康嘉伦李欣王怡周潁庄士超
上海外高桥造船有限公司
摘要：燃料电池船舶电力推进技术是绿船舶发展的重要方向，为拓展燃料电池技术在船舶领域内的应用，针对船用燃料电池电力推进系统开展相关研究。介绍了具有应用前景的两种燃料电池（质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池）的工作原理，基于船用燃料电池示范工程项目的分析，全面回顾和总结了燃料电池在船舶领域的研究现状和应用前景，并重点分析船用燃料电池电力推进系统的几种供电模式。基于大型远洋船舶的特点和燃料电池技术的现状，探讨了其运用的可行性和未来的突破方向。 关键词：燃料电池；电力推进；供电模式；远洋船舶
DOI:10.13770/j.c n ki.iss n2095-705x.2021.04.016
Applied Analysis of Marine Fuel Cell Propulsion Technology
KANG Jialun,LI Xin,WANG Yi,ZHOU Jiong,日志存储
ZHUANG Shichao
Shmnghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.
Abstract:Marine fuel cell electric propulsion technology is an important direction for the development of green ship.In order to expand the application of fuel cell technology in the marine field,relevant research is carried out on marine fuel cell electric propulsion systems. The working principles of the two most promising fuel cell technolo-
收稿日期：2021-03-05
第一作者：康嘉伦（1995-），男，硕士，研究方向为电池电化学储能
船用燃料电池动力推进技术应用研究上海节能
gies(proton exchange membrane fuel cell and solid oxide fuel cell)are introduced in this paper.Based on the analysis of marine fuel cell demonstration project,the research progress and application prospect of fuel cell in marine field are comprehensively reviewed and summarized.Then several power supply modes of marine fuel cell electric propulsion system are discussed emphatically.Finally,based on the characteristic requirements of large ocean-going ships and the status quo of fuel cell technology,the feasibility of its application and future breakthrough directions are discussed.
Key words:Fuel Cell;Electric Propulsion;Power Supply Mode;Ocean Vessel
0引言
船运行业作为经济全球化的主要载体，在世界范围内为经济贸易做出巨大贡献。伴随着全球石油资源的耗尽，以及环境污染、温室效应和能源短缺所带来的巨大压力，国际海事组织（In t er n atio nal Maritime Organization,IMO）国际防止船舶造成污染公约（MARPOL公约）对污染排放规则提出了更高的要求［1］。船舶航行主要依靠船用柴油机提供动力，存在如下主要问题：燃料能量转换效率低，柴油机运行振动噪音大，燃料燃烧排放污染物，化石能源储量有限濒临耗竭等，加剧了资源的枯竭以及生态环境的恶化。因此，研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为绿船舶的重要发展方向叫
