船舶行業(yè)每年的碳排放量為11．2億噸以上，約占世界二氧化碳排放總量的4．5％，并仍處于繼續(xù)增加的趨勢(shì)。而減少碳排放是社會(huì)發(fā)展的基本要求。近幾年國(guó)家和行業(yè)機(jī)構(gòu)出臺(tái)多個(gè)政策以減少船舶行業(yè)的碳排放，如表1。因此綠色船舶是未來(lái)船舶發(fā)展的主要方向。

表1 關(guān)于促進(jìn)船舶行業(yè)碳減排相關(guān)政策文件

燃料電池作為一種清潔、高效、無(wú)排放的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備在綠色船舶的發(fā)展

中備受重視。8月28日三峽決定引入一艘以500kW額定輸出功率氫燃料電池為主并輔以磷酸鐵鋰電池動(dòng)力的雙體交通船，主要用于三峽庫(kù)區(qū)及兩壩間交通、庫(kù)區(qū)巡查、應(yīng)急等工作。10月10日，未勢(shì)能源與大連海事大學(xué)新能源船舶動(dòng)力技術(shù)研究院簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同開(kāi)展氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、檢驗(yàn)檢測(cè)、產(chǎn)品定型、市場(chǎng)推廣等方面的合作。國(guó)內(nèi)首家專(zhuān)注氫能船艇動(dòng)力系統(tǒng)公司—ExploMar也在10月份宣布獲得了由險(xiǎn)峰長(zhǎng)青領(lǐng)投的美元基金種子輪融資，并率先啟動(dòng)國(guó)內(nèi)商業(yè)化游艇項(xiàng)目，首艘搭載自主研發(fā)氫能動(dòng)力系統(tǒng)的60尺游艇將于明年初投放市場(chǎng)。同時(shí)，該公司在北美、歐洲、東南亞等區(qū)域的海外項(xiàng)目也已啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)，船舶用燃料電池市場(chǎng)容量約有160GW。根據(jù)交通運(yùn)輸部水科院的數(shù)據(jù)和專(zhuān)家預(yù)計(jì)，2025年氫燃料電池系統(tǒng)改造船數(shù)量和新建氫燃料電池船舶數(shù)量分別約400艘和200艘， 氫燃料電池系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到200億元。

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各國(guó)船用燃料電池的發(fā)展

  表2 不同國(guó)家燃料電池船舶開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

多年來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家一直都將燃料電池作為一種船舶技術(shù)儲(chǔ)備在不斷地發(fā)展。如表1所示，早在二十世紀(jì)八十年代，質(zhì)子交換膜燃料電池因?yàn)榈图t外、運(yùn)行噪音低、無(wú)需空氣供給（AIP）、運(yùn)行里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到了德國(guó)海軍的重視，并率先運(yùn)用于212潛艇，該燃料電池系統(tǒng)由西門(mén)子提供，配備由2組120kW的燃料電池模塊。美國(guó)也在SSFC項(xiàng)目中構(gòu)造了一個(gè)MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）和PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）相結(jié)合的燃料重整系統(tǒng)，該系統(tǒng)額定功率有625kW，運(yùn)用于軍艦。2009年，挪威海工船東Eidesvik Offshore制造的第一條海洋工程供應(yīng)船正式交付，該船以LNG為主要燃料，配備有330kW的燃料電池系統(tǒng)，是全球首艘安裝燃料電池作為部分推進(jìn)系統(tǒng)的商船，如圖1。截止2012年，該船已連續(xù)運(yùn)行26280小時(shí)，成為了世界上最環(huán)保的船舶之一。美國(guó)將于2021年推出世界上第一條燃料電池船用渡輪，系統(tǒng)功率100kW，能夠搭乘84名乘客，裝載有242kg氫氣，能夠連續(xù)運(yùn)行兩天。歐盟在FELICITAS投資了約800萬(wàn)歐元打造能量利用效率超過(guò)60％的高效SOFC系統(tǒng)（綜合熱效率超過(guò)60％），并運(yùn)用于大型郵輪的輔助動(dòng)力。2020年9月2日，日本郵船、川崎重工、日本船級(jí)社等5家日本企業(yè)將合作進(jìn)行日本首個(gè)燃料電池商業(yè)化船舶項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)打造一艘150噸級(jí)大功率燃料電池船舶，可容納約1000名乘客，并計(jì)劃于2024年開(kāi)始示范運(yùn)行。

