燃料電池技術在船舶電力推進系統中的應用分析

劉子楊，翁方龍，李玉生，湯 濤，劉仲祥

燃料電池技術在船舶電力推進系統中的應用分析

劉子楊1，翁方龍2，李玉生1，湯 濤2，劉仲祥2

（1. 海裝駐大連地區第一軍事代表室，大連 116000；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

本文針對燃料電池技術在民用船舶和軍艦動力系統中的應用前景展開分析，主要討論了質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池的技術特點，及其應用中的優勢和限制條件；重點分析了燃料電池在船舶推進系統中使用的燃料適用性問題，以及動力電力系統設計、運行和控制方面的問題。分析認為，固體氧化物燃料電池技術在船用環境適應性方面具有一定優勢，在總體設計方面需要關注與其他動力源裝置的協同互補，在運行安全方面需要解決多約束條件下的控制和管理技術。

燃料電池 固體氧化物 電力推進 艦船 控制和管理

0 引言

電力推進技術是當前船舶發展的重要方向之一，在民用船舶和軍艦都受到越來越多的關注。民用船舶采用電力推進技術的主要目的在于滿足日益嚴格的污染物排放要求和低噪音環境舒適性方面的考慮。近年來，我國已開始陸續出現采用動力電池推進中小型純電動客船，以及采用柴油機發電的綜合電力推進游船，海工船舶也越來越多的采用電力推進系統，并且逐漸開始由交流組網電力推進發展為直流組網電力推進[1]。挪威Hurtigruten郵輪公司的某萬噸級郵輪將采用混合動力推進，可采用純電力推進運行半小時以上[2]。軍艦上應用綜合電力系統是新一代艦船的顯著特點之一，能夠滿足未來艦用高能武器和雷達發展應用的需求，并提高船舶的安靜性和隱身性。例如，美國朱姆沃爾特級驅逐艦（DDG1000），以及英國伊麗莎白女王級航空母艦，均采用了綜合電力推進系統設計。

電力推進系統的動力源，除了采用柴油機、燃氣輪機等常規熱機，還能夠采用燃料電池、儲能電池、可再生能源發電裝置等作為主動力或輔助動力。借助于綜合電力系統技術的發展，燃料電池技術將可能充分發揮其獨有優勢，成為船用新型動力源系統的發展方向之一。燃料電池在污染物排放、燃料經濟性和振動、噪聲指標等方面，都具有突出優勢，目前正處于關鍵技術研究和規模化示范應用的快速發展期，相關技術發展如何支撐未來船用動力的發展是本文研究的重點。

早在上世紀90年代，我國學者就對燃料電池用于電力推進的可能性進行相關分析[3,4]，二十多年來燃料電池技術的發展已有顯著突破，并且技術方向也發生較大變化。燃料電池技術發展初期，主要以航空航天為應用背景，技術路線以常溫堿性氫氧燃料電池為主，而當前應用背景主要為車用動力裝置和大規模發電系統，主要技術路線分別為質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。目前關于燃料電池技術在船用方面的應用研究和分析，多關注于其使用成本問題，缺乏對船舶適用性問題的深入探討。本文將結合這兩種燃料電池技術特點，進一步探討其在船舶電力推進系統中應用的適用性問題。

1 燃料電池技術

燃料電池能夠將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置，一般由陰極、陽極、電解質（或質子傳導膜）等構成。連續供應的燃料與空氣（或氧氣）分別在陽極和陰極，在不直接混合的條件下發生電化學反應，這個過程借助于電解質傳遞陰離子或陽離子。根據電解質的不同，燃料電池可分為質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）等，其中后兩者也稱為高溫燃料電池（運行溫度600 ℃以上）。PEMFC和SOFC目前發展較快，并且具有商業化潛力，前者是目前車用燃料電池的主要發展方向，例如日本豐田公司推出的Mirai汽車，后者主要應用背景是重要場合應急電源和建筑熱電聯供系統，例如美國Bloom能源公司為銀行和數據中心提供的200 kW~1 MW發電站[5]。

