燃料电池技术及其船舶应用现状 大连海事大学轮机工程学院李斌 摘要：燃料电池由于具有高效率、低排放和低噪声、可使用多种燃料等特性，已在很多领域得以应用，比如可用作船舶应急发 电机、发电机及推进器电力供应装置。简要介绍燃料电池技术，从效率、能量利用及排放等方面分析燃料电池的特点，并以 Ｗａｒｔｓｉｌｉｉ＆－￣开发的应用于船舶的固体氧化物燃料电池ＷＦＣ２０为例，介绍目前最先进的船舶燃料电池的性能指标和工作参数，对 燃料电池在船舶应用的现状及主要不足进行探讨。 关键词：燃料电池；船舶；发展；固体氧化物燃料电池 燃料电池是一种将化学反应物的自由能按电化学 原理转化为电能的能量转换装置，是一种不通过燃烧 将化学能转化为电能的装置。燃料电池的发明已有约 燃料电池可以使用氢气、天然气、甲醇、乙醇、 生物燃料、氨、一氧化碳甚至轻柴油作为燃料，在燃 料电池中，燃料的化学能转化成电能，其工作原理与 电池非常相似，如图ｌ所示。其电化学反应的完成需 要尖端的材料技术。所有燃料电池的基本结构都相 似：两个电极（阳极端使用燃料，阴极端使用氧化 物）布置在电解质两端，通过外部导线连接形成回 １７０年的历史，但直￣１］２０世纪后才得到快速发展。其 中最著名的应用是阿波罗号宇宙飞船。 随着石油价格的飙升，人们的目光都集中到高能 量与洁净能源上。风能、水能及太阳能这些可再生能 源的使用将成为趋势。但这些能源的特点是受环境气 候的影响较大，不能够提供持续、稳定的能量供应。 燃料电池由于具有很高的效率、对于燃料多样化的适 路。电极浸没在气体和液体流（燃料和氧化剂）中， 气体和液体可通过电极上的孔结构渗入电极。电解液 对于气体的渗透性应越低越好。 在阳极导管中，注入燃料（如氢气），阴极导管 中注人空气（氧气＋氮气），两支导管被电解液和电 极的结合体分开，反应物通过扩散和成对流形式来到 电极／电解质结合体或是催化Ｎ／电解质结合体的交界 面，这样电化学反应就开始了。电化学反应过程中， 应性以及稳定的供电保证，减少了我们对于原油的依 赖和对大气有害气体的排放，越来越受到各个行业的 青睐。同时，材料技术的发展也使得它潜在的高效率 得以实现。最近十几年里，燃料电池技术在世界范围 内得到了广泛深入的研究。燃料电池高效率低污染的 特性，使其成为下一代汽车与船舶动力设备替代品中 的佼佼者。 一部分的氧气在阴极导管中被消耗，氢气在阳极导管中 被消耗，热量和水（Ｈ Ｏ）是反应过程中唯一的副 产物。 、燃料电池简介 一般是按照电解液和电池工作温度的不同对各类 燃料电池进行大体的分类。目前有几种燃料电池正在 研发中。碱性燃料电池（ＡＦＣ）、质子交换膜燃料电 池（ＰＥＭＦＣ）和磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ），这三种 类型的电池为低温燃料电池。固体氧化物燃料电池 （ＳＯＦＣ）和熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）属高温燃 料电池，因为其工作温度高，可使用天然气作为燃 料，整个系统的效率可以得到很显著的提高。 ３０ 图１燃料电池的工作原理 一般来说，由于受到反应物供应到反应表面区域 率很低，而使用燃料电池对于载荷经常变动的船舶如 渡船或海上供给船来说很有效。而且，燃料电池可以 以模块形式制造，为了适应载荷要求，可以随意改变 燃料电池系统的大小，这样可以使燃料电池部件布置 的，一个电池单元在工作条件下只能产生有限的 能量。所以，要通过将电池单元串联或并联来产生所 需的能量。 高温燃料电池由于可以使用多种燃料，效率高， 灵活，船舶的电力布置和货舱空间及结构得以优化。 