燃料电池技术

第２０卷第１期　２０１　２年３月　广州航海高等专科学校学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ　ＭＡＲＩＴＩＭＥ　ＣＯＬＬＥＧＥ　Ｖｏ１．２０　ＮＯ．１　Ｍａｒ．２０１２　

燃料电池技术在船舶上的应用　

米志红　

（广州航海高等专科学校船舶工程学院，广东广州５１０７２５）　

摘　要：简要介绍了燃料电池作为船舶电力推进系统原动力的国内外研究现状，分析了燃料电池　

动力系统的基本结构及组成，展望了燃料电池系统的发展趋势与应前景．　

关键词：燃料电池；船舶电力推进；储能系统　

中图分类号：Ｕ６６５．１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—８５２６（２０１２）０１—０００７—０２　

作为船舶电力拖进系统最主要的原动机——柴　

油机所曾现的问题日趋突出：一是航运燃料燃烧时　

产生的大量浓缩氮和硫，成了环境污染的主要因素．　

近几年来，各国加强了对船舶排放的控制，尤其是针　

对近岸船舶气体排放的控制．二是高转速、大功率柴　

油机产生的振动和噪声所带来的问题越来越引起人　

们的重视．“零噪声”是人们对生活、工作环境提出　

的更高要求，尤其是乘客和船员．三是日益突出的全　

球能源问题要求人们必须在短时间内开发出新的能　

源及动力装置．　

燃料电池作为一种新型动力源，其转换率理论　

上可以达到９０％，系统升功率比柴油发电机组大　

５０％．如果将燃料电池作为船舶电力推进系统的主　

动力，既可以降低船舶燃料费用又可以减少局部排　

放，并能够大大降低船舶运营成本．目前，燃料电池　

在船舶上应用研究已经越来越受到重视¨　．　

１　国内外研究前沿　

船用燃料电池的研发开始于２１世纪，主要以欧　

洲造船强国为中心．由挪威船社研制的第一艘通过　

燃料电池进行供电运行的船舶于２００９年１２月实验　

运营，这个项目的成功预示着未来船舶动力系统的　

环保革新．而从２００９年开始，韩国大宇造船也开始　

进行燃料电池的研究，其实验功率可达３　ＭＷ．　从２０世纪９０年代开始，国内各大学和科研机　

2019.10Vol.43

No.10研究与设计

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2019年第1期新型燃料电池技术

氢是一种替代燃料，按重量计算，它的能量含

量很高。它大量储存在水、碳氢化合物和其他有机

物中。氢可以从多种多样的资源中产生，包括化石

燃料、生物质和水电解，以及风能、太阳能或电网电

力。氢气的环境影响和能源效率取决于它是如何

产生的。氢和燃料电池可以广泛应用。由于燃料

电池可以独立于电网，因此对于数据中心、电信塔、

医院、应急响应系统甚至国防军事应用等关键负载

功能来说，它们也是一个有吸引力的选择。燃料电

池与电池类似，它们不是燃烧产生电能。与今天的

汽油车类似，燃料电池电动汽车在一箱氢燃料上的

行驶里程可以超过300英里。他们可以在几分钟内

补充燃料，而且加燃料体验几乎和加油站一样。由

于发动机(即燃料电池)没有移动部件，永远不需要

换润滑油。

1氢燃料电池技术未来的可持续性[1]

Kumar讨论了一些关键的能源、环境和可持续性

问题，以及氢和燃料电池技术作为这些问题的潜在解

决方案之一的作用。氢是一种特别吸引人的运输燃

料。它是产生污染最少的燃料，可以在任何有水和清

洁电力的地方生产。用太阳能电解水或可再生生物

质气化制氢，然后用于燃料电池电动汽车(FCEV)的燃

料循环将产生很少或根本不会产生局部的、区域的或

全球污染。氢燃料电池汽车将结合电池动力电动汽

车(BPEVS)的最佳特性—零排放、高效、安静运行、长

寿命—内燃发动机汽车(ICEVs)的长距离和快速加油

时间。如果燃料电池技术如预期的那样发展，那么氢

燃料电池汽车将和太阳能电池汽车有一个重大的进

步，它们将比氢燃料电池汽车更清洁和更高效，比氢

燃料电池汽车有更短的加油时间和更低的生命周期

成本。作者将揭示用燃料电池取代现有发电源的可

能性。

燃料电池的类型主要取决于它们所使用的电解

质的类型。而电解液的类型又决定了操作温度，不同

类型的操作温度差别很大。高温燃料电池的工作温

度在1100华氏度(600摄氏度)以上，这些高温使得轻

烃燃料(如甲烷)在有水存在的情况下自发地内部转化为氢和碳。

氢能源燃料电池技术参数

1.效率

氢能源燃料电池的效率是指将氢和氧气化学反应转化为电能的比例。根据燃料电池的类型和不同的工作条件，其效率可以达到40%到60%之间。这意味着在电能输出的同时，也会有一定数量的热能损失。为了提高效率，研究人员正在不断优化催化剂、电解质和电解质膜等关键组件的性能。

2.发电功率密度

发电功率密度是指燃料电池单位体积或单位面积内的电能输出。它是衡量燃料电池性能的重要指标之一、目前，商业化的燃料电池系统的发电功率密度可以达到1至2千瓦/升，甚至更高。随着技术的进步，预计未来燃料电池的发电功率密度将进一步提高，实现更高的能量输出。

3.压力

氢能源燃料电池所需的氢气通常以高压形式存储。高压氢气储存可以提高储氢密度、减小储氢空间占用和方便氢气的输送。目前商业化的燃料电池汽车往往采用350至700巴的压力储氢，而航空航天领域的一些应用可能需要更高的压力。

4.响应时间

响应时间是指燃料电池系统从冷启动到达工作温度并输出稳定的电能所需的时间。燃料电池的响应时间较长可能会影响其在运行和启动时的可靠性和效率。目前，研究人员正致力于开发新型催化剂、改进传热和气体扩散等技术，以缩短响应时间，提高燃料电池的性能。

5.耐久性 燃料电池系统的耐久性是指其在长期运行过程中是否能够保持高效、稳定的工作状态。一般来说，商业化的燃料电池汽车系统要求能够在正常使用条件下工作5000小时以上。为了提高燃料电池的耐久性，研究人员不断优化材料、降低腐蚀等因素对燃料电池的影响，并开展相关的耐久性测试和研究。

总体而言，随着氢能源燃料电池技术的不断发展，其效率、功率密度、压力、响应时间和耐久性等关键参数将不断提高，促使其在各个领域的应用得到进一步推广和普及。同时，研究人员需解决一些挑战，如催化剂的稳定性、电解质膜的耐久性和储氢的安全性等，以推动氢能源燃料电池技术的发展。