燃料电池技术在船舶电力推进系统中的应用分析

刘子杨，翁方龙，李玉生，汤 涛，刘仲祥

燃料电池技术在船舶电力推进系统中的应用分析

刘子杨1，翁方龙2，李玉生1，汤 涛2，刘仲祥2

（1. 海装驻大连地区第一军事代表室，大连 116000；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

本文针对燃料电池技术在民用船舶和军舰动力系统中的应用前景展开分析，主要讨论了质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的技术特点，及其应用中的优势和限制条件；重点分析了燃料电池在船舶推进系统中使用的燃料适用性问题，以及动力电力系统设计、运行和控制方面的问题。分析认为，固体氧化物燃料电池技术在船用环境适应性方面具有一定优势，在总体设计方面需要关注与其他动力源装置的协同互补，在运行安全方面需要解决多约束条件下的控制和管理技术。

燃料电池 固体氧化物 电力推进 舰船 控制和管理

0 引言

电力推进技术是当前船舶发展的重要方向之一，在民用船舶和军舰都受到越来越多的关注。民用船舶采用电力推进技术的主要目的在于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。近年来，我国已开始陆续出现采用动力电池推进中小型纯电动客船，以及采用柴油机发电的综合电力推进游船，海工船舶也越来越多的采用电力推进系统，并且逐渐开始由交流组网电力推进发展为直流组网电力推进[1]。挪威Hurtigruten邮轮公司的某万吨级邮轮将采用混合动力推进，可采用纯电力推进运行半小时以上[2]。军舰上应用综合电力系统是新一代舰船的显著特点之一，能够满足未来舰用高能武器和雷达发展应用的需求，并提高船舶的安静性和隐身性。例如，美国朱姆沃尔特级驱逐舰（DDG1000），以及英国伊丽莎白女王级航空母舰，均采用了综合电力推进系统设计。

电力推进系统的动力源，除了采用柴油机、燃气轮机等常规热机，还能够采用燃料电池、储能电池、可再生能源发电装置等作为主动力或辅助动力。借助于综合电力系统技术的发展，燃料电池技术将可能充分发挥其独有优势，成为船用新型动力源系统的发展方向之一。燃料电池在污染物排放、燃料经济性和振动、噪声指标等方面，都具有突出优势，目前正处于关键技术研究和规模化示范应用的快速发展期，相关技术发展如何支撑未来船用动力的发展是本文研究的重点。

早在上世纪90年代，我国学者就对燃料电池用于电力推进的可能性进行相关分析[3,4]，二十多年来燃料电池技术的发展已有显著突破，并且技术方向也发生较大变化。燃料电池技术发展初期，主要以航空航天为应用背景，技术路线以常温碱性氢氧燃料电池为主，而当前应用背景主要为车用动力装置和大规模发电系统，主要技术路线分别为质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。目前关于燃料电池技术在船用方面的应用研究和分析，多关注于其使用成本问题，缺乏对船舶适用性问题的深入探讨。本文将结合这两种燃料电池技术特点，进一步探讨其在船舶电力推进系统中应用的适用性问题。

1 燃料电池技术

燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，一般由阴极、阳极、电解质（或质子传导膜）等构成。连续供应的燃料与空气（或氧气）分别在阳极和阴极，在不直接混合的条件下发生电化学反应，这个过程借助于电解质传递阴离子或阳离子。根据电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池（SOFC）等，其中后两者也称为高温燃料电池（运行温度600 ℃以上）。PEMFC和SOFC目前发展较快，并且具有商业化潜力，前者是目前车用燃料电池的主要发展方向，例如日本丰田公司推出的Mirai汽车，后者主要应用背景是重要场合应急电源和建筑热电联供系统，例如美国Bloom能源公司为银行和数据中心提供的200 kW~1 MW发电站[5]。