可靠性强，已成为当前船舶燃料电池技术的首选。目 ５．多样化的燃料选择 前主要使用的燃料是天然气和甲醇。由于使用的燃料 燃料电池可使用多种燃料，如纯氢气、天然气、 中的碳含量较少且效率高，其ＣＯ 排放比柴油机要低 甲烷、石脑油、液态碳氢燃料、煤气甚至是生物燃 得多，另外有极微量的Ｎ 排放和ＣＯ排放。其中，固 料。目前低温燃料电池（如质子交换膜燃料电池）需 体氧化物燃料电池的寿命可达￣ｔ］４０ ０００ ｈ，检修周期 使用纯氢气，而高温燃料电池（如固体氧化物燃料电 为８ ０００ ｈ。目前大部分的工作都集中在新材料和生产 池）可直接使用天然气。燃料电池使用多种燃料的特 特定系统的材料处理上。 点，可减少对于石油产品的依赖。 二、燃料电池的特点 ６．热电齐供 高温燃料电池（如固体氧化物燃料电池）不仅可 使用燃料电池发电和传统热机如柴油机及燃气轮 以提供电能，而且可以同时提供热能。 机相比，优点很多。燃料电池的主要特点如下： ７．低操作／维修成本 １．高效率 和热机相比，燃料电池操作方便。由于电池几乎 燃料电池不是通过燃烧来工作的，因此，它的理 没有运动部件，可无人控制且不需要滑油，因此工作 论效率并不受卡诺循环（热力学第二定律）的。 维护费用要比柴油机少得多。 燃料电池组的电效率（从燃料输入到电能输出）为 通过以上对照可以看出，燃料电池在很多方面的 ４０％～５０％，如果联合使用系统和／或同步发电／热机， 特点优于热机。然而，燃料电池的功率密度和电堆容 系统效率可达６０％一８０％。将来也可用于船舶推进系 量不足，且成本和价格相对过高，离实船使用尚有一 统。 定的距离。 ２．低排放 由于燃料电池中只是进行电化学反应，没有燃烧 三、Ｗ若ｒｔｓ 公司的ＷＦＣ２０燃料电池 过程发生，对于质子交换膜燃料电池来说，大部分有 自２０００年开始，Ｗｆｉｒｔｓｉｌｉｆ公司开始开发在船舶上 害成分在燃料提取器中被去除了，因此电池排放可忽 使用的燃料电池，目前已成为世界燃料电池的主要开 略不计。对于固体氧化物燃料电池来说，燃料经提取 发商之一，主要从事用于船舶和工业的固体氧化物燃 后，其排放物有ＣＯ ，但是其排量要比传统热机小， 料电池的开发工作。在２００４年以前，Ｗ￣ｉｒｔｓｉｌｉｉ公司主 而且氮氧化物的排放与传统热机相比要小得多。因此 要开发５ ｋＷ以下的固体氧化物燃料电池并测试其功 燃料电池可以满足更加严格的排放控制要求。 能。２００６年，在燃料电池研制方面的一个重要进展是 ３．低噪声 成功地开发和制造了２０ ｋＷ的固体氧化物燃料电池原 燃料电池由于没有运动部件，只有辅助部件或设 型机，这是使用固体氧化物燃料电池技术生产的第一 备发出声音，例如泵、风扇、增压机等，这就大大改 台该类型的燃料电池。接下来将开发５０ ｋＷ的燃料电 善了船舶环境及船员的工作条件。燃料电池组可置于 池，其长期计划将开发功率为２５０ ｋＷ的燃料电池并用 任何地方，甚至可在客舱或船员舱室附近。这个特ｌ生 于同时供电和供热的场所。预计￣１］２０１５年可实现燃料 对于噪声要求严格的船舶如勘探船和客船相当重要。 电池的完全商业化。在完全商业化之前，需努力降低 ４．良好的组件或部件承载能力 燃料电池的成本和延长其使用寿命。 由于燃料电池的效率很大程度上取决于电池单元 Ｗ／ｉｒｔｓｉｌ￣ｉ公司开发的固体氧化物燃料电池主要以 的特性，和电池组的大小无关，所以可以通过载荷分 天然气或甲醇为燃料，目前主要开发的是ＷＦＣ２０原型 配来保持燃料电池系统的效率，；Ｈ３ｏ％～１００％的电力 机。其外形如图２（ａ）所示，其长度约为３．２９ ｍ，高 输出。另一方面，传统热机在部分载荷情况下工作效 度为１．６５ ｍ，宽度为１．０５ ｍ，采用模块化设计，可以 ３１
