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摘要：船舶动力来源主要为柴油机、燃气轮机等，在其提供动力的同时还会排放大量的硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等大气污染物，对环境和大气造成严重的污染，基于此开发绿色环保的船舶动力能源迫在眉睫。氢燃料作为可再生、无污染、热值高的动力能源，解决目前船舶污染排放的难题。本文研究综述了燃料电池及其发电系统，研发的几种燃料电池船舶的应用情况，总结船舶氢燃料电池应用推广问题，展望氢燃料电池在船舶应用的前景。
Abstract： The main power sources of ships are diesel engines and gas turbines. While providing power， they will also emit a large number of air pollutants such as sulfur oxides， carbon dioxide， nitrogen oxides and particles， causing serious pollution to the environment and atmosphere. Therefore， it is urgent to develop green marine power energy. Hydrogen fuel， as a renewable， pollution-free and high calorific value power energy， solves the problem of ship pollution emission. This paper summarizes the fuel cell and its power generation system， the application of several fuel cell ships developed， summarizes the application and promotion of marine hydrogen fuel cell， and looks forward to the prospect of hydrogen fuel cell application in ships.
关键词：船舶;氢燃料电池;应用前景
Key words： ship;hydrogen fuel cell;application prospect
中图分类号：U664.1 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0238-02
0 引言
经济的飞速发展带来的环境污染破坏问题也令人困扰，船舶运输行业的发达同时其产生的废气排放问题也严重影响环境健康，其对环境的破坏堪比陆地汽车排放，因此寻求性能佳、无污染的船舶驱动系统新能源，成为未来船舶运输行业发展的必然趋势。氢燃料电池作为目前已知的最清洁能源，其燃烧废物只有水，不会产生二氧化碳或其他的废气污染物，且热值非常高，因此，从长远角度来看，氢燃料电池可替代传统的柴油发动机、燃气船轮机成为理想的船舶动力来源。
1 船舶动力装置形式
目前全球船舶数量众多，类型多种多样，因此船舶动力装置形式也各式各样。
1.1 传统的船舶动力装置
传统的船舶动力装置有柴油机、汽轮机、燃气轮机，表1为传统的不同类型船舶动力装置的特点、燃油类型和热效率。
柴油机重量轻、结构紧凑，经济性较高，迄今为止已经被广泛地应用于民用船舶或中小型军舰上，是目前的主流船舶动力装置形式，汽轮机因其运行稳定可靠的优点多应用于运输船舶及航空母舰上，燃气轮机则多作为军舰动力装置。
传统的船舶动力装置包括柴油机、汽轮机以及燃气轮机在使用过程中的燃料油均为价格低廉但污染较重的重油，运行过程中会产生硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等大气污染物，污染环境，不符合绿色航运的大趋势，无法满足现代船舶零排放的要求。
1.2 船舶氢燃料电池动力装置的形式
