燃料电池及其在船舶上的应用研究

陈璐+++林丞丰

摘 要：随着国际社会对节能减排越来越重视，清洁能源的应用也开始成为社会的关注热点。作为能源消耗巨大的航运业，清洁能源在船舶上的应用显得愈发重要。燃料电池作为新型清洁能源已经在汽车上得到应用，文章根据国内外研究现状，以实际案例对船用燃料电池做出分析，并给出了燃料电池发电系统在船舶应用和船舶布置方面的建议。

关键词：清洁能源；燃料电池；航运业

1 国外燃料电池在船上应用的现状

船用燃料电池的研发开始于21世纪，主要以欧洲造船强国为中心。由挪威船社研制的第一艘通过燃料电池进行供电运行的船舶2009年12月实验运营，这个项目的成功预示着未来船舶动力系统的环保革新。挪威船级社为了研究船舶如何降低排放的难题，在“Viking Lady”号上做了一个试验，以燃料电池组为对象，将该电池组与船舶的推进系统结合，形成了混合动力推进系统，经过实际的运行测试，该电池组为船舶提高了30%的功率，并且安全运行了18500小时。

2 国内燃料电池在船上应用的现状

我国对燃料电池研究相对于国外较晚，经过国内专家多年的研究，在质子交换膜燃料电池上的研究获得了重大的发展，各种燃料电池项目慢慢应用到了相应的设备上，2001年7月由上海交大燃料电池研究所实施的“1～1.5kW熔融碳酸盐燃料电池系统”项目已通过成果鉴定。目前上海海事大学“电力电子与电力传动”学科，在上海市教委的支持下 ，利用重点学科经费，成立了“燃料电池电力推进”实验室，要把燃料电池运用到船舶上来，实现新能源的电力推进。

3 主电源

3.1 主电源的一般要求

（1）主电源装置应能确保为保持船舶处于正常操作状态和满足正常居住条件所必须的所有电气设备供电。

（2）自航船舶应至少设置两组主电源装置。非自航船舶可按使用所需设置主电源装置。

3.2 主电源的配备

（1）对于动力操舵装置、为主机服务的各种辅机、消防泵、舱底泵等船舶正常运行所必需的设备均为电力供电时，应至少设置2台与主机独立的发电机组。

（2）船舶在下列情况之一时，可只设1台与主机独立的发电机组：a.由推进主机带动一套下列设备：舵机油泵、为主机服务的各种辅机、消防泵、舱底泵，且船舶安全所必需的用电设备如航行信号设备、通信和报警设备及照明等能由蓄电池供电时。b.当设置的主机轴带发电机符合《钢质内河船舶建造规范2015综合文本》第3章3.2.3.1及3.2.3.2的规定时。

3.3 燃料电池发电系统标志

对于使用燃料电池发电系统的船舶，根据其不同的供电范围，可授予下列附加标志：

（1）除燃料电池发电系统外，船舶未配置其他动力源，燃料电池发电系统向全船设备（推进、操舵和其他重要设备、应急设备以及其他设备等）供电，并符合本指南规定时——FC-FULL。

（2）船舶配置了柴油发电机组和燃料电池发电系统，燃料电池发电系统向船舶的重要设备供电并符合本指南规定时——FC-POWER 1。

（3）船舶配置了柴油发电机组和燃料电池发电系统，燃料电池发电系统向非重要设备和非应急设备供电并符合本指南规定时——FC-POWER 2。

4 船舶布置

4.1 一般规定

用于气体燃料储存、分配和使用的处所的布置和位置应尽可能减小危险区域的数量和范围。

4.2 燃料电池设备处所

（1）燃料电池设备处所应尽可能有一个简单的几何形状，以便有效通风、避免燃料气体的积聚。可能存在氢气的燃料电池设备处所，其上部不应有阻档结构并且应以平滑天花板向上倾斜至通风出口。大梁或加强筋等支撑结构应位于外部。

（2）燃料电池设备应位于独立的舱室。燃料电池设备的安装处所应位于起居处所、服务处所、机器处所和控制站之外，并且应与这类处所相独立。

（3）燃料电池设备处所根据其处所内供气管路的设计不同可分为如下二种：a.气体安全燃料电池设备处所：处所的布置应使在所有情况下，包括正常和异常情况下，都可视这些处所为气体安全，即：本质气体安全。b.ESD保护的燃料电池设备处所：处所的布置应使这些处所在正常情况下可视为非危险处所，但在特定的异常情况下，其可能成为潜在的危险处所。在出现涉及气体危险的异常情况时，应自动紧急关闭（ESD）非安全设备（着火源），而在这些条件下处于使用或活动状态的设备应为合格防爆型。

4.3 燃料压缩机/泵舱室

（1）燃料压缩机/泵舱室一般应位于开敞甲板。如压缩机/泵舱室位于干舷甲板之下，则其应符合下列要求：a.处所不应与 A 类机器处所相邻。如果通过隔離舱进行隔离，则隔离间距应至少达到900mm且应在机舱一侧设置达到A-60级的绝缘材料。b.处所的限界面包括出入门应为气密型。c.处所应设有从开敞甲板进入的独立通道，该通道应不用于任何其他处所。

（2）如压缩机/泵由穿过舱壁或甲板的轴驱动，则舱壁贯穿件应为气密型，以防止燃料气体泄入轴动力所在舱室。

4.4 燃料储罐及舱室

（1）除本章另有规定外，液化气体燃料储罐可按CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》的相关要求或公认标准的相关要求；压缩气体燃料储罐可按 CCS《钢质海船入级规范》第6章压力容器的相关要求或公认标准的相关要求。

（2）燃料储罐应安装CCS《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》第8章所要求的压力释放阀。

压力释放阀的气体出口一般应至少高出露天甲板B/3或6m，取其大者，并应高出工作区域和舷梯6m，其中B为船舶的最大型宽，单位为m。

（3）压缩或液化的燃料通常应储存在主甲板以上位置，一般压缩气体不应储存在主甲板以下。位于主甲板以下的燃料储罐最大设计压力一般不超过10bar。

（4）燃料储罐的布置应尽可能靠近船舶中纵线，并应至少符合如下要求：a.距离船侧不小于B/5和11.5m中的较小者。b.距离船底板不小于B/15和2m中的较小者；c.距离船壳板任何位置不小于800mm。

（5）位于主甲板以下的燃料储罐舱室尚应符合4.3.1（2）和（3）的要求。

（6）燃料储罐的接头、法兰和阀等附件，如未布置在开敞甲板上，则应封闭在燃料储罐连接处所内。该处所应能安全地容纳燃料储罐接头处可能产生的泄漏，其限界面材料应与燃料储罐有相同的设计温度，且该处所应设计成能经受住最大累积压力，或者可以设置通向一个安全位置（如透气桅）的压力释放装置。

（7）燃料储罐连接处所的限界面包括出入门（如设有）、通道、防火结构以及气体探测系统应与燃料储罐舱室相同。

（8）如液化气体燃料储罐位于开敞甲板，则船体钢结构应由滴盘进行保护以防来自舱柜接头和其他泄漏源的潜在泄漏。材料设计温度应与所携带燃料在大气压下的温度一致。

5 建议方案

（1）为确保船舶的正常运行和日常生活所需，建议把燃料电池发电系统作为船舶辅电源。（2）为了船舶的安全和正常行驶，建议单独设一间燃料电池间，将氢燃料电池设备安装在氢燃料电池间内，使其有效通风、避免燃料气体的积聚，尽可能减小危险区域的数量和范围。