图1 两种燃料电池原理（电解质传递质子，或氧离子）

1.1 质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要特点是采用质子交换膜来传导氢离子，并且隔离燃料和空气。膜必须能够抵抗阴极处的还原环境以及阳极处的氧化环境。目前质子交换膜主要采用的是聚合物材料，其工作时需要处于一定的水蒸汽环境才能实现较优的性能。PEMFC一般在常温下工作，使用纯氢气作为燃料，需要使用贵金属催化剂（主要是铂Pt）以使得燃料在较低温度下活化成为氢离子，这带来两个问题，一方面是催化剂成本高昂，目前研究主要是通过制备催化剂纳米颗粒提高比表面积，或者开发新型铂合金材料用于提高催化效率，减少铂的使用量，降低成本；另一方面是极低的CO含量即可带来显著的催化活性降低，一般要求燃料中CO含量不超过百万分之一，通过催化剂结构改进可以在一定程度上减缓催化剂中毒的过程，但从原理上很难完全避免此过程，因此PEMFC只能使用纯度要求非常高的氢气源。

1.2 固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（SOFC）主要特点是采用固态导电陶瓷作为电解质来传导阴极产生的氧离子，常见的电解质材料包括参杂的氧化锆，参杂的氧化铈等。其阳极常采用金属-陶瓷复合电极材料，阴极可采用掺杂的LaMnO3和LaCoO3型钙钛矿系列材料。阳极-电解质-阴极形成的分层结构中，由于陶瓷材料和金属材料同时存在，SOFC设计需要解决各层材料的热膨胀匹配性问题，以提高结构的稳定性。SOFC运行温度较高，一般550~850℃，目前有朝着低温化发展的趋势，它可以不使用铂等贵金属催化剂，因此也没有催化剂中毒的问题，其燃料适应性更强，可直接使用氢气、一氧化碳、甲烷、甲醇等作为燃料。基于这样的特性，结合燃料重整技术，SOFC系统未来有望使用更复杂的碳氢化合物、燃油等作为燃料。

1.3 燃料电池应用特点

燃料电池技术应用于船舶动力电力系统，可能有以下显著优势：

1） 满足日益严格的污染物排放要求。燃料电池运行温度相比内燃机中燃料燃烧的温度要低很多，烟气中NOx污染物的含量极低，不需要加装任何尾气处理装置即可满足未来国际防止船舶污染公约IMO Tier III甚至更严格的污染物排放限制要求。因此也不需要安装机组排气脱硝系统，能够节约大量的空间和重量资源。

2） 燃料电池运行的安静性。燃料电池自身不存在旋转或往复运动部件，辅助系统一般也不需要采用非常大功率的泵、风机等设备，因此运行振动和噪声水平很低。对于民船，这意味着不需要安装占用较大上层甲板空间资源的排气消音器等设备；对于军用舰艇，则能够大大提高其声隐身性能，也有助于提高自身的反潜能力，正是因为如此，燃料电池在潜艇的应用受到较多关注，例如已服役的德国212型潜艇就采用了9个34 kW的质子交换膜燃料电池装置，用于低噪声推进。

3） 燃料电池装置通过多电堆串并联实现较大功率等级输出，多电堆的空间布置灵活，可根据船舶特点设采用集中式或分布式布置方式，因此对于船型的适应性较好，而不像柴油机等大功率机组设备外形尺寸不可更改，往往只能将机组集中布置在底层，导致进排气系统需要经过较长的距离才能与大气相通，增加了进排气系统阻力，也会占用较大的上层建筑空间。

4） 燃料电池对于能源利用效率提升明显。一方面是因为燃料电池技术不受卡诺循环效率限制，本身效率可以远高于内燃机，可达60%~85%；另一方面是因为其部分负荷性能优异，全工况范围内效率均可保持在较高水平，甚至在低工况时运行效率还相对更高，因此整个运行周期内的能量利用率将显著提高。后一特性还能使得船舶动力电力系统的设计更为精简，不需要考虑全工况和部分工况下的机组切换，以及大、小机组的功率匹配等问题。

5） 燃料电池装置作为动力源对船舶安全运行的限制也较少。由于燃料电池的输出与电力系统直接相连，无大惯性的旋转机械部件，通过切断燃料供应即可快速切断电力输出，因此主动力源的安全停机保护限制也减少。