船舶电力推进技术是当前绿船舶发展的重要方向之一，在民用船和军工领域均受到广泛关注。电力推进技术的研究和推广使船舶能够满足日益严格的污染物排放要求和低噪音环境舒适性方面的考虑。随着燃料电池技术的不断成熟并在众多领域的应用推广，将燃料电池技术运用于船舶动力系统受到了船运行业的关注。借助于综合电力系统技术的发展，燃料电池技术将充分发挥其独有优势，成为未来船用新型动力源系统的主要发展方向同。燃料电池技术具有以下主要优势：1）发电效率高。燃料电池把燃料的化学能直接转化为电能，发电过程不受卡诺循环的限制，它的理论发电效率可达到85%~9
0%，实际能量转化效率约为40%~60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。2）绿环保，近似零污染。燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，其CO2的排放量较内燃机燃烧过程将减少40%以上，且由于没有高温燃烧过程，因此几乎不排放氮和硫的氧化物，对缓解地球温室效应，减轻大气污染十分重要。3）燃料多样化，运用范围广。只要含有氢原子的物质都可以作为燃料。例如，天然气、氢气、酒精、甲醇等，符合能源多样化的需求，可减缓主流能源的耗竭，优化能源消耗结构。4）振动噪声小。燃料电池结构简单，运动部件少，工作时噪声低，其在船舶上的应用，电池本体无噪声，噪声仅来源于各种辅机。
本文介绍最具应用前景的两种燃料电池技术，并全面回顾和总结燃料电池在船舶领域的研究现状和应用前景，重点分析船用燃料电池电力推进的几种供电模式，基于大型远洋船舶的特点需求，探讨燃料电池运用的可行性。
1船用燃料电池系统
1.1燃料电池技术
燃料电池是运用电化学反应进行发电的装置，其不受卡诺循环的约束，可以将燃料的化学能不经过热功转换过程直接转变为电能。燃料电池系统主要由阳极、阴极、离子交换膜以及外接电路等构成，见图燃料与空气（或氧气）分别供应至电池阳极和阴极，在不直接混合的条件下发生电化学反应同。燃
料电池系统按照电解质的不同，可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池和固体
2021年第04期
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
上海节能
No.042021
氧化物燃料电池优势明显，目前已进入工程应用推 广阶段，技术开发也较为成熟，具有进一步大规模
商业化的潜力，被普遍认为在未来得到广泛普及应 用的两种燃料电池冋。
(a)质子交换膜燃料电池
(b)固体氧化物燃料电池
图1燃料电池原理图
质子交换膜燃料电池(PEMFC)—般采用氢气
作为燃料，其主要特点是采用质子交换膜来传导氢 离子。氢气和氧气(或空气)通过双极板上的气体 流道分别输送至电池阳极和阴极，通过膜电极上的
气体扩散层(GDL)到达催化层。在阳极侧，氢气 在阳极催化剂表面上解离为水合质子和电子，前者
通过质子交换膜上的磺酸基传递到达阴极，而电子
则通过外电路流过负载到达阴极，在阴极催化剂表 面，氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电
子，生成水分子，并放出大量的热[5'6]，过量的反应 物(氢气和氧气)通过气体流道回流至储气罐，生成
物水蒸气则通过阴极侧流道收集并排泄至电池系 统外。该反应过程的化学反应式如式(1)~式(3) 所示[7]o
阳极反应：
H l 2H 十 + 2e"
(1)阴极反应：
O2+4H++ 4e"^2H 2O
⑵
总反应：
2H? +~2H?O
⑶
固体氧化物燃料电池属于高温燃料电池，运行温度为550-850 °C，其主要特点是采用固态导电
陶瓷作为电解质用于传导阴极产生的氧离子。系 统运行过程中，燃料气体和氧气(或空气)通过双极
板上的气体流道分别输送至电池阳极和阴极，通过 膜电极上的气体扩散层(GDL)到达催化层。在阳
极侧，具有催化作用的催化剂层表面吸附燃料气 体。在阴极侧，具有多孔结构的阴极表面吸附氧, 由于阴极本身的催化作用，使Q 得到电子变为0= 在化学势的作用下,o 2-进入起电解质作用的固体氧
离子导体，并扩散到达阳极的催化剂层表面，与燃
料气体发生反应，生成水分子并放出大量的热，失 去的电子通过外电路回到阴极。过量的反应物(氢 气和氧气)通过气体流道回流至储气罐，生成物水 蒸气则通过阳极侧流道收集并排泄至电池系统
外。以氢气作为燃料为例，反应过程的化学反应式
如式(4)~式(6)所示冏。
阳极反应：2^2 + 20? —2H?O + 4e (4)阴极反应：O2+4e_—
(5)总反应：2H 2 + O 2^2H 2O (6)
1.2研究现状及应用前景
