船用燃料電池電力推進(jìn)系統(tǒng)特性與展望

王娜娜，汪曉菲，王 碩

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境污染已然成為焦點(diǎn)，能源和環(huán)境也逐漸成為左右世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問(wèn)題。加快新能源的開發(fā)利用，必然是解決當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題的一大重要舉措。而氫燃料電池由于其綠色、高效等優(yōu)勢(shì)，成為解決環(huán)境能源問(wèn)題的一個(gè)炙手可熱的新型技術(shù)[1]。氫燃料電池以氫和氧為燃料，生成清潔的水，作業(yè)過(guò)程中不產(chǎn)生CO和CO2，也沒(méi)有SOX和微粒排出。因此，氫燃料電池可實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放、零污染。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)分類

船舶電力推進(jìn)裝置一般采用電動(dòng)機(jī)械帶動(dòng)螺旋槳，以推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 電力推進(jìn)裝置簡(jiǎn)圖

該裝置主要由原動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳及控制調(diào)節(jié)設(shè)備等組成[2]。

由圖1可知，利用原動(dòng)機(jī)（現(xiàn)多以柴油機(jī)組為主）帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)發(fā)電機(jī)將其他形式能量轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而傳送至船舶的主配電盤，再由配電系統(tǒng)向全船供電，以推動(dòng)船舶航行。

2 燃料電池電力推進(jìn)原理

通常，可按照燃料電池的電解質(zhì)類型、工作溫度及其所使用的燃料種類進(jìn)行詳細(xì)分類。根據(jù)不同工作原理可以分為：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等[3]。其中，屬于氫燃料電池的是PEMFC和AFC。而按照工作溫度，可將其可分為低、中、高3種溫度的燃料電池。

2.1 燃料電池結(jié)構(gòu)

燃料電池由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板及其兩側(cè)配置的空氣極、燃料極和氣體流路組合而成，見(jiàn)圖2[4]。其中，空氣極為陰極，燃料極為陽(yáng)極。各種燃料電池中的電解質(zhì)是不盡相同的，且經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不相同。在燃料極中，供給的燃料氣體中H2變?yōu)镠+和自由電子，H+移動(dòng)到電解質(zhì)中與陰極一側(cè)所供給的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。自由電子經(jīng)外部負(fù)荷回路，再返回到陰極，參與陰極反應(yīng)后，H2與O2反應(yīng)生成H2O。由此可見(jiàn)，H2具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其電效率可達(dá)40%～60%。

圖2 氫燃料電池的工作原理

其中，氫燃料電池是一種能夠?qū)?chǔ)存將燃料（H2）和氧化劑（空氣中的O2）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置[5]。其工作原理，從本質(zhì)上而言是電解水的逆過(guò)程。

化學(xué)反應(yīng)方程式為

陰極：

2.2 系統(tǒng)組成

氫燃料電池供電系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氫、供氫單元、燃料電池單元、DC/DC轉(zhuǎn)換單元、配電單元、監(jiān)控單元、熱綜合管理單元及其他附件組成，見(jiàn)圖3。

圖3 氫燃料電池供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)船舶推進(jìn)的基本原理、推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)以及對(duì)于燃料電池工作原理，可總結(jié)出整體推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，以純氫為燃料電池提供燃料，即本文所述的氫燃料電池。H2分別流經(jīng)2個(gè)燃料電池后，將電池反應(yīng)后生成的能量輸送到電機(jī)控制器。從電機(jī)控制器中所得的電能，一部分通向蓄電池，另一部分則通過(guò)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以到達(dá)減速器，從而驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

圖4 燃料電池電力推進(jìn)裝置示意圖

2.3 燃料電池電力推進(jìn)裝置特性

采用氫燃料電池作為中小型游艇推進(jìn)裝置中的電力傳動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直接決定了螺旋槳的轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)，若改變電流大小，螺旋槳的轉(zhuǎn)速也便會(huì)隨之發(fā)生變化；改變電動(dòng)機(jī)的電流方向則可改變螺旋槳的轉(zhuǎn)向。

和傳統(tǒng)動(dòng)力發(fā)電設(shè)備（如：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）相比，燃料電池的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）高效率。燃料電池轉(zhuǎn)換效率通常達(dá)到40%～50%，當(dāng)將其加入熱電組合時(shí)，系統(tǒng)效率高達(dá)60%～70%。

2）低噪聲。由于燃料電池沒(méi)有移動(dòng)部件，聲源僅包括泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)等輔助設(shè)備，因此與內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池堆可安置在任意位置，且對(duì)乘客或船員產(chǎn)生的噪聲影響較小。