圖1 兩種燃料電池原理（電解質傳遞質子，或氧離子）

1.1 質子交換膜燃料電池

質子交換膜燃料電池（PEMFC）主要特點是采用質子交換膜來傳導氫離子，并且隔離燃料和空氣。膜必須能夠抵抗陰極處的還原環境以及陽極處的氧化環境。目前質子交換膜主要采用的是聚合物材料，其工作時需要處于一定的水蒸汽環境才能實現較優的性能。PEMFC一般在常溫下工作，使用純氫氣作為燃料，需要使用貴金屬催化劑（主要是鉑Pt）以使得燃料在較低溫度下活化成為氫離子，這帶來兩個問題，一方面是催化劑成本高昂，目前研究主要是通過制備催化劑納米顆粒提高比表面積，或者開發新型鉑合金材料用于提高催化效率，減少鉑的使用量，降低成本；另一方面是極低的CO含量即可帶來顯著的催化活性降低，一般要求燃料中CO含量不超過百萬分之一，通過催化劑結構改進可以在一定程度上減緩催化劑中毒的過程，但從原理上很難完全避免此過程，因此PEMFC只能使用純度要求非常高的氫氣源。

1.2 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池（SOFC）主要特點是采用固態導電陶瓷作為電解質來傳導陰極產生的氧離子，常見的電解質材料包括參雜的氧化鋯，參雜的氧化鈰等。其陽極常采用金屬-陶瓷復合電極材料，陰極可采用摻雜的LaMnO3和LaCoO3型鈣鈦礦系列材料。陽極-電解質-陰極形成的分層結構中，由于陶瓷材料和金屬材料同時存在，SOFC設計需要解決各層材料的熱膨脹匹配性問題，以提高結構的穩定性。SOFC運行溫度較高，一般550~850℃，目前有朝著低溫化發展的趨勢，它可以不使用鉑等貴金屬催化劑，因此也沒有催化劑中毒的問題，其燃料適應性更強，可直接使用氫氣、一氧化碳、甲烷、甲醇等作為燃料。基于這樣的特性，結合燃料重整技術，SOFC系統未來有望使用更復雜的碳氫化合物、燃油等作為燃料。

1.3 燃料電池應用特點

燃料電池技術應用于船舶動力電力系統，可能有以下顯著優勢：

1） 滿足日益嚴格的污染物排放要求。燃料電池運行溫度相比內燃機中燃料燃燒的溫度要低很多，煙氣中NOx污染物的含量極低，不需要加裝任何尾氣處理裝置即可滿足未來國際防止船舶污染公約IMO Tier III甚至更嚴格的污染物排放限制要求。因此也不需要安裝機組排氣脫硝系統，能夠節約大量的空間和重量資源。

2） 燃料電池運行的安靜性。燃料電池自身不存在旋轉或往復運動部件，輔助系統一般也不需要采用非常大功率的泵、風機等設備，因此運行振動和噪聲水平很低。對于民船，這意味著不需要安裝占用較大上層甲板空間資源的排氣消音器等設備；對于軍用艦艇，則能夠大大提高其聲隱身性能，也有助于提高自身的反潛能力，正是因為如此，燃料電池在潛艇的應用受到較多關注，例如已服役的德國212型潛艇就采用了9個34 kW的質子交換膜燃料電池裝置，用于低噪聲推進。

3） 燃料電池裝置通過多電堆串并聯實現較大功率等級輸出，多電堆的空間布置靈活，可根據船舶特點設采用集中式或分布式布置方式，因此對于船型的適應性較好，而不像柴油機等大功率機組設備外形尺寸不可更改，往往只能將機組集中布置在底層，導致進排氣系統需要經過較長的距離才能與大氣相通，增加了進排氣系統阻力，也會占用較大的上層建筑空間。

4） 燃料電池對于能源利用效率提升明顯。一方面是因為燃料電池技術不受卡諾循環效率限制，本身效率可以遠高于內燃機，可達60%~85%；另一方面是因為其部分負荷性能優異，全工況范圍內效率均可保持在較高水平，甚至在低工況時運行效率還相對更高，因此整個運行周期內的能量利用率將顯著提高。后一特性還能使得船舶動力電力系統的設計更為精簡，不需要考慮全工況和部分工況下的機組切換，以及大、小機組的功率匹配等問題。

