船舶氫燃料電池應用研究

李勇

摘要：船舶動力來源主要為柴油機、燃氣輪機等，在其提供動力的同時還會排放大量的硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等大氣污染物，對環(huán)境和大氣造成嚴重的污染，基于此開發(fā)綠色環(huán)保的船舶動力能源迫在眉睫。氫燃料作為可再生、無污染、熱值高的動力能源，解決目前船舶污染排放的難題。本文研究綜述了燃料電池及其發(fā)電系統(tǒng)，研發(fā)的幾種燃料電池船舶的應用情況，總結船舶氫燃料電池應用推廣問題，展望氫燃料電池在船舶應用的前景。

Abstract： The main power sources of ships are diesel engines and gas turbines. While providing power， they will also emit a large number of air pollutants such as sulfur oxides， carbon dioxide， nitrogen oxides and particles， causing serious pollution to the environment and atmosphere. Therefore， it is urgent to develop green marine power energy. Hydrogen fuel， as a renewable， pollution-free and high calorific value power energy， solves the problem of ship pollution emission. This paper summarizes the fuel cell and its power generation system， the application of several fuel cell ships developed， summarizes the application and promotion of marine hydrogen fuel cell， and looks forward to the prospect of hydrogen fuel cell application in ships.

關鍵詞：船舶;氫燃料電池;應用前景

Key words： ship;hydrogen fuel cell;application prospect

中圖分類號：U664.1???????????????????????????????????? 文獻標識碼：A??? ????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0238-02

0? 引言

經(jīng)濟的飛速發(fā)展帶來的環(huán)境污染破壞問題也令人困擾，船舶運輸行業(yè)的發(fā)達同時其產(chǎn)生的廢氣排放問題也嚴重影響環(huán)境健康，其對環(huán)境的破壞堪比陸地汽車排放，因此尋求性能佳、無污染的船舶驅動系統(tǒng)新能源，成為未來船舶運輸行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。氫燃料電池作為目前已知的最清潔能源，其燃燒廢物只有水，不會產(chǎn)生二氧化碳或其他的廢氣污染物，且熱值非常高，因此，從長遠角度來看，氫燃料電池可替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機、燃氣船輪機成為理想的船舶動力來源。

1? 船舶動力裝置形式

目前全球船舶數(shù)量眾多，類型多種多樣，因此船舶動力裝置形式也各式各樣。

1.1 傳統(tǒng)的船舶動力裝置

傳統(tǒng)的船舶動力裝置有柴油機、汽輪機、燃氣輪機，表1為傳統(tǒng)的不同類型船舶動力裝置的特點、燃油類型和熱效率。

柴油機重量輕、結構緊湊，經(jīng)濟性較高，迄今為止已經(jīng)被廣泛地應用于民用船舶或中小型軍艦上，是目前的主流船舶動力裝置形式，汽輪機因其運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點多應用于運輸船舶及航空母艦上，燃氣輪機則多作為軍艦動力裝置。

傳統(tǒng)的船舶動力裝置包括柴油機、汽輪機以及燃氣輪機在使用過程中的燃料油均為價格低廉但污染較重的重油，運行過程中會產(chǎn)生硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等大氣污染物，污染環(huán)境，不符合綠色航運的大趨勢，無法滿足現(xiàn)代船舶零排放的要求。

1.2 船舶氫燃料電池動力裝置的形式

1.2.1 氫燃料發(fā)動機? 類似于傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機，氫燃料發(fā)動機的工作原理是氫氣在發(fā)動機氣缸中燃燒推動活塞做工，將熱能轉化為機械能，帶動螺旋槳旋轉，為船舶提供動力。由于氫氣的燃點比較高，因此氫燃料發(fā)動機必須配備引燃系統(tǒng)，利用引燃油點燃氫燃料，基于此，氫燃料發(fā)動機通常結構比較復雜，但是正是由于燃點高的特點，氫燃料的壓縮比更高，熱效率也更高。另外，作為一種氣體燃料，氫氣在氣缸中可以有效擴散形成更為均勻的混合物，從而提高氣缸中的氣體燃燒性能。綜上，氫燃料發(fā)動機的加速性能良好且具有巨大的應用潛能。

1.2.2 氫燃料電池? 氫燃料電池以氫氣作為還原劑，氧氣作為氧化劑，當氫燃料電池工作室，氫氣和氧氣分別供給兩個電極，借助于電極催化劑，氫氣和氧氣反應生成水，氫電極多余電子呈負電，氧電極則呈正電，以此構成電源，實現(xiàn)化學能向電能的轉化，效率可達60-80%，相當于普通內燃機熱效率的兩到三倍。氫燃料電池與鋰離子動力電池方案的特點比較如表2所示，可以看出氫燃料電池在能量密度、占地面積、安全性等方面優(yōu)勢明顯。

2? 船舶氫燃料電池國內外應用實例

船舶氫燃料電池的首次應用可以追溯到2000年的德國Hydra，2000年德國的Hydra客船采用5kW功率的氫燃料電池首次在德國波恩附近的萊茵河正式亮相，并正式揭開了氫燃料電池在船舶領域應用的序幕。Hydra服役期間共運輸乘客約兩千人，并且在Ghent電推船會議中充當渡船使用，經(jīng)過正式認證，Hydra的氫燃料電池在冰點以下也可以正常啟動。此后，世界各國紛紛致力于氫燃料電池動力的船舶開發(fā)，甚至德國和意大利將氫燃料電池應用于潛艇中，并且該類型的潛艇至今仍在多個國家的海軍中服役，氫燃料電池動力潛艇的推進系統(tǒng)由西門子生產(chǎn)的氫燃料電池系統(tǒng)作為動力裝置，早起使用9套燃料電池，后期增大電池功率由原先的30-40kW/套提升至120kW/套，電池縮減為2套。