2 燃料适用性

燃料适用性是决定燃料电池技术能否在船舶系统中较大规模、长期使用，以及其经济性和安全性的最主要因素。目前PEMFC还只能用纯氢作燃料，燃料成本较高，作为大规模舰用能源的安全风险也较大。氢气的体积能量密度较低是影响其作为船用燃料适用性的主要因素之一。为了将氢气体积能量密度提高到实际可接受的范围，需要通过液化或者压缩的方式储存。氢气沸点非常低，约为-253 ℃，相比氢气本身储存的化学能，将氢气液化所需能量达到30%[6]。船舶如果专门配置低温液氢储存系统，将带来显著的成本提高和并且占用较多空间资源，同时对储存舱和输运管路的绝热条件要求很高，不可避免的局部传热导致液氢气化使得系统内压力显著升高，为安全起见需要考虑定期泄压，这既是不经济的也是比较危险的过程。压缩储氢方案可以参考目前车用氢能存储方案：将氢气压缩至70 MPa储存，这一压力适合家用轿车空间满足6 kg左右的氢气装载需求，提供约120 kWh的电力输出。对于船用需求，需要实现较大规模氢气存储，70 MPa高压存在较大安全性风险，并且需要采用大量碳纤维包覆的压力罐。

目前也有研究有机溶液储氢和金属合金储氢等技术[7,8]。有机溶剂储氢是能够实现较大规模存储、运输和安全使用氢能的方式之一，目前研究的常用溶剂的理论储氢量在3~7.5%范围。即使按照最高储氢量计算，携带相同能量的燃料，有机溶剂储氢相比常规燃油也至少需要占用3倍以上的存储空间。金属合金储氢技术理论储氢量可达18%，主要用于储氢稳定性要求更高的场合，考虑其应用的经济性和技术成熟度，现阶段还不适宜作为大规模舰用能源存储方式。压缩氢气与LNG、常规船用柴油的体积能量密度比较如图2所示。可以看出，船舶直接携带氢燃料将占用数倍于现有燃油舱的体积，而考虑安全性要求，氢燃料也不适宜直接存储于船体底舱，这将给船舶的燃料存储系统设计带来较大困难。

图2 几种常用燃料能量密度比较

根据上述分析可以看出，船舶系统中使用燃料电池时不适宜直接采用氢气作为燃料。结合不同类型燃料电池的特点可以有两种解决思路：一是采用燃料重整技术（参见图3），将常规液态燃料转化为H2和CO等气体后使用；二是采用SOFC等可以直接使用常规化石燃料的技术。对于前一种方案，PEMFC只能使用重整产物中的H2，CO等，一部分其他气体燃料被浪费，导致整体能量效率较低。对于后者，SOFC有可能采用甲醇、丙烷等液体燃料气化后直接使用[9,10]。SOFC使用柴油等更复杂的化石燃料时，也需要通过燃料重整这种方案能够较好的适应船用能源储存要求。研究表明，采用柴油作为燃料的船用PEMFC系统相比SOFC系统，整体能量利用效率低15%~20%。

需要注意到的是，常规液态化石燃料的使用中需要克服电极积碳问题，这种现象在使用高碳烷烃、烯烃类燃料时较显著，因此采用低碳醇、烷烃类直接作为燃料更适合用于SOFC技术。实验研究表明，直接使用甲醇、乙醇等燃料的SOFC可以获得稳定的输出，并且不会有明显的积碳问题；同时，通过燃料加湿处理，使用添加金属元素（例如铜、钴等）或者金属氧化物的电池阳极也能有效提升抗积碳性能。

表2 不同动力装置能源转换效率比较

图3 用于燃料电池的燃料重整技术[11]

此外，将前述两种方案结合，使用常规燃油进行在线燃料重整，将H2、CO等产物作为SOFC的燃料，也能够较好地满足船舶应用的燃料适用性要求。如图3所示为一个典型的燃料电池发电系统组成示意图，燃料在进入SOFC装置前通过预热到合适的温度，在重整器中进行燃料转化。这种方案用于船舶系统，需要解决的是燃料重整与SOFC过程的匹配控制与实时调整等技术问题，以提高全工况运行范围内燃料利用率。燃料重整技术包括催化氧化重整、自热重整、水蒸气重整，其中水蒸气重整技术要求温度较低，技术相对成熟。而在上述直接碳氢燃料SOFC发电技术中，实际是将燃料重整过程与H2、CO发电过程集成到SOFC内部结构中同时完成，主要采用催化氧化重整和自热重整技术。如果采用水蒸气重整，则需要发展低温SOFC才能实现直接在SOFC内部电极材料催化作用下实现重整。