目前，燃料电池技术主要被应用在汽车行业、无
人机领域、航天航空领域以及船舶行业。其中，燃料 电池在大客车和小型汽车领域的应用已具有良好的
基础，我国在大型客车的研发和生产处于领先地 位。以上海大通为代表的多家国内企业掌握了燃料
电池大型客车集成技术，并可以进行自主生产，但燃
料电池系统的核心部件仍然依赖进口，国家和各地 方政府也纷纷出台燃料电池汽车的相关政策，进一
步加速了车用燃料电池的运用发展。燃料电池在小 型汽车最为典型的工程化应用是日本丰田公司推出 的Mirai 系列汽车及韩国现代公司推出的Tucson
FCEV 系列汽车，已进入市场商业化阶段。燃料电
池在无人机领域和航天航空领域的应用相较于汽
车领域，示范工程较少，主要集中在欧美发达国
家。近年来，国内也在无人机运用燃料电池上取得 较大进展和突破。
水控系统欧美和日韩等国家和地区在船用燃料电池的 研发和设计上起步较早，目前在工程化的应用和推 广处于领先地位，已有较多船用燃料电池动力推进 装置的应用和示范工程。最初，德国将燃料电池应
用于潜艇领域，由霍瓦兹造船公司(HDW)研制建造
磁悬浮空调了世界上第一艘装备氢氧燃料电池的212A 型AIP
416 I 节能技术
r ’u | ENERGY CONSERVATION
TECHNOLOGY
船用燃料电池动力推进技术应用研究上海节能
潜艇，该潜艇使用柴电及燃料电池混合动力，两种动力系统既可单独使用，也可联合使用。燃料电池动力系统用于水下长时间巡航，柴电动力系统用于潜艇作战时高速航行回。在此基础上，德国与意大利联合进一步改良了燃料电池潜艇的制造，研制了使用2套燃料电池，每套功率120kW的新型潜艇，可以4.5节的速度潜航1250海里，航行15-17天，至今仍在多国海军中服役。除潜艇以外，燃料电池在其他军工领域也不断进行应用尝试，美国和英国计划在诸如驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰领域，开展将燃料电池技术应用于船用电网和辅助推进系统的研究问。
随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池在商船和客船上的应用日益得到重视，燃料电池作为船舶辅助动力的前景被十分看好。燃料电池技术在民船领域的应用研究主要集中在欧洲，2008年，德国Zemships项目推出的48kW质子交换膜燃料电池客船Alsterwasser正式在阿尔斯特河上营运，是世界上第一艘投入运营的燃料电池电力推进客船［11］。由挪威资助的“Fellow Ship”燃料电池船用系统示范项目在2009年推出了装备320kW燃料电池动力系统的海洋工程供应船“Viking Lady”号，该船由欧洲几大船级社与企业（DNV、挪威航运集团、瓦锡兰、VIK SANDVIK、MTU）合作研制，是全球第一
艘通过燃料电池技术进行船上发电的营运船舶问。2017年9月，维京邮轮（Viking）公司在挪威宣布将建造一艘使用氢燃料电池为动力的邮轮。该邮轮设计长度为230m，以液氢为燃料，由船上的氢燃料电池产生电能，用于船舶驱动和船上其他用电，这艘邮轮将可能成为世界上第一艘零排放的氢燃料电池邮轮。2017年由法国研制的Energy Observer（能源观察者号）正式下水并开始环球航行。该船舶的燃料电池使用氢燃料，氢气的来源由—套太阳能和风能电解水装置制得，并通过储存罐体存储，氢燃料电池系统在阴天、夜间以及长途航行的起步阶段启动为船只航行提供动力，是世界上第一艘可以自产制氢的船舶。加拿大Ballard公司于2018年宣布将开展用于海运船舶动力系统的兆瓦（MW）级质子交换膜燃料电池系统的开发，应用重点是游轮方向，计划当游轮停靠港口时为其提供电力，或在海上运行时提供主要推进动力［13］。德国西门子集团于2018年提出将燃料电池系统装配在渡船及其他海上船舶的计划，未来将装配在海上观光船及海洋考察船。此外，西门子集团目前正在研究采用多种燃料的混合多燃料动力系统、电动系统和液化天然气动力系统。近年来，挪威海运公司Norled提出将建造全球首艘氢电动渡轮，该渡轮主要动力由氢气提供，将于2021年在罗加兰郡Hjelmela n d-Skipavik-Nesvik之间的国道13线路投入运营。这条大容量渡轮可容纳299名乘客,80辆汽车，在船用燃料电池领域具有划时代的意义。
新世纪以来，日本也开始进行燃料电池技术船用领域的研究，相较于车用燃料电池技术，其在船用领域起步较晚，但得益于日本燃料电池领域的技术优势，因此发展较快叫2015年初，在日本政府大力支