3）低排放。對(duì)于PEMFC而言，在燃料改良中將不符合要求的成分從燃料中被去除，燃料電池本身的排放可忽略不計(jì)，且燃料電池系統(tǒng)氮氧化物排放比傳統(tǒng)能源低得多。

4）多樣性。即燃料選擇的多樣性。燃料電池可選用多種燃料，如：純氫、天然氣、甲醇、石腦油、液態(tài)烴燃料、煤氣和生物質(zhì)衍生燃料等。低溫燃料電池（如：PEMFC）通常需要非常純粹的H2，而高溫燃料電池（如：SOFC）則對(duì)燃料要求較低，可直接使用天然氣。

5）操作、維護(hù)成本低。與內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池操作簡(jiǎn)單，甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，無(wú)需潤(rùn)滑油，運(yùn)行和維護(hù)的成本也均低于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 存在問(wèn)題及解決方法

3.1 存在的主要問(wèn)題

燃料電池系統(tǒng)是船上發(fā)電的一個(gè)非常有吸引力的推進(jìn)方案，但存在優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在一些亟待解決的問(wèn)題。

1）燃料的存儲(chǔ)及運(yùn)輸

目前為止，燃料的存儲(chǔ)和運(yùn)輸成為燃料電池電力推進(jìn)系統(tǒng)推廣過(guò)程中的一大難題。以氫燃料電池為例，氫氣的存儲(chǔ)系統(tǒng)的體積大，質(zhì)量重且價(jià)格昂貴。因此，解決氫燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題尤為關(guān)鍵。

2）使用壽命

燃料電池系統(tǒng)的使用壽命和可靠性到目前為止仍存在一些爭(zhēng)議。水和熱的問(wèn)題導(dǎo)致材料和催化劑的累積降解，從而引發(fā)燃料電池耐久性和可靠性方面的問(wèn)題。材料和催化劑的降解主要是由于水管理不善、燃料和氧化劑缺乏，導(dǎo)致脫水或淹水的電池組件被腐蝕且產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。電池組件的脫水可能會(huì)損壞電池中的膜，溢流會(huì)促使電極、催化劑層、氣體擴(kuò)散介質(zhì)和膜的腐蝕，從而減少電池的使用壽命。

3）使用成本

燃料電池的成本也是頗受關(guān)注的問(wèn)題之一。使用燃料電池電力推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)而言，不僅制造成本大大提高，而且維修和更換電池組的成本也是值得考慮的。尤其對(duì)于旅游業(yè)而言，成本的降低直接關(guān)系到整個(gè)公司乃至行業(yè)的盈利情況。因此，成本的考慮也是需要關(guān)注的。

3.2 解決方法

1）燃料的存儲(chǔ)及運(yùn)輸

目前市場(chǎng)上儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)臍錃獾姆绞街饕幸韵聨追N：（1）利用高壓罐技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)船用氫氣，但此種方法造價(jià)昂貴且存儲(chǔ)量低；（2）通過(guò)在大氣壓下將氫氣冷卻至20 K，以液態(tài)形式使用氫氣。使用液態(tài)氫的儲(chǔ)存系統(tǒng)在使用高壓儲(chǔ)罐時(shí)具有儲(chǔ)存更多氫的潛力，但需要采用雙層壁面的儲(chǔ)罐，以保溫隔熱；（3）基于固體氫化物的儲(chǔ)存系統(tǒng)，它可以通過(guò)不同貯氫合金的高密度吸收和存儲(chǔ)氫氣。在其他方法中，這種合金比儲(chǔ)罐的體積更小、更輕便。金屬氫化物貯氫的方式通過(guò)加熱或水等介質(zhì)，從這些化合物中反應(yīng)釋放出氫。金屬貯氫裝置由于其結(jié)構(gòu)多樣性，突出的調(diào)整孔徑和表面功能的能力，特殊的孔隙率和表面積以及豐富的化學(xué)成分而獲得了高度的關(guān)注。同時(shí)，與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比，金屬貯氫裝置在單位體積內(nèi)可存儲(chǔ)更多的氫。

2）使用壽命

首先，可以通過(guò)控制流動(dòng)條件（即濕度、流速和溫度等）或通過(guò)改變材料和流動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)燃料電池的壽命。其次，設(shè)計(jì)和開發(fā)耐腐蝕性高的廉價(jià)雙極板也是提高燃料電池的機(jī)械耐久性、延長(zhǎng)使用壽命的有效策略之一。

