表1 關于促進船舶行業碳減排相關政策文件
燃料電池作為一種清潔、高效、無排放的能量轉換設備在綠色船舶的發展
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力的雙體交通船，主要用于三峽庫區及兩壩間交通、庫區巡查、應急等工作。10月10日，未勢能源與大連海事大學新能源船舶動力技術研究院簽署了戰略合作協議，共同開展氫燃料電池動力船舶的技術研究、標準制定、檢驗檢測、產品定型、市場推廣等方面的合作。國內首家專注氫能船艇動力系統公司—ExploMar也在10月份宣布獲得了由險峰長青領投的美元基金種子輪融資，并率先啟動國內商業化游艇項目，首艘搭載自主研發氫能動力系統的60尺游艇將于明年初投放市場。同時，該公司在北美、歐洲、東南亞等區域的海外項目也已啟動系統開發工作。據統計，世界范圍內，船舶用燃料電池市場容量約有160GW。根據交通運輸部水科院的數據和專家預計，2025年氫燃料電池系統改造船數量和新建氫燃料電池船舶數量分別約400艘和200艘， 氫燃料電池系統市場規模將達到200億元。
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各國船用燃料電池的發展
表2 不同國家燃料電池船舶開發項目
多年來，美國、英國、德國、韓國、日本等多個國家一直都將燃料電池作為一種船舶技術儲備在不斷地發展。如表1所示，早在二十世紀八十年代，質子交換膜燃料電池因為低紅外、運行噪音低、無需空氣供給（AIP）、運行里程長等優點得到了德國海軍的重視，并率先運用于212潛艇，該燃料電池系統由西門子提供，配備由2組120kW的燃料電池模塊。美國也在SSFC項目中構造了一個MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）和PEMFC（質子交換膜燃料電池）相結合的燃料重整系統，該系統額定功率有625kW，運用于軍艦。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，是全球首艘安裝燃料電池作為部分推進系統的商船，如圖1。截止2012年，該船已連續運行26280小時，成為了世界上最環保的船舶之一。美國將于2021年推出世界上第一條燃料電池船用渡輪，系統功率100kW，能夠搭乘84名乘客，裝載有242kg氫氣，能夠連續運行兩天。歐盟在FELICITAS投資了約800萬歐元打造能量利用效率超過60%的高效SOFC系統（綜合熱效率超過60%），并運用于大型郵輪的輔助動力。2020年9月2日，日本郵船、川崎重工、日本船級社等5家日本企業將合作進行日本首個燃料電池商業化船舶項目開發。該項目預計打造一艘150噸級大功率燃料電池船舶，可容納約1000名乘客，并計劃于2024年開始示范運行。
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不同種類的燃料電池在船舶上的應用趨勢
燃料電池分為很多種類，主要有堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（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，最早應用于美國的航空航天事業中，德國也在2000年的Etaing GmbH項目中使用堿性燃料電池作為渡船動力。但隨著其他燃料電池技術的發展，便逐漸淡出了使用者的視野。甲醇燃料電池因為功率密度太低，除了日本運用過一次之后，便沒有發現其余的項目示范。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是在固體電解質膜研發成功后發展迅速的燃料電池技術，由于其具有良好的動態響應能力、低溫運行特性和高功率密度等顯著優點，不僅在車用燃料電池領域受到了高度的重視，而且在船用燃料電池領域也得到了廣泛的運用。但質子交換膜燃料電池的最佳輸出功率范圍一般在300kW以下，當輸出功率進一步增大時，如運用于遠洋航輪，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，它們具有更高的運行溫度，一般在600-700℃，故而可以提供高品質熱量，不僅可以滿足遠距離航海時乘員的熱水需求，還可以結合燃氣輪機等做功設備進一步提升燃料的綜合利用效率。如圖2所示，高溫燃料電池陽極與陰極的尾氣補燃后進入燃氣輪機做功發電，綜合熱效率可能達到60%以上，這可以提升遠洋航輪的運行里程和續航時間或減少燃料消耗量。
圖2 高溫燃料電池與燃氣輪機構成混合動力系統[1]
[1].劉易明等, 燃料電池船舶應用形式及其關鍵技術. 船舶工程, 2021. 43(3).
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船用燃料電池的反應氣體供給
根據氧化劑的不同，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人潛航器或潛艇。但當氫空燃料電池運用于船舶時，由于海上的空氣鹽度非常高，故而需要考慮空氣過濾器的獨特設計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，當燃料電池取代柴油機供給動力時，存儲氫氣所需的高壓氣瓶的體積遠高于目前存儲柴油所需的燃油艙。另外，氫氣密度小，易泄露，還具有易燃易爆的特性，所以當氫氣作為燃料電池的燃料時對船舶燃料艙的體積和安全性提出了更高的要求。
除了直接儲存氫氣外，如英國在《氫能發展戰略》中所提，基于低碳氫生產的液氨和甲醇也是船舶氫能利用的另一種方式。其中，甲醇能夠通過燃料重整技術產生氫氣、CO等燃氣混合物后直接通入高溫燃料電池中進行反應，從而有效彌補氫氣體積能量密度過低的不足。
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鋰電池與燃料電池在船舶應用領域的分析
如圖4所示，隨著儲能的增加，鋰電池的質量比能量展現出下降的趨勢，這是因為鋰電池是一個封閉系統，電池本就是能量的載體，質量比能量不會隨著儲能的增加而減少，但會增加維持電池穩定運行的輔件，從而導致整體比能量減小。在燃料電池系統中，能量依靠燃料儲存。當儲能量減小時，電堆自重占電堆系統中的比重較大，導致了較低的質量比功率。當儲能量增大時，電堆自重占電堆系統中的比重逐漸縮小，質量比功率在開始時隨著儲能量的增大迅速增大，最后趨于穩定。
圖4 鋰電池和燃料電池質量能量密度對比[2]
[2]王振等, 燃料電池和鋰電池在船用領域的對比分析. 船電技術, 2021. 41(2).
鋰電池作為儲能裝置，單位儲能價格比較穩定，故而總儲能花費價格與儲能量成正比關系。燃料電池的儲能量也與儲存燃料成正相關，不過相比于鋰電池，燃料電池的成本主要消耗在電堆系統制造上，燃料及其燃料儲存花費占比不大，從圖5中可以看到，其總花費不會隨著儲能量的增加而顯著增加。另外，當總儲能一定的條件下，增加功率基本不會影響鋰電池的總成本，但會顯著增加燃料電池的成本，這是因為燃料電池的輸出功率與電堆系統大小有關，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格對比
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總結
1.日本車用燃料電池技術領先世界，擁有較好的質子交換膜燃料電池基礎，但船用燃料電池推廣速度較慢。歐洲各國對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發經驗和示范項目，相關技術國際領先，其中德國技術最為突出。
2.目前應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與高溫燃料電池（MCFC和SOFC）進行配合，降低燃料艙的體積需求。
3.從成本和功率密度進行分析，燃料電池更加適用于小功率、大儲能的船型，鋰電池更加適用于大功率、小儲能的船型。大功率、大儲能的船型采用燃料電池方案體積和質量更小，但目前價格昂貴；若采用鋰電池，則可以降低制造成本，但也會降低船舶的有效載荷。故而應綜合兩種方案考慮最優值。
