葉偉強 宋艷瓊

（廣州航海學(xué)院海運系 廣州 510725）

0 引 言

目前船舶推進市場主要份額仍然由柴油發(fā)動機主宰，占據(jù)了功率和設(shè)備容量的95%.燃氣輪機在過去的幾十年里也曾占據(jù)航運市場的重要地位.由于燃料電池的局限性，其開發(fā)和應(yīng)用對于商用水面船舶來說相對滯后，即使相比于潛艇的不依賴空氣的推進系統(tǒng)（AIP）也是如此.

文中總結(jié)各種燃料電池的特點和發(fā)展現(xiàn)狀，并在效率、功率密度、排放等方面對比用于各種不同類別船舶的柴油發(fā)動機和燃氣渦輪機.作為一個案例研究，提出由燃料電池驅(qū)動的船舶推進系統(tǒng).

1 燃料電池及其發(fā)展

燃料電池是一種發(fā)電裝置，化學(xué)反應(yīng)物的自由能源被轉(zhuǎn)化為電能.化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變化相關(guān)的電池電壓如下：

式中：n為參與反應(yīng)的電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；Vo為熱力學(xué)平衡在無電流時電池電壓.

所有燃料電池的基本結(jié)構(gòu)是相似的：電池有2個電極（陽極燃料和陰極氧化劑），它們是被電解液隔開和被連接在外部的導(dǎo)電電路.電極接觸到氣體或液體流向電極提供燃料或氧化劑.電極經(jīng)由一個多孔結(jié)構(gòu)滲透到氣體或液體，而電解液應(yīng)具備盡可能低的透氣性［1］.

燃料電池可根據(jù)使用的離子導(dǎo)體（電解質(zhì)）的類型和操作的溫度范圍進行分類，見圖1.堿性燃料電池（alkali fuel cells，AFC），使用堿性氫氧化鉀作為燃料電池的電解液，其長期用于美國宇航局的航天領(lǐng)域.在質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）和磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC），氫燃料解離成自由電子和質(zhì)子（正的氫離子）.氫質(zhì)子通過電解質(zhì)遷移到陰極.在陰極，氧氣來自于空氣，來自外部電路的電子與質(zhì)子結(jié)合成水和熱.所有這3種類型都是低溫燃料電池.

高溫燃料電池，例如，固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cells，SOFCs）和熔融碳酸鹽（molten carbonate fuel cells，MCFC）是有特別價值的，因為在高溫下的操作允許使用天然氣作為燃料和混合動力概念，涉及燃料電池和燃氣輪機.整個系統(tǒng)可以顯著提高效率.操作溫度1 000℃（傳統(tǒng)、電解液支撐型設(shè)計），700℃ （中間溫度，陽極支撐型設(shè)計）和大于1個大氣壓的壓力使得SOFCs成為必然的選擇［2］.

由于船舶要求功率高，需要燃料電池堆棧和支持組件，例如，燃料裂化爐（碳氫化合物燃料轉(zhuǎn)換成氫氣），空氣壓縮機，加濕器和／或冷凝器等，因為需要進行熱控制／平衡，等等，使燃料電池正常工作至關(guān)重要.此外，燃料應(yīng)該在進入燃料電池堆之前脫硫.

高性能、低成本和高可靠性是燃料電池的主要特色，目前主要工作都集中在發(fā)現(xiàn)新材料和新工藝用于特定系統(tǒng)的制造，以實現(xiàn)良好的電池／電池堆的性能，同時使得系統(tǒng)成本最小化.

圖1 各種類型的燃料電池

2 船上傳統(tǒng)熱機

本研究專注于商用水面船舶，如遠洋貨船，沿海貨船，游輪，渡船，和科考船等［3］，其性能范圍和電力需求可以概括為商用水面船舶［4］：推進功率5～50MW；船舶電網(wǎng)電能小于10MW；應(yīng)急電源0.1～1MW.電力系統(tǒng)的典型性能標準見表1.

表1 電力系統(tǒng)的典型性能標準

電力系統(tǒng)設(shè)計和安裝還應(yīng)考慮船舶類型、任務(wù)、貨物和經(jīng)濟性等因素.其推進系統(tǒng)按裝機功率劃分，市場份額見表2［5］.

表2 按裝機功率統(tǒng)計的市場份額

柴油發(fā)動機在船舶推進和輔助動力發(fā)電方面一直占據(jù)主導(dǎo)地位，同時燃氣輪機也應(yīng)用于商用水面船舶，雖然燃氣輪機在過去10年獲得了越來越大的市場份額，但仍然十分有限.柴油發(fā)動機和燃氣輪機的特性見表3.

表3 傳統(tǒng)發(fā)動機的特性

另外，柴油發(fā)動機為更好地利用燃料，可以通過改進燃燒室，控制燃油噴射，增加氣缸的氣缸壓力和緊湊的布置等，使用廢氣透平、鍋爐和廢氣加熱器，甚至低余熱用于熱電聯(lián)產(chǎn)提高系統(tǒng)熱效率.

