的示范項目和實例。

大型遠(yuǎn)洋船作為商用船舶，建造和運(yùn)維成本是其商業(yè)化推廣中重點考慮的因素。目前燃料電池電堆的建造成本很高，一方面歸因于昂貴的稀有金屬催化劑成本，另一方面是由于目前的燃料電池技術(shù)水平有限，許多關(guān)鍵性技術(shù)還未突破，功率密度、能量密度、運(yùn)行電流密度等方面的問題導(dǎo)致目前的燃料電池電堆必須依靠增大電堆體積來達(dá)到指標(biāo)參數(shù)的商業(yè)化應(yīng)用要求，由此導(dǎo)致建造耗材成本增加；電堆體積大使原本就寶貴的船艙空間，變得更加緊缺，船艙設(shè)備的布置也將受到極大影響。除成本因素以外，遠(yuǎn)洋船舶還具有單次航程遠(yuǎn)，航行動力需求大變化多等特點，目前的燃料電池技術(shù)還尚未達(dá)到大型遠(yuǎn)洋船舶對電池輸出功率、續(xù)航里程以及使用壽命的要求，導(dǎo)致目前的電池性能不足以支撐其大規(guī)模工程化應(yīng)用，也正是因為存在這些關(guān)鍵性技術(shù)障礙，使國內(nèi)外均未開展大中型遠(yuǎn)洋船舶燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的示范項目。即：由于電堆性能和成本等導(dǎo)致的障礙，全球?qū)罄m(xù)船用燃料電池系統(tǒng)集成和設(shè)計（如電池系統(tǒng)布置、發(fā)電模塊集成、控制系統(tǒng)開發(fā)等）的研究和探索十分匱乏。因此，通過進(jìn)一步研究和探索，突破燃料電池堆核心技術(shù)障礙，顯著提高電池性能的重要指標(biāo)參數(shù)是燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)論

隨著綠色船舶理念的不斷深化，燃料電池技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，將成為船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域重點研究和發(fā)展的方向。船用燃料電池技術(shù)的探索相較于車用領(lǐng)域較為滯后，目前的應(yīng)用主要是內(nèi)河和近海的客船和小型貨船、軍工產(chǎn)品、LNG 運(yùn)輸船和科學(xué)考察船等，主要作為輔助動力系統(tǒng)和特殊工況下的推進(jìn)系統(tǒng)。燃料電池在大型遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用還存在較多技術(shù)障礙，其功率密度、成本經(jīng)濟(jì)性還無法與內(nèi)燃機(jī)競爭，但是隨著燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展以及船舶污染物排放的要求逐步提高，其大規(guī)模應(yīng)用將具有非常大的潛力。未來應(yīng)根據(jù)遠(yuǎn)洋船舶的特點對船用燃料電池技術(shù)進(jìn)行針對性的改進(jìn)、優(yōu)化和探索，以滿足大型遠(yuǎn)洋船舶對電池輸出功率、續(xù)航里程以及使用壽命的要求。此外，本文基于燃料電池汽車的幾種供電工作模式，根據(jù)船舶的不同運(yùn)行工況，總結(jié)得到了船用燃料電池電力推進(jìn)的6 種模式，為船用燃料電池的應(yīng)用設(shè)計提供相應(yīng)的技術(shù)參考。