船舶電力推進技術是當前新能源船舶發展的重要方向之一,與此同時,船用氫燃料電池系統憑借綠色、高效、靜音的特點,也成為綠色船舶動力系統的主要方案之一。借助于綜合電力系統技術的發展,燃料電池技術將充分發揮其獨有的能效轉換率高、快速啟動、零排放等優勢,成為未來船用新型動力源系統的主要發展方向。
船用氫燃料電池技術
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燃料電池是運用電化學反應進行發電的裝置,其不受卡諾循環的約束,可以將燃料的化學能不經過熱功轉換過程直接轉變為電能。燃料電池系統按照電解質的不同,可分為堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、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。
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船用氫燃料電池通常是質子交換膜型燃料電池,主要由流場板、 電極、 催化劑、 質子交換膜以及氫氣和氧氣構成,圖 1為氫燃料電池的原理圖。在氫燃料電池中,質子交換膜（電解質膜）是其核心部件,通過質子交換膜傳導氫離子,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散層（GDL）到達催化層。
在陽極側,氫氣在陽極催化劑表面上解離為水合質子和電子,前者通過質子交換膜上的磺酸基傳遞到達陰極,而電子則通過外電路流過負載到達陰極,在陰極催化劑表面,氧分子結合從陽極傳遞過來的水合質子和電子,生成水分子,并放出大量的熱,過量的反應物（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流道收集并排泄至電池系統外。質子交換膜直接決定了氫燃料電池的使用壽命和電能大小,因此質子交換膜必須具有較高的熱穩定性和化學穩定性,良好的質子通過性以及較低的氣體滲透率。
燃料電池優勢分析
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和傳統柴油發動機相比,燃料電池技術具有以下主要優勢 ：
1.發電效率高。燃料電池把燃料的化學能直接轉化為電能, 它的理論發電效率可達到85% ～ 90%,實際能量轉化效率約為40% ～ 60%,當將其加入熱電組合時,系統效率高達60% ～ 70%。
2. 噪聲低。燃料電池結構簡單,沒有移動部件,聲源僅來自壓縮機、風扇等輔助設備,且燃料電池堆在船上可布置的位置相對更多,因此對船上人員產生的噪聲影響較小。
3.近似零排放。燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時,其CO2的排放量較內燃機燃燒過程將減少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。
4.多樣性。只要含有氫原子的物質都可以作為燃料。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,優化能源消耗結構。
5. 維護成本低。與內燃機相比,燃料電池操作簡單,甚至可以實現無人操作,無需潤滑油,運行和維護的成本也均低于柴油發動機。
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目前新能源在船舶上的應用形式十分繁多,目前應用較多的是鋰電池、燃料電池、太陽能光伏、風力推進、核動力和油氣混動等。幾種新能源的優缺點比較見下表所示。
船舶氫燃料電池動力系統
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螺旋槳由推進電動機帶動的獨立電力推進裝置是船舶最常用的電力推進方式,根據船舶運行的不同工況,船用氫燃料電池動力系統可采用多種模式 ：
1.氫燃料電池獨立供電模式
當船舶所需功率和能量較小時,燃料電池的輸出能量能夠滿足船舶需求,此時可采用燃料電池單獨驅動向全船電網供電。氫燃料電池系統通過DC-DC斬波器連接到直流組網中,DC-DC斬波器將氫燃料電池系統生成的幅值變化的直流電轉變為幅值穩定的直流電,再通過逆變器將直流母線上的直流電轉變成交流電,為推進電機供電,并為船舶電網負載供電（如圖 2 所示）。
2.燃料電池與儲能裝置同時組網供電
船舶在航行過程中負載變化頻繁,燃料電池在輸出變化的控制要求下反應速度較慢,無法滿足電動機的瞬態能量需求,同時當船舶所需功率和能量較小時,燃料電池的輸出能量將大于船舶所需。為了提高供電系統的穩定性和靈活性,燃料電池系統可與儲能裝置聯合組網,如鋰電池、超級電容等配合組成船舶動力系統,在燃料電池輸出電能的同時聯合儲能裝置共同向電動機供電以滿足船舶航行功率和能量需求,當燃料電池的輸出能量大于船舶所需,且儲能裝置能量未滿時,燃料電池輸出的多余電量儲存在儲能裝置中（如圖 3 所示）。
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3.燃料電池、儲能裝置與柴油發電機并聯供電
雖然燃料電池技術日益成熟,但目前的燃料電池還存在較多技術性能上的制約,如動態響應速度慢,單電池輸出功率較小等。因此根據動力需求,在船舶動力系統中配備柴油發電機系統,實現混合動力驅動。當船舶所需功率和能量較大時,可采用燃料電池、儲能裝置與柴油發電機組并聯供電的方式,通過電站管理系統進行控制協調,實現聯合供電,以滿足船舶需要。
氫燃料電池船上應用現狀
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歐美和日韓等國家和地區在船用燃料電池的研發和設計上起步較早,目前在工程化的應用和推廣處于領先地位,已有較多船用燃料電池動力推進裝置的應用和示范工程。