1.2.1 氢燃料发动机 类似于传统的柴油发动机，氢燃料发动机的工作原理是氢气在发动机气缸中燃烧推动活塞做工，将热能转化为机械能，带动螺旋桨旋转，为船舶提供动力。由于氢气的燃点比较高，因此氢燃料发动机必须配备引燃系统，利用引燃油点燃氢燃料，基于此，氢燃料发动机通常结构比较复杂，但是正是由于燃点高的特点，氢燃料的压缩比更高，热效率也更高。另外，作为一种气体燃料，氢气在气缸中可以有效扩散形成更为均匀的混合物，从而提高气缸中的气体燃烧性能。综上，氢燃料发动机的加速性能良好且具有巨大的应用潜能。
1.2.2 氢燃料电池 氢燃料电池以氢气作为还原剂，氧气作为氧化剂，当氢燃料电池工作室，氢气和氧气分别供给两个电极，借助于电极催化剂，氢气和氧气反应生成水，氢电极多余电子呈负电，氧电极则呈正电，以此构成电源，实现化学能向电能的转化，效率可达60-80%，相当于普通内燃机热效率的两到三倍。氢燃料电池与锂离子动力电池方案的特点比较如表2所示，可以看出氢燃料电池在能量密度、占地面积、安全性等方面优势明显。 2 船舶氢燃料电池国内外应用实例
船舶氢燃料电池的首次应用可以追溯到2000年的德国Hydra，2000年德国的Hydra客船采用5kW功率的氢燃料电池首次在德国波恩附近的莱茵河正式亮相，并正式揭开了氢燃料电池在船舶领域应用的序幕。Hydra服役期間共运输乘客约两千人，并且在Ghent电推船会议中充当渡船使用，经过正式认证，Hydra的氢燃料电池在冰点以下也可以正常启动。此后，世界各国纷纷致力于氢燃料电池动力的船舶开发，甚至德国和意大利将氢燃料电池应用于潜艇中，并且该类型的潜艇至今仍在多个国家的海军中服役，氢燃料电池动力潜艇的推进系统由西门子生产的氢燃料电池系统作为动力装置，早起使用9套燃料电池，后期增大电池功率由原先的30-40kW/套提升至120kW/套，电池缩减为2套。
对于氢燃料电池船舶应用领域的研究，挪威一直是其他国家的领头羊。2017年9月，维京游轮公司宣布在挪威建造以氢燃料电池作为动力装置的邮轮，根据设计，该邮轮长达230m，以液氢为燃料，使用穿上的氢燃料电池作为动力驱动邮轮驱动以及供给邮轮其他用电。维京公司一直走在世界绿色航运应用技术的前沿，氢燃料电池邮轮应用计划不仅是维京公司绿色航运的重要举措，项目的完成也是全球绿色航运技术研究发展的重要一大步。
同年，Energy observer的试行和环球航行也是轰动一时的氢燃料电池应用事件。Energy observer是由加拿大Canadair造船厂制造的一搜双体豪华赛艇，经过全新的改装，在2017年6月份在法国圣马洛港口重新下水，Energy observer是全球第一艘可以自制氢能源的船只，其可以通过独特的动力源——太阳能完成电池蓄能。Energy observer的太阳能发电系统是根据Energy observer自身的特殊性进行专门打造，在船舶的行驶过程中船员往往需要在组件上行走，因此Energy observer的电池组件表面具有防滑特点。其次，Energy observer的两半船体并不完全一致，因此必须合理管理两边的电能。且Energy observer采用的是双面光伏电池，发电效率可以提高25%左右。最重要的是Energy observer还拥有另一个重要的动力来源——风能，同时辅助给予船体动力。
2011年挪威船级社在海洋工程船Viking Lady号上首次采用燃料电池作为动力来源，该项目有望为船舶动力能源的选择提供新的思路。经实践，相较于传统的发动机技术，氢燃料电池的应用可以大大降低船舶有害气体的排放量，提高动力能效，实现船舶运输有害物质的0排放，真正实现绿色航运。
2015年日本首艘氢燃料电池船舶的试水成功也标志着亚洲燃料电池船舶应用的开始，该船舶建造成本约为人民币500万元，相当于普通柴油驱动船舶的3倍以上，且氢气充载量相当于燃料电池车的2倍，有望用于渔船或游艇中，日本政府将继续致力于氢燃料电池在船舶中的应用工作，期望由沿海风力和光伏发电站实现储氢，加氢的构想，进一步带动沿海地区的经济发展。
2020年1月28日，中国船级社向武汉众宇动力颁发了首张船舶燃料电池产品型式认可证书，标志着我国船舶燃料电池的空白已经过去，同时也标志氢燃料电池在船舶中的商业化应用的一大进步。
3 船舶氢燃料电池应用存在的问题
由于特殊运行条件，船舶对于燃料电池功率的产品特性、安全性、需求以及储氢条件等的要求与汽车中大大不同，船舶氢燃料电池的应用主要存在以下的问题：
3.1 船舶氢燃料电池技术不足