對于氫燃料電池船舶應用領域的研究，挪威一直是其他國家的領頭羊。2017年9月，維京游輪公司宣布在挪威建造以氫燃料電池作為動力裝置的郵輪，根據(jù)設計，該郵輪長達230m，以液氫為燃料，使用穿上的氫燃料電池作為動力驅動郵輪驅動以及供給郵輪其他用電。維京公司一直走在世界綠色航運應用技術的前沿，氫燃料電池郵輪應用計劃不僅是維京公司綠色航運的重要舉措，項目的完成也是全球綠色航運技術研究發(fā)展的重要一大步。

同年，Energy observer的試行和環(huán)球航行也是轟動一時的氫燃料電池應用事件。Energy observer是由加拿大Canadair造船廠制造的一搜雙體豪華賽艇，經(jīng)過全新的改裝，在2017年6月份在法國圣馬洛港口重新下水，Energy observer是全球第一艘可以自制氫能源的船只，其可以通過獨特的動力源——太陽能完成電池蓄能。Energy observer的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)Energy observer自身的特殊性進行專門打造，在船舶的行駛過程中船員往往需要在組件上行走，因此Energy observer的電池組件表面具有防滑特點。其次，Energy observer的兩半船體并不完全一致，因此必須合理管理兩邊的電能。且Energy observer采用的是雙面光伏電池，發(fā)電效率可以提高25%左右。最重要的是Energy observer還擁有另一個重要的動力來源——風能，同時輔助給予船體動力。

2011年挪威船級社在海洋工程船Viking Lady號上首次采用燃料電池作為動力來源，該項目有望為船舶動力能源的選擇提供新的思路。經(jīng)實踐，相較于傳統(tǒng)的發(fā)動機技術，氫燃料電池的應用可以大大降低船舶有害氣體的排放量，提高動力能效，實現(xiàn)船舶運輸有害物質的0排放，真正實現(xiàn)綠色航運。

2015年日本首艘氫燃料電池船舶的試水成功也標志著亞洲燃料電池船舶應用的開始，該船舶建造成本約為人民幣500萬元，相當于普通柴油驅動船舶的3倍以上，且氫氣充載量相當于燃料電池車的2倍，有望用于漁船或游艇中，日本政府將繼續(xù)致力于氫燃料電池在船舶中的應用工作，期望由沿海風力和光伏發(fā)電站實現(xiàn)儲氫，加氫的構想，進一步帶動沿海地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。

2020年1月28日，中國船級社向武漢眾宇動力頒發(fā)了首張船舶燃料電池產(chǎn)品型式認可證書，標志著我國船舶燃料電池的空白已經(jīng)過去，同時也標志氫燃料電池在船舶中的商業(yè)化應用的一大進步。

3? 船舶氫燃料電池應用存在的問題

由于特殊運行條件，船舶對于燃料電池功率的產(chǎn)品特性、安全性、需求以及儲氫條件等的要求與汽車中大大不同，船舶氫燃料電池的應用主要存在以下的問題：

3.1 船舶氫燃料電池技術不足

目前我國船舶氫燃料電池的相關研究主要集中于科研院所與高校中，而未進行工程化應用的研究，目前，氫燃料電池模塊與動力系統(tǒng)主要針對車用產(chǎn)品，而對于氫燃料電池在船舶特殊的工作環(huán)境與工作工況中的應用中還存在很大的局限性，尤其是安全性能中，因此亟需開展船舶氫燃料電池系統(tǒng)的科研研究工作，推動船舶氫燃料電池的應用。

3.2 氫氣存儲及加注技術亟待提高

由于氫氣的易燃易爆以及液氫的低溫、氧化特點，液氫的使用過程也存在許多風險，因此船用氫氣的存儲與加注技術是船舶氫氣燃料電池發(fā)展的主要難點之一，目前，車用氫氣燃料電池的氫氣存儲與加注技術已經(jīng)初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是由于船舶特殊的工作環(huán)境、工作要求例如續(xù)航力長、氫氣耗量大等特點，船舶用氫氣存儲與加注技術尚不成熟，為了滿足船舶使用需求，必須要尋求儲氫密度、安全性以及儲氫成本的平衡，研究出適用于船舶的高性能儲氫技術。另外針對船用氫燃料加注技術，國外普遍采用的槽車式移動加注方式，作業(yè)隨意性較大，不利于安全監(jiān)管，國內已經(jīng)明令禁止該加注方式，因此還需要進一步提高船舶用氫氣加注技術，解決我國氫氣加注困難的窘境。

3.3 船舶氫燃料電池動力的安全性及管理技術滯后

船舶氫燃料電池動力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的船舶動力推進理念，需要進一步驗證其可行性、安全性與可靠性。由于氫氣易燃易爆特點，氫氣的上船下船運輸會嚴重影響船舶安全管理、船員的培訓、應急情況處理以及危險物品監(jiān)管等。目前相關的培訓要求、操作規(guī)程、應急預案目前我國還處于空白，因此必須研究船舶氫燃料電池的管理技術，推動綠色航運的發(fā)展。

4? 結語

氫燃料電池在船舶動力中的應用可以從以下三方面入手：首先作為推動動力和輔助動力裝置，應用于內河、內湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對節(jié)能減排和提升船舶舒適度的需求;其次作為推動動力和輔助動力裝置，應用于科考船等特種船舶，滿足該類型船舶對噪聲振動及廢氣排放的需求;最后作為輔助動力裝置，應用于頻繁進出港口的散貨船和客船，滿足該類型船對降低港口環(huán)境保護的需求。

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