3）使用成本

通過(guò)減少材料成本（尤其是鉑金使用）、增加功率密度、降低系統(tǒng)復(fù)雜性和改善耐用性等方法，可有效節(jié)約。同時(shí)，簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)方案或開發(fā)無(wú)鉑催化劑也可有效降低使用成本。減少電催化劑層中鉑的含量將有效降低燃料電池技術(shù)的總體成本，特別是在運(yùn)輸行業(yè)中，對(duì)批量生產(chǎn)有顯著的積極影響。

3.3 燃料電池研究趨勢(shì)

燃料電池作為一種綠色環(huán)保的新興能源和動(dòng)力形式，與傳統(tǒng)的動(dòng)力裝置相比，有著使用燃料種類多、壽命長(zhǎng)、噪聲小和環(huán)境污染較低等諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。將來(lái)，燃料電池若要作為主動(dòng)力源廣泛應(yīng)用于船舶海工領(lǐng)域，則還需解決以下技術(shù)問(wèn)題：

1）功率密度

目前，燃料電池在功率密度方面，只能與低中速柴油機(jī)相媲美。與高速柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)相比，仍有一定的差距。因此，從現(xiàn)有技術(shù)條件來(lái)講，燃料電池還不能大范圍應(yīng)用于高速船舶的主動(dòng)力系統(tǒng)中。

2）功率

遠(yuǎn)洋船舶所需動(dòng)力源功率為5 000 kW～50 000 kW，而大多數(shù)燃料電池組能產(chǎn)生的功率都在5 000 kW以下，差距較為明顯。因此，目前大多數(shù)燃料電池只能應(yīng)用于小型潛艇、游艇、民用船只和船舶輔機(jī)系統(tǒng)，待到相關(guān)技術(shù)成熟后，方可運(yùn)用于大功率船舶。

3）重量和體積

與傳統(tǒng)船舶動(dòng)力源相比，燃料電池在重量和體積方面不占優(yōu)勢(shì)。在功率相同的情況下，燃料電池需占用更大的體積和更多的重量，船舶的可盈利空間便相對(duì)減少。因此，減小重量和體積也亟待解決的一大難題。

4）船舶工況

設(shè)計(jì)和開發(fā)的燃料電池在陸地上已有廣泛應(yīng)用，但船用燃料電池還需考慮與海洋環(huán)境有關(guān)的特定問(wèn)題，包括海洋空氣和水中的鹽分、震動(dòng)撞擊及腐蝕等問(wèn)題，以及在復(fù)雜海況中的性能表現(xiàn)。同時(shí)，船舶操縱中負(fù)荷的突然改變或者大負(fù)荷改變引起的溫度變化等情況，都會(huì)對(duì)燃料電池電力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

5）法規(guī)限制

國(guó)際海事組織的海上人命安全公約（Convention on the Safety of Life at Sea，SOLAS）公約規(guī)定：船舶不能使用可燃?xì)怏w作為燃料（油輪除外），燃料電池組中的氫氣或富含氫氣的可燃性氣體與這一規(guī)定相違背。經(jīng)過(guò)多方研究后，國(guó)內(nèi)外多家船級(jí)社表示：安全的燃料電池系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用是可能的，未發(fā)現(xiàn)大的障礙，但前提是對(duì)燃料電池技術(shù)做更深的研究和取得更新的進(jìn)展。

4 結(jié)論

燃料電池系統(tǒng)不僅可作為船舶的推進(jìn)動(dòng)力，還能滿足船上各種用電要求，因此，可根據(jù)船舶類型選擇合適的燃料電池類型及燃料，有效配合船舶動(dòng)力裝置特性，實(shí)現(xiàn)效率最大化。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池因其工作溫度低（80 ℃～100 ℃）、體積小、重量輕、模塊化程度高和生命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為燃料電池動(dòng)力推進(jìn)裝置中的主力軍。固體高分子燃料電池的輸出功率大，相同功率下的體積與柴油機(jī)相當(dāng)，也被認(rèn)為是非常適用于小型船舶的燃料電池。

從世界各國(guó)對(duì)燃料電池的投資與研發(fā)力度來(lái)看，未來(lái)，其集成化、氫源技術(shù)、穩(wěn)定與安全性等的發(fā)展將會(huì)更加迅速，這必然也會(huì)加快燃料電池作為內(nèi)河船舶主動(dòng)力電源的研究。在不久的將來(lái)，燃料電池電力推進(jìn)系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)被廣泛運(yùn)用于船舶動(dòng)力市場(chǎng)。