圖1 “VIKING LADY”海洋工程供應(yīng)船

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不同種類(lèi)的燃料電池在船舶上的應(yīng)用趨勢(shì)

燃料電池分為很多種類(lèi)，主要有堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。堿性燃料電池屬于成熟較早的燃料電池技術(shù)，最早應(yīng)用于美國(guó)的航空航天事業(yè)中，德國(guó)也在2000年的Etaing GmbH項(xiàng)目中使用堿性燃料電池作為渡船動(dòng)力。但隨著其他燃料電池技術(shù)的發(fā)展，便逐漸淡出了使用者的視野。甲醇燃料電池因?yàn)楣β拭芏忍�低，除了日本運(yùn)用過(guò)一次之后，便沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其余的項(xiàng)目示范。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是在固體電解質(zhì)膜研發(fā)成功后發(fā)展迅速的燃料電池技術(shù)，由于其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、低溫運(yùn)行特性和高功率密度等顯著優(yōu)點(diǎn)，不僅在車(chē)用燃料電池領(lǐng)域受到了高度的重視，而且在船用燃料電池領(lǐng)域也得到了廣泛的運(yùn)用。但質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳輸出功率范圍一般在300kW以下，當(dāng)輸出功率進(jìn)一步增大時(shí)，如運(yùn)用于遠(yuǎn)洋航輪，固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池便是更好的選擇，它們具有更高的運(yùn)行溫度，一般在600－700℃，故而可以提供高品質(zhì)熱量，不僅可以滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離航海時(shí)乘員的熱水需求，還可以結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)等做功設(shè)備進(jìn)一步提升燃料的綜合利用效率。如圖2所示，高溫燃料電池陽(yáng)極與陰極的尾氣補(bǔ)燃后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電，綜合熱效率可能達(dá)到60％以上，這可以提升遠(yuǎn)洋航輪的運(yùn)行里程和續(xù)航時(shí)間或減少燃料消耗量。

    圖2 高溫燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)［1］

［1］．劉易明等， 燃料電池船舶應(yīng)用形式及其關(guān)鍵技術(shù)． 船舶工程， 2021． 43（3）．

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船用燃料電池的反應(yīng)氣體供給

根據(jù)氧化劑的不同，燃料電池分為氫空和氫氧燃料電池兩種。氫氧燃料電池一般用于水下無(wú)人潛航器或潛艇。但當(dāng)氫空燃料電池運(yùn)用于船舶時(shí)，由于海上的空氣鹽度非常高，故而需要考慮空氣過(guò)濾器的獨(dú)特設(shè)計(jì)以避免燃料電池的壽命不受危害。如圖3所示，氫氣盡管是質(zhì)量能量密度最高的燃料，但是其體積能量密度非常低。柴油的質(zhì)量能量密度盡管不高，但體積能量密度最高。35MPa壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油體積能量密度的10％左右。故而，當(dāng)燃料電池取代柴油機(jī)供給動(dòng)力時(shí)，存儲(chǔ)氫氣所需的高壓氣瓶的體積遠(yuǎn)高于目前存儲(chǔ)柴油所需的燃油艙。另外，氫氣密度小，易泄露，還具有易燃易爆的特性，所以當(dāng)氫氣作為燃料電池的燃料時(shí)對(duì)船舶燃料艙的體積和安全性提出了更高的要求。