3 燃料電池的優(yōu)點和潛在的船舶應(yīng)用

和傳統(tǒng)火力發(fā)電引擎如柴油發(fā)動機和燃氣輪機相比，燃料電池的優(yōu)點簡要比較總結(jié)如下.

1）高效率 燃料電池轉(zhuǎn)換效率（從輸入燃料到輸出電）通常能達到40%～50%.當熱電組合應(yīng)用時，系統(tǒng)效率可以達到60%～70%.

2）低排放 對于PEMFCs，在燃料改良中將不符合要求的成分從燃料中被去除，燃料電池本身的排放可以忽略不計.同時燃料電池系統(tǒng)氮氧化物排放比常規(guī)火電系統(tǒng)要低得多.

3）低噪聲 因為燃料電池沒有移動部件，唯一的聲源只包括泵、風(fēng)扇、壓縮機等輔助設(shè)備.與內(nèi)燃機相比，燃料電池堆可以安置在任何地方，甚至接近乘客、船員休息艙.

4）模塊化／部分負荷性能好 因為燃料電池堆的效率很大程度上取決于電池的特點，燃料電池系統(tǒng)的效率和系統(tǒng)的大小無關(guān).因此，可以通過一定范圍的負載即加載30%～100%的額定功率輸出，可以維持燃料電池系統(tǒng)的效率.因此，燃料電池可以運用于經(jīng)常改變電力需求的船舶，例如渡輪或離岸供應(yīng)船舶.此外，可以模塊化制造燃料電池.燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用于電氣設(shè)備時，可以很方便增加其容量大小，以匹配負載的要求.

5）燃料選擇的多樣性 燃料電池可選用多種燃料，如純氫、天然氣、甲醇、石腦油、液態(tài)烴燃料、煤氣甚至生物質(zhì)衍生燃料.低溫燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（如PEMFC）需要非常純粹H2（導(dǎo)致在改良上非常困難），而高溫燃料電池（如SOFC）則對燃料要求較低，可以直接使用天然氣.

6）操作、維護成本低 與內(nèi)燃機相比，燃料電池操作簡單，甚至可以無人操作.無需潤滑油，運行和維護成本低于柴油發(fā)動機.

4 船用燃料電池應(yīng)用的主要問題和障礙

在商用水面船舶上應(yīng)用燃料電池的主要問題有：資金和運營成本、燃料供應(yīng)和轉(zhuǎn)化、技術(shù)完善、安全和船舶入級問題等.

推廣新技術(shù)有相對高的成本，這是燃料電池不能得到廣泛商業(yè)應(yīng)用的主要障礙之一.而且，燃料電池技術(shù)還沒有成熟，它正與成熟有效可靠的技術(shù)進行競爭.因為傳統(tǒng)熱動力技術(shù)用的配套服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)比較發(fā)達且廣為接受，物流和經(jīng)濟方面的考慮一直促使船東運營由柴油機或燃氣輪機驅(qū)動的船舶，其使用重質(zhì)燃油或船用燃油.

為了給電池陽極提供燃料，在船上可以裝儲純氫，也可以將碳氫化合物和目前的燃料轉(zhuǎn)化.選擇燃料應(yīng)滿足如下共同要求：安全操作、易于轉(zhuǎn)化、易于補充和價格便宜.各種燃料的性能比較見表4［6］.

表4 各種供給燃料的比較

由于柴油獲取方便，且價格相對較低，燃料的轉(zhuǎn)化技術(shù)在航運業(yè)應(yīng)用中取得突破性進展，特別是對航行時間長和跨洲航行的水面商船，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是開發(fā)一個能有效工作的轉(zhuǎn)化器，和開發(fā)穩(wěn)定的催化劑用于降低水碳比率和脫硫.

另外，船用燃料電池還需考慮安全和監(jiān)控問題.例如，燃料電池堆和相關(guān)組件中單點故障的危害不應(yīng)導(dǎo)致動力的完全喪失.電池堆里單模塊或不能修好的電池堆應(yīng)該能隔離開，且不影響剩余電池堆的運行.

設(shè)計和開發(fā)的燃料電池已經(jīng)用于陸上，船用時還需考慮與海洋環(huán)境有關(guān)的特定問題，包括海洋空氣和水中的鹽分、震動撞擊及腐蝕等問題，以及在艱苦海況中的耐用性和性能表現(xiàn).船舶操縱中負荷的突然改變或大負荷改變引起的溫度變化，燃料電池對這些突變?nèi)绾畏磻?yīng)還需深入研究.

5 案例研究

幾乎所有的燃料電池開發(fā)工作都集中在陸上應(yīng)用，燃料電池在船用領(lǐng)域的開發(fā)十分有限.美國海岸警衛(wèi)隊對燃料電池應(yīng)用于小型艇進行了研究，如四臺柴油發(fā)電機組，直流電動機驅(qū)動的CGC Vindicator艇、單體船.對其結(jié)構(gòu)、電氣、燃料供給、排氣管理和其他組件作相應(yīng)變動，移走柴油發(fā)電機組，安裝4臺熔融碳酸鹽燃料電池組（625kW／每堆，總共2.5MW）.一臺燃料轉(zhuǎn)化器將符合NATO標準的低硫F－76柴油轉(zhuǎn)化成氫和二氧化碳.

