船舶氫燃料電池應(yīng)用研究

李勇

摘要：船舶動(dòng)力來(lái)源主要為柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，在其提供動(dòng)力的同時(shí)還會(huì)排放大量的硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等大氣污染物，對(duì)環(huán)境和大氣造成嚴(yán)重的污染，基于此開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保的船舶動(dòng)力能源迫在眉睫。氫燃料作為可再生、無(wú)污染、熱值高的動(dòng)力能源，解決目前船舶污染排放的難題。本文研究綜述了燃料電池及其發(fā)電系統(tǒng)，研發(fā)的幾種燃料電池船舶的應(yīng)用情況，總結(jié)船舶氫燃料電池應(yīng)用推廣問(wèn)題，展望氫燃料電池在船舶應(yīng)用的前景。

Abstract： The main power sources of ships are diesel engines and gas turbines. While providing power， they will also emit a large number of air pollutants such as sulfur oxides， carbon dioxide， nitrogen oxides and particles， causing serious pollution to the environment and atmosphere. Therefore， it is urgent to develop green marine power energy. Hydrogen fuel， as a renewable， pollution-free and high calorific value power energy， solves the problem of ship pollution emission. This paper summarizes the fuel cell and its power generation system， the application of several fuel cell ships developed， summarizes the application and promotion of marine hydrogen fuel cell， and looks forward to the prospect of hydrogen fuel cell application in ships.

關(guān)鍵詞：船舶;氫燃料電池;應(yīng)用前景

Key words： ship;hydrogen fuel cell;application prospect

中圖分類號(hào)：U664.1???????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? ????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0238-02

0? 引言

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染破壞問(wèn)題也令人困擾，船舶運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)達(dá)同時(shí)其產(chǎn)生的廢氣排放問(wèn)題也嚴(yán)重影響環(huán)境健康，其對(duì)環(huán)境的破壞堪比陸地汽車排放，因此尋求性能佳、無(wú)污染的船舶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)新能源，成為未來(lái)船舶運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。氫燃料電池作為目前已知的最清潔能源，其燃燒廢物只有水，不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳或其他的廢氣污染物，且熱值非常高，因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，氫燃料電池可替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)獯啓C(jī)成為理想的船舶動(dòng)力來(lái)源。

1? 船舶動(dòng)力裝置形式

目前全球船舶數(shù)量眾多，類型多種多樣，因此船舶動(dòng)力裝置形式也各式各樣。

1.1 傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力裝置

傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力裝置有柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，表1為傳統(tǒng)的不同類型船舶動(dòng)力裝置的特點(diǎn)、燃油類型和熱效率。

柴油機(jī)重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)性較高，迄今為止已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于民用船舶或中小型軍艦上，是目前的主流船舶動(dòng)力裝置形式，汽輪機(jī)因其運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)多應(yīng)用于運(yùn)輸船舶及航空母艦上，燃?xì)廨啓C(jī)則多作為軍艦動(dòng)力裝置。

傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力裝置包括柴油機(jī)、汽輪機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)在使用過(guò)程中的燃料油均為價(jià)格低廉但污染較重的重油，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等大氣污染物，污染環(huán)境，不符合綠色航運(yùn)的大趨勢(shì)，無(wú)法滿足現(xiàn)代船舶零排放的要求。

1.2 船舶氫燃料電池動(dòng)力裝置的形式

1.2.1 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)? 類似于傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燃燒推動(dòng)活塞做工，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，為船舶提供動(dòng)力。由于氫氣的燃點(diǎn)比較高，因此氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)必須配備引燃系統(tǒng)，利用引燃油點(diǎn)燃?xì)淙剂希诖耍瑲淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是正是由于燃點(diǎn)高的特點(diǎn)，氫燃料的壓縮比更高，熱效率也更高。另外，作為一種氣體燃料，氫氣在氣缸中可以有效擴(kuò)散形成更為均勻的混合物，從而提高氣缸中的氣體燃燒性能。綜上，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能良好且具有巨大的應(yīng)用潛能。