持下，日本户田建设与雅马哈发动机联手开发氢燃料电池船舶，年底便在渔船上实现了实船试航，其最高速度可达37km/h，每次加氢可运行2h 左右。另外，三菱重工、Hatfield等企业对燃料电池在船舶领域的应用也有着持续的研究。日本在深海科学考察巡航船舶上的应用取得重大进展，由其研制的世界第一艘采用氢氧燃料电池动力的深海科学考察巡航器已经试航。韩国自2010年以来，加大了对船用燃料电池技术的研究和政府资金支持。韩国政府制定了船用燃料电池的长期发展战略规划，韩国的大型船厂与企业（如：大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船联合韩国船级社（KR））都参与了政府牵头的船用燃料电池研发项目或自主研发［15J6］，其主要定位是研发建造液化天然气（LNG）燃料推进船，沿近海政府公务船，以及沿近海商用客船和客货滚装船。
基于对国内外已有船用燃料电池示范工程项目的分析和总结，燃料电池技术在以下船舶类型领域具有较好的应用前景：
1）LNG船
LNG运输船装载液化天然气，在航行中船舶受
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到光照和晃荡，液态天然气会发生自动气化，一般
采用安全阀释放或再液化的方法。采用安全阀释 放意味着天然气被浪费且对大气造成污染，气相再 液化则需要消耗电力。开发燃料电池LNG 运输船,
燃料电池技术正好能以气化的天然气作为燃料，为
船舶提供驱动电能，实现了因地制宜、经济环保。
2） 游艇及小型客船
燃料电池推进技术可作为推进动力和辅助动力
装置，应用于内河、内湖和近海的游船和游艇，满足 该类型船舶对节能减排、绿环保和提升船舶舒适
度的需求。此外，游艇及小型客船在行进或进、出港
时，低负荷运行，且负载变化很大，需要主机有良好 的负荷特性，而燃料电池具有这样的优势和特点。
目前的燃料电池负载变化范围为10%~ 25%，负载 变化速率为每MW 级25%/mi n 。真空渗碳炉
3） 科学考察船
燃料电池电力推进船具有噪声低、振动少的优 点，对精密测量仪器的寿命及测量数据的精确度都
有极大的益处，还能够创造非常舒适的研究和生活 的航行条件，因此燃料电池可作为推进动力和辅助立式导热油加热器
动力装置应用于科考船，满足该类型船舶对噪声振 动及废气排放的需求。
2船用燃料电池电力推进模式
船舶的电力推进按照装置功能分为独立电力 推进装置、联合电力推进装置、辅助电力推进装置、
特殊电力推进装置和主动舵电力推进装置，其中独 立电力推进装置是最常用的电力推进方式，螺旋桨
由推进电动机带动。船舶在海洋中往往是变工况 航行，燃料电池在输出变化的控制要求下反应速度
较慢，无法满足电动机的瞬态能量需求，容易出现 燃料电池供电不足的问题。为了提高供电系统的 稳定性和灵活性，燃料电池系统一般配备蓄电池系
统进行配合。当燃料电池发电系统的输出功率在
满足船舶运行工况功率需求时，能够单独给电动机
供电；燃料电池达到额定的输出功率区域，若此时
输出功率大于运行工况的需求，主发电机除供电给
推进电动机外，可根据需求把一部分电能供给船舶 电网，可利用蓄电池组储备其发出的多余电力；当 燃料电池发电量无法满足运行工况需求时，可切换
为与锂电池组联合对推进电机供电。基于对船舶 运行时不同工况的分析，总结得出船用燃料电池电 力推进的6种模式咖％
1 ）燃料电池单独驱动模式
当船舶航行工况所需功率和能量较小时，燃料 电池的产电功率和输出能量能够满足航行工况所
化妆品包装瓶需功率和能量，一般采用燃料电池单独驱动电机运
转，由于燃料电池产生的是直流电，船舶电压平台 的电压一般为48 V，需对燃料电池系统发出的直流
电进行DC-DC 变换，通过变换后输入电机，使电机 驱动螺旋桨工作（见图1）。
2） 燃料电池驱动并向蓄电池充电模式
当船舶航行工况所需功率和能量较小时，燃料 电池的产电功率和输出能量远大于船舶的功率和
能量需求，且蓄电池的储电量不足时，氢燃料电池 单独向发动机供电的同时，可根据需求把一部分电
能供给船舶电网，还可以分流电能为蓄电池充电， 将燃料电池输出的多余电量储存在蓄电池中，以备 燃料电池和蓄电池联合驱动模式下或蓄电池单独 驱动模式下使用。燃料电池产生的直流电通过双
向DC/DC 交换器的变换，被输送至蓄电池系统中， 见图2。
3） 燃料电池与蓄电池双驱动模式
当船舶航行工况所需功率和能量较大时，燃料 电池的产电功率和输出能量远不能满足船舶航行
工况所需功率和能量，燃料电池需配合蓄电池对电
机进行联合供电，以满足船舶航行的需要。另一方 面，船舶在海洋中通常是变工况航行，为避免出现
图1燃料电池单独驱动模式
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