3 电力推进系统适应性

燃料电池技术应用于船舶电力推进系统，能够进一步提升能源经济性方面的优势。考虑燃料电池技术当前的发展水平和船舶电力推进技术的特点，有以下三个方面问题值得探讨。

3.1 功率等级

目前商业应用的燃料电池发电站系统，功率可达兆瓦级，但是用于汽车、船舶等行业作为动力源，已见报道的功率一般不超过300 kW，并且多为示范性应用研究项目。例如，德国Nemo H2项目，测试了采用60 kW的燃料电池发电装置在小型客船动力系统中的应用；RiverCell研究项目，在内河巡逻船的混合动力系统中采用了250 kW的甲醇燃料电池装置。

总体来看，目前燃料电池发电系统在船舶动力中应用的功率等级还较小，一方面是燃料电池生产的技术成熟度和商业化程度不高，导致其应用成本过高，另一方面是船用环境对燃料电池运行的稳定性和安全性提出了更高的要求，燃料电池单体发电功率较低，大功率发电系统需要串并联大量的电池单元达到输出电压和功率需求，各电池单元的一致性问题还需要开发先进的系统运行控制技术来实现。对于船用动力源装置，系统功率达到1 MW级时，才有可能被更广泛的用于替代柴油发电机等装置。因此近期燃料电池系统在船舶电力推进系统中的应用，更有可能是采用燃料电池作为常规主动力装置的补充，用于部分负荷经济航行，或作为备用动力源。例如，船舶靠离码头、锚泊作业时，功率远低于正常航行，此时可采用燃料电池发电系统满足使用需求。

3.2 动力系统形式

燃料电池作为动力推进系统能量发生装置，需要考虑其工况调节过程与船舶航行机动性的匹配性。特别是对于SOFC系统，其变工况调节过程特征时间大于10秒，实际应用中还需要受到安全控制系统和热平衡管理系统的制约，较大范围工况调节时间往往需要数分钟，对于启动过程，还要求堆电池堆预热到较高温度，其要求时间更长，一般需要10分钟以上。而作为对比，目前柴油发电机组的工况调节只需要数秒即可完成。为了克服这一问题，需要考虑将燃料电池系统与其他动力源装置结合使用。

第一种是采用柴电-燃料电池混合电力推进，在机动性航行需求较高时主要采用柴油机进行工况调节。这种混合电力推进形式，相比于柴电-储能电池推进系统，既可以根据负荷大小选择供电模式，又可以提高稳定航行工况下的燃油经济性；相比于纯电动船，它的初期投入成本更低，且续航能力更强。

第二种方式是采用SOFC系统与燃气轮机结合[12,13]，如图5所示，燃料电池与微型燃气轮机联合循环工作，燃气轮机压气机出来的压缩空气，经过燃料电池尾气余热利用换热器后进入燃料电池阴极反应，尾气补燃后进入燃气轮机透平做功。在调节工况时，主要通过调节燃气轮机运行工况实现，而进入SOFC装置的空气和燃料流量可以通过控制系统较缓慢的调节到最优匹配工况运行。

第三种应用方式是在综合电力系统中采用燃料电池发电技术。通过综合电力系统，实现燃料电池发电系统与常规动力源装置结合，能够更好地发挥各自优势，在满足不同工况下运行需求的同时，实现综合能量利用效率和提升。新一代综合电力系统，采用中压直流母线供电技术，也便于燃料电池装置产生的直流电通过变流器后直接接入电网。燃料电池系统接入直流电网需要提高电池堆-电网的直接反馈控制技术。由于燃料电池装置相比柴油机等常规内燃机发电装置，不存在机械传动和离合控制装置，因此其输出电压、电流特性是与电网直接耦合控制的。一般而言，燃料电池发电装置通过控制功率输出，但由于输出电流和电压是耦合同步变化的，因此调节功率过程中也需要考虑并入电网电压的输出调节。