2008年,德國Zemships項目推出的48kW質子交換膜燃料電池客船Alsterwasser正式在 阿爾斯特河上營運,是世界上第一艘投入運營的燃料電池電力推進客船。
由挪威資助的“Fellow Ship”燃 料 電 池 船 用 系 統 示 范 項 目 在2009年推出了裝備320kW燃料電池動力系統的海洋工程供應船“Viking Lady”號,該船由歐洲幾大船級社與企業合作研制,是全球第一艘通過燃料電池技術進行船上發電的營運船舶。
2017年9月,維京游輪（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。該郵輪設計長度為230米,以液氫為燃料,由船上的氫燃料電池產生電能,用于船舶驅動和船上其他用電,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“EnergyObserver（能源觀察者）”號正式下水并開始環球航行。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能電解水裝置制得,并通過儲存罐體存儲,氫燃料電池系統在陰天、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制氫的船舶。
加拿大Ballard公司于2018年宣布將開展用于海運船舶動力系統的兆瓦（MW）級質子交換膜燃料電池系統的開發,應用重點是游輪方向,計劃當游輪停靠港口時為其提供電力,或在海上運行時提供主要推進動力。
2015年初,在日本政府大力支持下,日本戶田建設與雅馬哈發動機聯手開發氫燃料電池船舶,年底便在漁船上實現了實船試航,其最高速度可達37 km/h,每次加氫可運行2小時左右。日本在深海科學考察巡航船舶上的應用取得重大進展,由其研制的世界第一艘采用氫氧燃料電池動力的深海科學考察巡航器已經試航。
韓國自 2010 年以來,加大了對船用燃料電池技術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展戰略規劃,韓國的大型船廠與企業（如大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船聯合韓國船級社）都參與了政府牽頭的船用燃料電池研發項目或自主研發,其主要定位是研發建造液化天然氣（LNG）燃料推進船、沿近海政府公務船,以及沿近海商用客船和客貨滾裝船。
與很早就進行技術研發布局的各國相比,我國在氫能與燃料電池技術領域起步較晚,當前還處于探索階段。不過,已在廣東“綠色珠江”號氫燃料電池動力示范船、首個國家級氫燃料電池示范船等示范項目上取得了不少進展。此外,2022年初,由大連海事大學牽頭建造的我國第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號順利完成試航,成功驗證了燃料電池作為船舶動力的實用性 ；2022 年 6 月底,七一二所在黃岡實現燃料電池關鍵組件的試產,為實現燃料電池產業化打下了堅實的基礎。
面臨的挑戰
雖然,近年來氫能源產業受到了世界多個國家的大力推廣,氫燃料電池技術、綠色制氫技術、氫燃料儲存加注技術等取得了長足進步,但是氫燃料動力在船舶的應用仍有待進一步研究和發展,并面臨如下挑戰 ：
1.國內燃料電池的研發以質子交換膜燃料電池為主,在燃料電池關鍵零部件,如雙極板、膜電極、催化劑等方面的研究還主要停留在實驗室階段,尚未形成商業化產品,燃料電池關鍵零部件和材料還主要依賴進口。
2.燃料電池對船舶實際運行環境下的環境適應性以及可靠性等仍需要進一步研究。目前,燃料電池普遍壽命不超 5000 小時,與船用柴油機壽命相差較大,燃料電池的壽命和耐久性仍有待提高。
3.目前燃料電池功率一般不超350kW,滿足船舶能量需求需要大量電池單體,考慮到船上空間有限,船用高緊湊的大功率氫燃料電池系統集成技術仍有待突破。
4.中國制氫技術主要以煤炭制氫為主,在綠氫制取方面仍面臨諸多問題。電解水制氫中的各關鍵材料和部件價格過高,導致電解水制氫成本居高不下。可再生能源制氫方面,能夠產業化的太陽能、風能和生物質能制氫經濟性與煤炭制氫相比,缺乏競爭力,且能量密度低,穩定性差,產氫效率有待進一步提升。
5.大型遠洋船舶需氫量大,導致氫氣加注時間長。高壓氣態氫氣儲罐的容量較低,所需儲罐數量多,占據船舶空間大,布置難度高。
6.國內當前尚未有專用船舶氫氣加注的港口,氫加注配套設施需要進一步建設。
展望與建議
隨著綠色船舶理念的不斷深化,燃料電池技術憑借其獨特優勢,將成為船舶電力推進領域重點研究和發展的方向。當前,船舶燃料電池技術主要應用在內河和近海的客船及小型船上,在大型遠洋船舶上的應用仍面臨巨大的挑戰,但隨著燃料電池和儲氫技術的快速發展以及船舶污染排放要求的逐步提升,仍具有大規模應用的潛力。為進一步推動船舶氫燃料電池動力技術和行業應用發展,建議 ：
一? ?是開展氫燃料電池動力船舶技術標準規范的符合性研究,建立完善的氫燃料電池動力船舶標準規范體系。
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二? ?是支持關鍵零部件的核心技術攻關、應用示范與推廣。例如設計大功率模塊集成化的燃料電池電堆,以滿足氫燃料電池的船舶應用需求。研究開發與燃料電池系統相配套的在線狀態監測和智能故障診斷系統,實現對燃料電池系統關鍵參數的實時監測,以及故障的快速定位、辨識、隔離。
三? ?是加強對儲氫機理的研究,研究提高儲氫密度、降低放氫難度的理論方法,發展輕質、耐壓、高儲氫密度的新型儲罐。綜合各種儲氫技術的優點,研發復合儲氫技術。
來源：中國船級社 崔 艷
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