1.2.2 氫燃料電池? 氫燃料電池以氫氣作為還原劑，氧氣作為氧化劑，當(dāng)氫燃料電池工作室，氫氣和氧氣分別供給兩個(gè)電極，借助于電極催化劑，氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，氫電極多余電子呈負(fù)電，氧電極則呈正電，以此構(gòu)成電源，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，效率可達(dá)60-80%，相當(dāng)于普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的兩到三倍。氫燃料電池與鋰離子動(dòng)力電池方案的特點(diǎn)比較如表2所示，可以看出氫燃料電池在能量密度、占地面積、安全性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

2? 船舶氫燃料電池國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例

船舶氫燃料電池的首次應(yīng)用可以追溯到2000年的德國(guó)Hydra，2000年德國(guó)的Hydra客船采用5kW功率的氫燃料電池首次在德國(guó)波恩附近的萊茵河正式亮相，并正式揭開(kāi)了氫燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。Hydra服役期間共運(yùn)輸乘客約兩千人，并且在Ghent電推船會(huì)議中充當(dāng)渡船使用，經(jīng)過(guò)正式認(rèn)證，Hydra的氫燃料電池在冰點(diǎn)以下也可以正常啟動(dòng)。此后，世界各國(guó)紛紛致力于氫燃料電池動(dòng)力的船舶開(kāi)發(fā)，甚至德國(guó)和意大利將氫燃料電池應(yīng)用于潛艇中，并且該類型的潛艇至今仍在多個(gè)國(guó)家的海軍中服役，氫燃料電池動(dòng)力潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)由西門子生產(chǎn)的氫燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力裝置，早起使用9套燃料電池，后期增大電池功率由原先的30-40kW/套提升至120kW/套，電池縮減為2套。

對(duì)于氫燃料電池船舶應(yīng)用領(lǐng)域的研究，挪威一直是其他國(guó)家的領(lǐng)頭羊。2017年9月，維京游輪公司宣布在挪威建造以氫燃料電池作為動(dòng)力裝置的郵輪，根據(jù)設(shè)計(jì)，該郵輪長(zhǎng)達(dá)230m，以液氫為燃料，使用穿上的氫燃料電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)郵輪驅(qū)動(dòng)以及供給郵輪其他用電。維京公司一直走在世界綠色航運(yùn)應(yīng)用技術(shù)的前沿，氫燃料電池郵輪應(yīng)用計(jì)劃不僅是維京公司綠色航運(yùn)的重要舉措，項(xiàng)目的完成也是全球綠色航運(yùn)技術(shù)研究發(fā)展的重要一大步。

同年，Energy observer的試行和環(huán)球航行也是轟動(dòng)一時(shí)的氫燃料電池應(yīng)用事件。Energy observer是由加拿大Canadair造船廠制造的一搜雙體豪華賽艇，經(jīng)過(guò)全新的改裝，在2017年6月份在法國(guó)圣馬洛港口重新下水，Energy observer是全球第一艘可以自制氫能源的船只，其可以通過(guò)獨(dú)特的動(dòng)力源——太陽(yáng)能完成電池蓄能。Energy observer的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)Energy observer自身的特殊性進(jìn)行專門打造，在船舶的行駛過(guò)程中船員往往需要在組件上行走，因此Energy observer的電池組件表面具有防滑特點(diǎn)。其次，Energy observer的兩半船體并不完全一致，因此必須合理管理兩邊的電能。且Energy observer采用的是雙面光伏電池，發(fā)電效率可以提高25%左右。最重要的是Energy observer還擁有另一個(gè)重要的動(dòng)力來(lái)源——風(fēng)能，同時(shí)輔助給予船體動(dòng)力。

2011年挪威船級(jí)社在海洋工程船Viking Lady號(hào)上首次采用燃料電池作為動(dòng)力來(lái)源，該項(xiàng)目有望為船舶動(dòng)力能源的選擇提供新的思路。經(jīng)實(shí)踐，相較于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，氫燃料電池的應(yīng)用可以大大降低船舶有害氣體的排放量，提高動(dòng)力能效，實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)輸有害物質(zhì)的0排放，真正實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)。