目前我国船舶氢燃料电池的相关研究主要集中于科研院所与高校中，而未进行工程化应用的研究，目前，氢燃料电池模块与动力系统主要针对车用产品，而对于氢燃料电池在船舶特殊的工作环境与工作工况中的应用中还存在很大的局限性，尤其是安全性能中，因此亟需开展船舶氢燃料电池系统的科研研究工作，推动船舶氢燃料电池的应用。
3.2 氢气存储及加注技术亟待提高
由于氢气的易燃易爆以及液氢的低温、氧化特点，液氢的使用过程也存在许多风险，因此船用氢气的存储与加注技术是船舶氢气燃料电池发展的主要难点之一，目前，车用氢气燃料电池的氢气存储与加注技术已经初步实现产业化，但是由于船舶特殊的工作环境、工作要求例如续航力长、氢气耗量大等特点，船舶用氢气存储与加注技术尚不成熟，为了满足船舶使用需求，必须要寻求储氢密度、安全性以及储氢成本的平衡，研究出适用于船舶的高性能储氢技术。另外针对船用氢燃料加注技术，国外普遍采用的槽车式移动加注方式，作业随意性较大，不利于安全监管，国内已经明令禁止该加注方式，因此还需要进一步提高船舶用氢气加注技术，解决我国氢气加注困难的窘境。
3.3 船舶氢燃料电池动力的安全性及管理技术滞后
船舶氢燃料电池动力系统不同于传统的船舶动力推进理念，需要进一步验证其可行性、安全性与可靠性。由于氢气易燃易爆特点，氢气的上船下船运输会严重影响船舶安全管理、船员的培训、应急情况处理以及危险物品监管等。目前相关的培训要求、操作规程、应急预案目前我国还处于空白，因此必须研究船舶氢燃料电池的管理技术，推动绿色航运的发展。
4 结语
氢燃料电池在船舶动力中的应用可以从以下三方面入手：首先作为推动动力和辅助动力装置，应用于内河、内湖和近海的游船和游艇，满足该类型船舶对节能减排和提升船舶舒适度的需求;其次作为推动动力和辅助动力装置，应用于科考船等特种船舶，满足该类型船舶对噪声振动及废气排放的需求;最后作为辅助动力装置，应用于频繁进出港口的散货船和客船，满足该类型船对降低港口环境保护的需求。
参考文献：
[1]刘霞.绿色航运兴起 零排放船舶研发加速[N].科技日报，2021-09-16（004）.
[2]黄河，徐文珊，李明敏.氢燃料电池船舶动力的发展与展望[J].广东造船，2021，40（04）：28-30，74.
[3]王珺，王甫，袁金良，陈亚杰，潘志强.游船用氢燃料电池和储能电池的优化配置[J].电源技术，2021，45（03）：330-334，342.
[4]罗肖锋，吴顺平，雷伟，涂环，秦傲寒.船舶能源低碳发展趋势及路径[J].中国远洋海运，2021（03）：46-51.
Abstract： The main power sources of ships are diesel engines and gas turbines. While providing power， they will also emit a large number of air pollutants such as sulfur oxides， carbon dioxide， nitrogen oxides and particles， causing serious pollution to the environment and atmosphere. Therefore， it is urgent to develop green marine power energy. Hydrogen fuel， as a renewable， pollution-free and high calorific value power energy， solves the problem of ship pollution emission. This paper summarizes the fuel cell and its power generation system， the application of several fuel cell ships developed， summarizes the application and promotion of marine hydrogen fuel cell， and looks forward to the prospect of hydrogen fuel cell application in ships.