從已有的研究案例可知，低溫燃料電池堆（PEMFCs）在效率方面有優(yōu)勢，而SOFCs有潛力超過現(xiàn)有最好的柴油機或燃氣輪機，見圖2.另一方面，使用同樣燃料（NATO F－76柴油），燃料電池的能量密度略高于柴油機，但還趕不上高功率燃氣輪機.

圖2 不同技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化效率比較

針對某船預(yù)定的燃料電池動力裝置開發(fā)的計算機仿真程序，用來預(yù)測燃料電池動力裝置運行和電力分配.對復(fù)雜的電池動力裝置進行簡化建模，某船燃料電池系統(tǒng)原理圖見圖3.

系統(tǒng)由燃料電池堆、反應(yīng)物控制單元、逆變器和必要的能量、電力輸送組件組成.燃料電池堆是關(guān)鍵部分，用來產(chǎn)生電能.中溫固體氧化物燃料電池堆（intermediate temperature solid oxide fuel cell，ITSOFC）用來作為案例研究，它基于最新開發(fā)的燃料電池材料，能夠在600～700℃溫度下運行.在這個新開發(fā)的燃料電池中，使用了復(fù)合鹽陶瓷電解質(zhì)，安裝的電極基于氧化物復(fù)合材料，固體氧化物復(fù)合材料（solid oxide composite，SOC）內(nèi)含鎳基氧化物和氟化物.一些氟化物具有催化劑的重要作用，有助燃料轉(zhuǎn)化為碳氫化合物.SOC電極有高效催化劑的功能，這使得ITSOFC能夠在寬的氣體組分和溫度范圍內(nèi)運行，充分展現(xiàn)了電池的高性能［7］.反應(yīng)物控制單元能提供適合的燃料／氧化劑（通常是氧氣）給燃料電池陽極／陰極，它可配有必需的熱／水平衡裝置（如各種熱交換器）.逆變器將直流變成交流.總的來說，監(jiān)控系統(tǒng)可以用來監(jiān)控燃料／空氣流動、水平衡、燃料利用、溫度、壓力和電力／能量負載平衡等，

此案例燃料電池堆的性能分析結(jié)果見圖4.通過ITSOFC的數(shù)值仿真模型去評估其性能，如電壓－電流曲線，功率－電流曲線，熱／氣平衡等［8］.

圖3 某船燃料電池系統(tǒng)原理圖設(shè)計

圖4 ITSOFC電池堆性能

此案例用生物質(zhì)氣（或生物燃料）做燃料，氣體組成是 CO （30%）＋ CO2（10%）＋ H2（50%）＋ CH4（10%）.電池堆能夠提供24V、1kW交流電能（例如，1.1kW直流電能，如在本研究中變換器效率為90%）.當電流密度在200～950mA／cm2內(nèi)時，此電池堆單元電壓在0.5～0.7V之間.如0.6V電壓作為運行電壓（測試時，相應(yīng)電流密度為606mA／cm2），這時電池堆內(nèi)有40個電池單元，每個電池單元有0.008m2有效工作面積來產(chǎn)生所需的電能.電池堆工作參數(shù)和預(yù)測性能見表5.從表5可看出，電能的能量轉(zhuǎn)換效率為34%，而在有廢熱發(fā)電裝置回收廢熱時，可以達到64%.值得注意的是，燃料的利用率（電池內(nèi)反應(yīng)的燃料量／進入電池的燃料量）可假定為70%.

表5 ITSOFC參數(shù)和預(yù)測性能

ITSOFC和PEMFC電池堆的性能參數(shù)見圖5［9］，兩者額定功率均為1kW，但分別用生物燃料和氫做燃料.從圖中可以看出，使用碳氫化合物做燃料的ITSOFC電池堆效率更高.

圖5 ITSOFC和PEMFC電池堆功率對比圖

6 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)的柴油機，燃料電池有特定優(yōu)勢.然而至今，大部分工作都是致力于陸用開發(fā)，如SOFC用于電站，PEMFC用于運輸工具.再者，有限的船用也主要是集中在軍用相關(guān)領(lǐng)域.目前只有諸如瑞士、德國和美國等幾個國家應(yīng)用于小型船，特別是應(yīng)用于游艇［11］.

船用燃料電池新技術(shù)的應(yīng)用案例研究表明，需要設(shè)計和開發(fā)未來航運需要的燃料電池，特別是用于水面商用船舶的.這樣，很多船舶可以把燃料電池當作可用的能量來源，從而廣泛應(yīng)用于客船、渡輪、集裝箱船和儲氣船［12］.燃料電池有卓越的排放性能，有利于在環(huán)境敏感的區(qū)域使用，然而，在瞬時響應(yīng)和可靠性、安全性方面，還有待更加深入的研究.

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