5） 燃料電池裝置作為動力源對船舶安全運行的限制也較少。由于燃料電池的輸出與電力系統直接相連，無大慣性的旋轉機械部件，通過切斷燃料供應即可快速切斷電力輸出，因此主動力源的安全停機保護限制也減少。

2 燃料適用性

燃料適用性是決定燃料電池技術能否在船舶系統中較大規模、長期使用，以及其經濟性和安全性的最主要因素。目前PEMFC還只能用純氫作燃料，燃料成本較高，作為大規模艦用能源的安全風險也較大。氫氣的體積能量密度較低是影響其作為船用燃料適用性的主要因素之一。為了將氫氣體積能量密度提高到實際可接受的范圍，需要通過液化或者壓縮的方式儲存。氫氣沸點非常低，約為-253 ℃，相比氫氣本身儲存的化學能，將氫氣液化所需能量達到30%[6]。船舶如果專門配置低溫液氫儲存系統，將帶來顯著的成本提高和并且占用較多空間資源，同時對儲存艙和輸運管路的絕熱條件要求很高，不可避免的局部傳熱導致液氫氣化使得系統內壓力顯著升高，為安全起見需要考慮定期泄壓，這既是不經濟的也是比較危險的過程。壓縮儲氫方案可以參考目前車用氫能存儲方案：將氫氣壓縮至70 MPa儲存，這一壓力適合家用轎車空間滿足6 kg左右的氫氣裝載需求，提供約120 kWh的電力輸出。對于船用需求，需要實現較大規模氫氣存儲，70 MPa高壓存在較大安全性風險，并且需要采用大量碳纖維包覆的壓力罐。

目前也有研究有機溶液儲氫和金屬合金儲氫等技術[7,8]。有機溶劑儲氫是能夠實現較大規模存儲、運輸和安全使用氫能的方式之一，目前研究的常用溶劑的理論儲氫量在3~7.5%范圍。即使按照最高儲氫量計算，攜帶相同能量的燃料，有機溶劑儲氫相比常規燃油也至少需要占用3倍以上的存儲空間。金屬合金儲氫技術理論儲氫量可達18%，主要用于儲氫穩定性要求更高的場合，考慮其應用的經濟性和技術成熟度，現階段還不適宜作為大規模艦用能源存儲方式。壓縮氫氣與LNG、常規船用柴油的體積能量密度比較如圖2所示。可以看出，船舶直接攜帶氫燃料將占用數倍于現有燃油艙的體積，而考慮安全性要求，氫燃料也不適宜直接存儲于船體底艙，這將給船舶的燃料存儲系統設計帶來較大困難。

圖2 幾種常用燃料能量密度比較

根據上述分析可以看出，船舶系統中使用燃料電池時不適宜直接采用氫氣作為燃料。結合不同類型燃料電池的特點可以有兩種解決思路：一是采用燃料重整技術（參見圖3），將常規液態燃料轉化為H2和CO等氣體后使用；二是采用SOFC等可以直接使用常規化石燃料的技術。對于前一種方案，PEMFC只能使用重整產物中的H2，CO等，一部分其他氣體燃料被浪費，導致整體能量效率較低。對于后者，SOFC有可能采用甲醇、丙烷等液體燃料氣化后直接使用[9,10]。SOFC使用柴油等更復雜的化石燃料時，也需要通過燃料重整這種方案能夠較好的適應船用能源儲存要求。研究表明，采用柴油作為燃料的船用PEMFC系統相比SOFC系統，整體能量利用效率低15%~20%。

需要注意到的是，常規液態化石燃料的使用中需要克服電極積碳問題，這種現象在使用高碳烷烴、烯烴類燃料時較顯著，因此采用低碳醇、烷烴類直接作為燃料更適合用于SOFC技術。實驗研究表明，直接使用甲醇、乙醇等燃料的SOFC可以獲得穩定的輸出，并且不會有明顯的積碳問題；同時，通過燃料加濕處理，使用添加金屬元素（例如銅、鈷等）或者金屬氧化物的電池陽極也能有效提升抗積碳性能。

表2 不同動力裝置能源轉換效率比較

圖3 用于燃料電池的燃料重整技術[11]