关键词：船舶;氢燃料电池;应用前景
Key words： ship;hydrogen fuel cell;application prospect
中图分类号：U664.1 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0238-02
0 引言
经济的飞速发展带来的环境污染破坏问题也令人困扰，船舶运输行业的发达同时其产生的废气排放问题也严重影响环境健康，其对环境的破坏堪比陆地汽车排放，因此寻求性能佳、无污染的船舶驱动系统新能源，成为未来船舶运输行业发展的必然趋势。氢燃料电池作为目前已知的最清洁能源，其燃烧废物只有水，不会产生二氧化碳或其他的废气污染物，且热值非常高，因此，从长远角度来看，氢燃料电池可替代传统的柴油发动机、燃气船轮机成为理想的船舶动力来源。
1 船舶动力装置形式
目前全球船舶数量众多，类型多种多样，因此船舶动力装置形式也各式各样。
1.1 传统的船舶动力装置
传统的船舶动力装置有柴油机、汽轮机、燃气轮机，表1为传统的不同类型船舶动力装置的特点、燃油类型和热效率。
柴油机重量轻、结构紧凑，经济性较高，迄今为止已经被广泛地应用于民用船舶或中小型军舰上，是目前的主流船舶动力装置形式，汽轮机因其运行稳定可靠的优点多应用于运输船舶及航空母舰上，燃气轮机则多作为军舰动力装置。
传统的船舶动力装置包括柴油机、汽轮机以及燃气轮机在使用过程中的燃料油均为价格低廉但污染较重的重油，运行过程中会产生硫氧化物、二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等大气污染物，污染环境，不符合绿色航运的大趋势，无法满足现代船舶零排放的要求。
1.2 船舶氢燃料电池动力装置的形式
1.2.1 氢燃料发动机 类似于传统的柴油发动机，氢燃料发动机的工作原理是氢气在发动机气缸中燃烧推动活塞做工，将热能转化为机械能，带动螺旋桨旋转，为船舶提供动力。由于氢气的燃点比较高，因此氢燃料发动机必须配备引燃系统，利用引燃油点燃氢燃料，基于此，氢燃料发动机通常结构比较复杂，但是正是由于燃点高的特点，氢燃料的压缩比更高，热效率也更高。另外，作为一种气体燃料，氢气在气缸中可以有效扩散形成更为均匀的混合物，从而提高气缸中的气体燃烧性能。综上，氢燃料发动机的加速性能良好且具有巨大的应用潜能。
1.2.2 氢燃料电池 氢燃料电池以氢气作为还原剂，氧气作为氧化剂，当氢燃料电池工作室，氢气和氧气分别供给两个电极，借助于电极催化剂，氢气和氧气反应生成水，氢电极多余电子呈负电，氧电极则呈正电，以此构成电源，实现化学能向电能的转化，效率可达60-80%，相当于普通内燃机热效率的两到三倍。氢燃料电池与锂离子动力电池方案的特点比较如表2所示，可以看出氢燃料电池在能量密度、占地面积、安全性等方面优势明显。 2 船舶氢燃料电池国内外应用实例
船舶氢燃料电池的首次应用可以追溯到2000年的德国Hydra，2000年德国的Hydra客船采用5kW功率的氢燃料电池首次在德国波恩附近的莱茵河正式亮相，并正式揭开了氢燃料电池在船舶领域应用的序幕。Hydra服役期間共运输乘客约两千人，并且在Ghent电推船会议中充当渡船使用，经过正式认证，Hydra的氢燃料电池在冰点以下也可以正常启动。此后，世界各国纷纷致力于氢燃料电池动力的船舶开发，甚至德国和意大利将氢燃料电池应用于潜艇中，并且该类型的潜艇至今仍在多个国家的海军中服役，氢燃料电池动力潜艇的推进系统由西门子生产的氢燃料电池系统作为动力装置，早起使用9套燃料电池，后期增大电池功率由原先的30-40kW/套提升至120kW/套，电池缩减为2套。
对于氢燃料电池船舶应用领域的研究，挪威一直是其他国家的领头羊。2017年9月，维京游轮公司宣布在挪威建造以氢燃料电池作为动力装置的邮轮，根据设计，该邮轮长达230m，以液氢为燃料，使用穿上的氢燃料电池作为动力驱动邮轮驱动以及供给邮轮其他用电。维京公司一直走在世界绿色航运应用技术的前沿，氢燃料电池邮轮应用计划不仅是维京公司绿色航运的重要举措，项目的完成也是全球绿色航运技术研究发展的重要一大步。