2015年日本首艘氫燃料電池船舶的試水成功也標(biāo)志著亞洲燃料電池船舶應(yīng)用的開(kāi)始，該船舶建造成本約為人民幣500萬(wàn)元，相當(dāng)于普通柴油驅(qū)動(dòng)船舶的3倍以上，且氫氣充載量相當(dāng)于燃料電池車的2倍，有望用于漁船或游艇中，日本政府將繼續(xù)致力于氫燃料電池在船舶中的應(yīng)用工作，期望由沿海風(fēng)力和光伏發(fā)電站實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫，加氫的構(gòu)想，進(jìn)一步帶動(dòng)沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2020年1月28日，中國(guó)船級(jí)社向武漢眾宇動(dòng)力頒發(fā)了首張船舶燃料電池產(chǎn)品型式認(rèn)可證書，標(biāo)志著我國(guó)船舶燃料電池的空白已經(jīng)過(guò)去，同時(shí)也標(biāo)志氫燃料電池在船舶中的商業(yè)化應(yīng)用的一大進(jìn)步。

3? 船舶氫燃料電池應(yīng)用存在的問(wèn)題

由于特殊運(yùn)行條件，船舶對(duì)于燃料電池功率的產(chǎn)品特性、安全性、需求以及儲(chǔ)氫條件等的要求與汽車中大大不同，船舶氫燃料電池的應(yīng)用主要存在以下的問(wèn)題：

3.1 船舶氫燃料電池技術(shù)不足

目前我國(guó)船舶氫燃料電池的相關(guān)研究主要集中于科研院所與高校中，而未進(jìn)行工程化應(yīng)用的研究，目前，氫燃料電池模塊與動(dòng)力系統(tǒng)主要針對(duì)車用產(chǎn)品，而對(duì)于氫燃料電池在船舶特殊的工作環(huán)境與工作工況中的應(yīng)用中還存在很大的局限性，尤其是安全性能中，因此亟需開(kāi)展船舶氫燃料電池系統(tǒng)的科研研究工作，推動(dòng)船舶氫燃料電池的應(yīng)用。

3.2 氫氣存儲(chǔ)及加注技術(shù)亟待提高

由于氫氣的易燃易爆以及液氫的低溫、氧化特點(diǎn)，液氫的使用過(guò)程也存在許多風(fēng)險(xiǎn)，因此船用氫氣的存儲(chǔ)與加注技術(shù)是船舶氫氣燃料電池發(fā)展的主要難點(diǎn)之一，目前，車用氫氣燃料電池的氫氣存儲(chǔ)與加注技術(shù)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是由于船舶特殊的工作環(huán)境、工作要求例如續(xù)航力長(zhǎng)、氫氣耗量大等特點(diǎn)，船舶用氫氣存儲(chǔ)與加注技術(shù)尚不成熟，為了滿足船舶使用需求，必須要尋求儲(chǔ)氫密度、安全性以及儲(chǔ)氫成本的平衡，研究出適用于船舶的高性能儲(chǔ)氫技術(shù)。另外針對(duì)船用氫燃料加注技術(shù)，國(guó)外普遍采用的槽車式移動(dòng)加注方式，作業(yè)隨意性較大，不利于安全監(jiān)管，國(guó)內(nèi)已經(jīng)明令禁止該加注方式，因此還需要進(jìn)一步提高船舶用氫氣加注技術(shù)，解決我國(guó)氫氣加注困難的窘境。

3.3 船舶氫燃料電池動(dòng)力的安全性及管理技術(shù)滯后

船舶氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力推進(jìn)理念，需要進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性、安全性與可靠性。由于氫氣易燃易爆特點(diǎn)，氫氣的上船下船運(yùn)輸會(huì)嚴(yán)重影響船舶安全管理、船員的培訓(xùn)、應(yīng)急情況處理以及危險(xiǎn)物品監(jiān)管等。目前相關(guān)的培訓(xùn)要求、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案目前我國(guó)還處于空白，因此必須研究船舶氫燃料電池的管理技術(shù)，推動(dòng)綠色航運(yùn)的發(fā)展。

4? 結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池在船舶動(dòng)力中的應(yīng)用可以從以下三方面入手：首先作為推動(dòng)動(dòng)力和輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于內(nèi)河、內(nèi)湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對(duì)節(jié)能減排和提升船舶舒適度的需求;其次作為推動(dòng)動(dòng)力和輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于科考船等特種船舶，滿足該類型船舶對(duì)噪聲振動(dòng)及廢氣排放的需求;最后作為輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于頻繁進(jìn)出港口的散貨船和客船，滿足該類型船對(duì)降低港口環(huán)境保護(hù)的需求。

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