此外，將前述兩種方案結合，使用常規燃油進行在線燃料重整，將H2、CO等產物作為SOFC的燃料，也能夠較好地滿足船舶應用的燃料適用性要求。如圖3所示為一個典型的燃料電池發電系統組成示意圖，燃料在進入SOFC裝置前通過預熱到合適的溫度，在重整器中進行燃料轉化。這種方案用于船舶系統，需要解決的是燃料重整與SOFC過程的匹配控制與實時調整等技術問題，以提高全工況運行范圍內燃料利用率。燃料重整技術包括催化氧化重整、自熱重整、水蒸氣重整，其中水蒸氣重整技術要求溫度較低，技術相對成熟。而在上述直接碳氫燃料SOFC發電技術中，實際是將燃料重整過程與H2、CO發電過程集成到SOFC內部結構中同時完成，主要采用催化氧化重整和自熱重整技術。如果采用水蒸氣重整，則需要發展低溫SOFC才能實現直接在SOFC內部電極材料催化作用下實現重整。

3 電力推進系統適應性

燃料電池技術應用于船舶電力推進系統，能夠進一步提升能源經濟性方面的優勢。考慮燃料電池技術當前的發展水平和船舶電力推進技術的特點，有以下三個方面問題值得探討。

3.1 功率等級

目前商業應用的燃料電池發電站系統，功率可達兆瓦級，但是用于汽車、船舶等行業作為動力源，已見報道的功率一般不超過300 kW，并且多為示范性應用研究項目。例如，德國Nemo H2項目，測試了采用60 kW的燃料電池發電裝置在小型客船動力系統中的應用；RiverCell研究項目，在內河巡邏船的混合動力系統中采用了250 kW的甲醇燃料電池裝置。

總體來看，目前燃料電池發電系統在船舶動力中應用的功率等級還較小，一方面是燃料電池生產的技術成熟度和商業化程度不高，導致其應用成本過高，另一方面是船用環境對燃料電池運行的穩定性和安全性提出了更高的要求，燃料電池單體發電功率較低，大功率發電系統需要串并聯大量的電池單元達到輸出電壓和功率需求，各電池單元的一致性問題還需要開發先進的系統運行控制技術來實現。對于船用動力源裝置，系統功率達到1 MW級時，才有可能被更廣泛的用于替代柴油發電機等裝置。因此近期燃料電池系統在船舶電力推進系統中的應用，更有可能是采用燃料電池作為常規主動力裝置的補充，用于部分負荷經濟航行，或作為備用動力源。例如，船舶靠離碼頭、錨泊作業時，功率遠低于正常航行，此時可采用燃料電池發電系統滿足使用需求。

3.2 動力系統形式

燃料電池作為動力推進系統能量發生裝置，需要考慮其工況調節過程與船舶航行機動性的匹配性。特別是對于SOFC系統，其變工況調節過程特征時間大于10秒，實際應用中還需要受到安全控制系統和熱平衡管理系統的制約，較大范圍工況調節時間往往需要數分鐘，對于啟動過程，還要求堆電池堆預熱到較高溫度，其要求時間更長，一般需要10分鐘以上。而作為對比，目前柴油發電機組的工況調節只需要數秒即可完成。為了克服這一問題，需要考慮將燃料電池系統與其他動力源裝置結合使用。

第一種是采用柴電-燃料電池混合電力推進，在機動性航行需求較高時主要采用柴油機進行工況調節。這種混合電力推進形式，相比于柴電-儲能電池推進系統，既可以根據負荷大小選擇供電模式，又可以提高穩定航行工況下的燃油經濟性；相比于純電動船，它的初期投入成本更低，且續航能力更強。

第二種方式是采用SOFC系統與燃氣輪機結合[12,13]，如圖5所示，燃料電池與微型燃氣輪機聯合循環工作，燃氣輪機壓氣機出來的壓縮空氣，經過燃料電池尾氣余熱利用換熱器后進入燃料電池陰極反應，尾氣補燃后進入燃氣輪機透平做功。在調節工況時，主要通過調節燃氣輪機運行工況實現，而進入SOFC裝置的空氣和燃料流量可以通過控制系統較緩慢的調節到最優匹配工況運行。