同年，Energy observer的试行和环球航行也是轰动一时的氢燃料电池应用事件。Energy observer是由加拿大Canadair造船厂制造的一搜双体豪华赛艇，经过全新的改装，在2017年6月份在法国圣马洛港口重新下水，Energy observer是全球第一艘可以自制氢能源的船只，其可以通过独特的动力源——太阳能完成电池蓄能。Energy observer的太阳能发电系统是根据Energy observer自身的特殊性进行专门打造，在船舶的行驶过程中船员往往需要在组件上行走，因此Energy observer的电池组件表面具有防滑特点。其次，Energy observer的两半船体并不完全一致，因此必须合理管理两边的电能。且Energy observer采用的是双面光伏电池，发电效率可以提高25%左右。最重要的是Energy observer还拥有另一个重要的动力来源——风能，同时辅助给予船体动力。
2011年挪威船级社在海洋工程船Viking Lady号上首次采用燃料电池作为动力来源，该项目有望为船舶动力能源的选择提供新的思路。经实践，相较于传统的发动机技术，氢燃料电池的应用可以大大降低船舶有害气体的排放量，提高动力能效，实现船舶运输有害物质的0排放，真正实现绿色航运。
2015年日本首艘氢燃料电池船舶的试水成功也标志着亚洲燃料电池船舶应用的开始，该船舶建造成本约为人民币500万元，相当于普通柴油驱动船舶的3倍以上，且氢气充载量相当于燃料电池车的2倍，有望用于渔船或游艇中，日本政府将继续致力于氢燃料电池在船舶中的应用工作，期望由沿海风力和光伏发电站实现储氢，加氢的构想，进一步带动沿海地区的经济发展。
2020年1月28日，中国船级社向武汉众宇动力颁发了首张船舶燃料电池产品型式认可证书，标志着我国船舶燃料电池的空白已经过去，同时也标志氢燃料电池在船舶中的商业化应用的一大进步。
3 船舶氢燃料电池应用存在的问题
由于特殊运行条件，船舶对于燃料电池功率的产品特性、安全性、需求以及储氢条件等的要求与汽车中大大不同，船舶氢燃料电池的应用主要存在以下的问题：
3.1 船舶氢燃料电池技术不足
目前我国船舶氢燃料电池的相关研究主要集中于科研院所与高校中，而未进行工程化应用的研究，目前，氢燃料电池模块与动力系统主要针对车用产品，而对于氢燃料电池在船舶特殊的工作环境与工作工况中的应用中还存在很大的局限性，尤其是安全性能中，因此亟需开展船舶氢燃料电池系统的科研研究工作，推动船舶氢燃料电池的应用。
3.2 氢气存储及加注技术亟待提高
由于氢气的易燃易爆以及液氢的低温、氧化特点，液氢的使用过程也存在许多风险，因此船用氢气的存储与加注技术是船舶氢气燃料电池发展的主要难点之一，目前，车用氢气燃料电池的氢气存储与加注技术已经初步实现产业化，但是由于船舶特殊的工作环境、工作要求例如续航力长、氢气耗量大等特点，船舶用氢气存储与加注技术尚不成熟，为了满足船舶使用需求，必须要寻求储氢密度、安全性以及储氢成本的平衡，研究出适用于船舶的高性能储氢技术。另外针对船用氢燃料加注技术，国外普遍采用的槽车式移动加注方式，作业随意性较大，不利于安全监管，国内已经明令禁止该加注方式，因此还需要进一步提高船舶用氢气加注技术，解决我国氢气加注困难的窘境。
3.3 船舶氢燃料电池动力的安全性及管理技术滞后
船舶氢燃料电池动力系统不同于传统的船舶动力推进理念，需要进一步验证其可行性、安全性与可靠性。由于氢气易燃易爆特点，氢气的上船下船运输会严重影响船舶安全管理、船员的培训、应急情况处理以及危险物品监管等。目前相关的培训要求、操作规程、应急预案目前我国还处于空白，因此必须研究船舶氢燃料电池的管理技术，推动绿色航运的发展。
4 结语
氢燃料电池在船舶动力中的应用可以从以下三方面入手：首先作为推动动力和辅助动力装置，应用于内河、内湖和近海的游船和游艇，满足该类型船舶对节能减排和提升船舶舒适度的需求;其次作为推动动力和辅助动力装置，应用于科考船等特种船舶，满足该类型船舶对噪声振动及废气排放的需求;最后作为辅助动力装置，应用于频繁进出港口的散货船和客船，满足该类型船对降低港口环境保护的需求。
参考文献：
[1]刘霞.绿色航运兴起 零排放船舶研发加速[N].科技日报，2021-09-16（004）.
[2]黄河，徐文珊，李明敏.氢燃料电池船舶动力的发展与展望[J].广东造船，2021，40（04）：28-30，74.
[3]王珺，王甫，袁金良，陈亚杰，潘志强.游船用氢燃料电池和储能电池的优化配置[J].电源技术，2021，45（03）：330-334，342.
[4]罗肖锋，吴顺平，雷伟，涂环，秦傲寒.船舶能源低碳发展趋势及路径[J].中国远洋海运，2021（03）：46-51.