除了直接儲(chǔ)存氫氣外，如英國(guó)在《氫能發(fā)展戰(zhàn)略》中所提，基于低碳?xì)渖�產(chǎn)的液氨和甲醇也是船舶氫能利用的另一種方式。其中，甲醇能夠通過(guò)燃料重整技術(shù)產(chǎn)生氫氣、CO等燃?xì)饣旌衔锖笾苯油ㄈ敫邷厝剂想姵刂羞M(jìn)行反應(yīng)，從而有效彌補(bǔ)氫氣體積能量密度過(guò)低的不足。

圖3 常用燃料質(zhì)量能量密度和體積能量密度

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鋰電池與燃料電池在船舶應(yīng)用領(lǐng)域的分析

如圖4所示，隨著儲(chǔ)能的增加，鋰電池的質(zhì)量比能量展現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)殇囯姵厥且粋�(gè)封閉系統(tǒng)，電池本就是能量的載體，質(zhì)量比能量不會(huì)隨著儲(chǔ)能的增加而減少，但會(huì)增加維持電池穩(wěn)定運(yùn)行的輔件，從而導(dǎo)致整體比能量減小。在燃料電池系統(tǒng)中，能量依靠燃料儲(chǔ)存。當(dāng)儲(chǔ)能量減小時(shí)，電堆自重占電堆系統(tǒng)中的比重較大，導(dǎo)致了較低的質(zhì)量比功率。當(dāng)儲(chǔ)能量增大時(shí)，電堆自重占電堆系統(tǒng)中的比重逐漸縮小，質(zhì)量比功率在開(kāi)始時(shí)隨著儲(chǔ)能量的增大迅速增大，最后趨于穩(wěn)定。

      圖4 鋰電池和燃料電池質(zhì)量能量密度對(duì)比［2］

［2］王振等， 燃料電池和鋰電池在船用領(lǐng)域的對(duì)比分析． 船電技術(shù)， 2021． 41（2）．

鋰電池作為儲(chǔ)能裝置，單位儲(chǔ)能價(jià)格比較穩(wěn)定，故而總儲(chǔ)能花費(fèi)價(jià)格與儲(chǔ)能量成正比關(guān)系。燃料電池的儲(chǔ)能量也與儲(chǔ)存燃料成正相關(guān)，不過(guò)相比于鋰電池，燃料電池的成本主要消耗在電堆系統(tǒng)制造上，燃料及其燃料儲(chǔ)存花費(fèi)占比不大，從圖5中可以看到，其總花費(fèi)不會(huì)隨著儲(chǔ)能量的增加而顯著增加。另外，當(dāng)總儲(chǔ)能一定的條件下，增加功率基本不會(huì)影響鋰電池的總成本，但會(huì)顯著增加燃料電池的成本，這是因?yàn)槿剂想姵氐妮敵龉β逝c電堆系統(tǒng)大小有關(guān)，而電堆制造占燃料電池總成本的70％以上。

     圖5 鋰電池和燃料電池價(jià)格對(duì)比

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總結(jié)

1．日本車(chē)用燃料電池技術(shù)領(lǐng)先世界，擁有較好的質(zhì)子交換膜燃料電池基礎(chǔ)，但船用燃料電池推廣速度較慢。歐洲各國(guó)對(duì)船用燃料電池的支持力度最大，具有多年船用燃料電池工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和示范項(xiàng)目，相關(guān)技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，其中德國(guó)技術(shù)最為突出。

2．目前應(yīng)用最為廣泛的三種船用燃料電池分別是PEMFC、MCFC和SOFC。氫氣體積功率密度較低，甲醇作為氫能利用的另一種形式，可基于燃料重整技術(shù)與高溫燃料電池（MCFC和SOFC）進(jìn)行配合，降低燃料艙的體積需求。

3．從成本和功率密度進(jìn)行分析，燃料電池更加適用于小功率、大儲(chǔ)能的船型，鋰電池更加適用于大功率、小儲(chǔ)能的船型。大功率、大儲(chǔ)能的船型采用燃料電池方案體積和質(zhì)量更小，但目前價(jià)格昂貴；若采用鋰電池，則可以降低制造成本，但也會(huì)降低船舶的有效載荷。故而應(yīng)綜合兩種方案考慮最優(yōu)值。