第三種應用方式是在綜合電力系統中采用燃料電池發電技術。通過綜合電力系統，實現燃料電池發電系統與常規動力源裝置結合，能夠更好地發揮各自優勢，在滿足不同工況下運行需求的同時，實現綜合能量利用效率和提升。新一代綜合電力系統，采用中壓直流母線供電技術，也便于燃料電池裝置產生的直流電通過變流器后直接接入電網。燃料電池系統接入直流電網需要提高電池堆-電網的直接反饋控制技術。由于燃料電池裝置相比柴油機等常規內燃機發電裝置，不存在機械傳動和離合控制裝置，因此其輸出電壓、電流特性是與電網直接耦合控制的。一般而言，燃料電池發電裝置通過控制功率輸出，但由于輸出電流和電壓是耦合同步變化的，因此調節功率過程中也需要考慮并入電網電壓的輸出調節。

圖4 一個典型SOFC發電系統組成示意圖

圖5 一個典型SOFC-燃氣輪機聯合循環系統

3.3 控制和管理技術

燃料電池發電系統的控制和管理即使為了實現最佳效率輸出，也是其安全運行所必須重視的研究內容。如圖4所示，燃料電池發電控制系統對水、氣、熱、電等多個過程進行動態管控與調節，需要同時考慮多個變量和多個約束條件[14,15]。燃料電池運行的最優工作點設計和聯控曲線較為復雜，需要根據實際系統特點和運行需求設計多變量控制技術。在工況切換過程中，運行工況動態調節往往難以同時滿足最優工況和安全性約束要求，可能需要先偏移最優工作點，然后再通過多變量協同控制向最優工況點靠近，具體調節過程需要根據燃料電池實際運行環境和安全性優先級進行設計。

燃料電池的成組管理技術是其大規模應用所必須考慮的問題。燃料電池技術共同的特點是單體電壓較低，PEMFC小于1 V，SOFC一般也在1 V左右，因此需要把成千上萬個單體燃料電池來形成足夠大的功率和電壓。這要求每個單體都有較高一致的阻抗特性和電化學特性，運行過程中單個電池的失效或異常如果控制不當，可能引起連鎖反應，危及整個系統安全。

為了維持各燃料電池單體都具有較優的運行狀態，熱管理技術也是一項重要的研究內容。為了實現良好的熱平衡特性，需要通過鼓風機來的進入預熱器空氣和旁通空氣相對比例控制電堆入口溫度同時反應氣流速度也需要協同進行控制，因為反應物在電堆內重整或電化學反應過程中一般都伴隨著較明顯的吸熱或放熱過程，反應氣流速度變化可能使得局部溫度過高或者過低，形成較大的溫度梯度，對電池的運行壽命及安全性不利。

4 結論

燃料電池技術由于其高效、安靜、清潔等方面的優勢，受到船舶動力技術領域越來越多的關注和研究。本文對比了兩種目前研究較多的燃料電池技術特點，從燃料適應性方面來考慮，其中SOFC在大規模船用發電系統應用方面具有一定優勢。從燃料電池系統的功率等級和機動性等方面的技術發展現狀來分析，提出了三種燃料電池技術應用于船舶電力推進系統的方式，包括柴電-燃料電池混合電力推進、燃料電池-燃氣輪機聯合循環，以及接入綜合電力系統應用。針對不同噸位和用途的船舶，可以采用不同的電力推進系統形式。此外，在船舶修理或加改裝過程中，為了滿足電力推進功率擴容的要求，也可以考慮采用燃料電池技術，由于其模塊化的特點，可以不受機艙或電站的限制，容易實現發電系統靈活布置。

雖然目前燃料電池動力裝置功率密度、經濟性還無法與內燃機竟爭，但是隨著技術的快速發展以及減少污染物排放的要求，其大規模應用還是非常有潛力的。尤其是考慮到當前PEMFC在汽車領域大規模商業應用前景可期，SOFC也進入了商業化發展的快車道，美、日、中等國都有大量企業積極開展相關應用技術研究的情況下，船舶電力推進系統中應用燃料電池技術也將具備較好的基礎。在解決燃料適用性、系統運行控制和管理技術等技術問題后，船舶燃料電池技術的應用也將進一步發展。

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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

劉子楊（1989-），男，助理工程師。研究方向：船舶動力工程。E-mail: 263069768@qq.com