图4 一个典型SOFC发电系统组成示意图

图5 一个典型SOFC-燃气轮机联合循环系统

3.3 控制和管理技术

燃料电池发电系统的控制和管理即使为了实现最佳效率输出，也是其安全运行所必须重视的研究内容。如图4所示，燃料电池发电控制系统对水、气、热、电等多个过程进行动态管控与调节，需要同时考虑多个变量和多个约束条件[14,15]。燃料电池运行的最优工作点设计和联控曲线较为复杂，需要根据实际系统特点和运行需求设计多变量控制技术。在工况切换过程中，运行工况动态调节往往难以同时满足最优工况和安全性约束要求，可能需要先偏移最优工作点，然后再通过多变量协同控制向最优工况点靠近，具体调节过程需要根据燃料电池实际运行环境和安全性优先级进行设计。

燃料电池的成组管理技术是其大规模应用所必须考虑的问题。燃料电池技术共同的特点是单体电压较低，PEMFC小于1 V，SOFC一般也在1 V左右，因此需要把成千上万个单体燃料电池来形成足够大的功率和电压。这要求每个单体都有较高一致的阻抗特性和电化学特性，运行过程中单个电池的失效或异常如果控制不当，可能引起连锁反应，危及整个系统安全。

为了维持各燃料电池单体都具有较优的运行状态，热管理技术也是一项重要的研究内容。为了实现良好的热平衡特性，需要通过鼓风机来的进入预热器空气和旁通空气相对比例控制电堆入口温度同时反应气流速度也需要协同进行控制，因为反应物在电堆内重整或电化学反应过程中一般都伴随着较明显的吸热或放热过程，反应气流速度变化可能使得局部温度过高或者过低，形成较大的温度梯度，对电池的运行寿命及安全性不利。

4 结论

燃料电池技术由于其高效、安静、清洁等方面的优势，受到船舶动力技术领域越来越多的关注和研究。本文对比了两种目前研究较多的燃料电池技术特点，从燃料适应性方面来考虑，其中SOFC在大规模船用发电系统应用方面具有一定优势。从燃料电池系统的功率等级和机动性等方面的技术发展现状来分析，提出了三种燃料电池技术应用于船舶电力推进系统的方式，包括柴电-燃料电池混合电力推进、燃料电池-燃气轮机联合循环，以及接入综合电力系统应用。针对不同吨位和用途的船舶，可以采用不同的电力推进系统形式。此外，在船舶修理或加改装过程中，为了满足电力推进功率扩容的要求，也可以考虑采用燃料电池技术，由于其模块化的特点，可以不受机舱或电站的限制，容易实现发电系统灵活布置。

虽然目前燃料电池动力装置功率密度、经济性还无法与内燃机竟争，但是随着技术的快速发展以及减少污染物排放的要求，其大规模应用还是非常有潜力的。尤其是考虑到当前PEMFC在汽车领域大规模商业应用前景可期，SOFC也进入了商业化发展的快车道，美、日、中等国都有大量企业积极开展相关应用技术研究的情况下，船舶电力推进系统中应用燃料电池技术也将具备较好的基础。在解决燃料适用性、系统运行控制和管理技术等技术问题后，船舶燃料电池技术的应用也将进一步发展。

[1] “彩虹鱼”号科考船电力推进系统, http://www.csic-cse.com/index.php/Index/news_show/aid/322.html.

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Analysis of Fuel Cell Technology Application in Marine Electric Propulsion System

Liu Ziyang1, Weng Fanglong2, Li Yusheng1, Tang Tao2, Liu Zhongxiang2

（1 The First Military Deputy Office of Plan Equipment Department in Dalian, Dalian 116000, China; 2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

TM911.4

A

1003-4862（2019）11-0006-06

2019-05-21

刘子杨（1989-），男，助理工程师。研究方向：船舶动力工程。E-mail: 263069768@qq.com