引言：在目前的民用船舶推進(jìn)市場中，主要份額仍然被柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所主宰，按功率計(jì)，其占領(lǐng)目前市場大約95%的份額，燃?xì)廨啓C(jī)也占有少量的市場份額。由于燃料電池在各方面的局限性，其開發(fā)和應(yīng)用對于民用船舶來說仍處于起步的階段，目前燃料電池系統(tǒng)只在潛艇的AIP系統(tǒng)中有成熟的實(shí)際應(yīng)用，例如德國的212A型潛艇，日本的urashima小型AIP潛艇。
一、潛在優(yōu)勢
對于較大型船舶，燃料電池通常用于與柴油發(fā)電機(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)或是直接用于輔助動(dòng)力系統(tǒng)來進(jìn)行工作。對于小型船舶，燃料電池系統(tǒng)已可以作為主推進(jìn)系統(tǒng)工作并擁有實(shí)船測試的成功案例，但是其功率普遍不超過100千瓦。相較于傳統(tǒng)動(dòng)力，燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：
能效轉(zhuǎn)換率高：相較于普通柴油機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)25%-40%的能效轉(zhuǎn)換率（從輸入燃料到輸出電），燃料電池的能效轉(zhuǎn)換率在40%-50%之間，部分可達(dá)到60%以上。
圖1 各類型發(fā)電機(jī)能效轉(zhuǎn)換率（EPA）
“零排放”：以氫和甲醇為能源的燃料電池的排放物僅為水和二氧化碳，并沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮或硫的氧化物。符合了國際上各公約對船舶排放的限制。
燃料選擇的多樣化：氫，甲醇，天然氣均可作為燃料電池的燃料，其來源廣泛，無需擔(dān)心燃料短缺問題。
加工難度低，運(yùn)行平穩(wěn)：燃料電池組由不同數(shù)量的單體燃料電池串聯(lián)而成，可以根據(jù)要求配置成不同功率的電池組，加工精度較內(nèi)燃機(jī)更低。且其短時(shí)過載能力較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更強(qiáng)，可以達(dá)到額定功率的200%，不易“熄火”，運(yùn)行平穩(wěn)。
低噪音：燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，噪聲源僅來自于空氣壓縮機(jī)與冷卻系統(tǒng)等輔助部件，沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在氣缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的轟鳴，運(yùn)行過程中振動(dòng)較小，產(chǎn)生的噪聲幾乎可以忽略不計(jì)。
二、存在的問題
系統(tǒng)安全性有待提高：燃料電池系統(tǒng)需要把數(shù)千上萬個(gè)單體燃料電池集成與一體構(gòu)成燃料電池堆來形成足夠大的功率，系統(tǒng)要求每個(gè)單體燃料電池都有一致的質(zhì)量且不允許串聯(lián)時(shí)出現(xiàn)任何的差錯(cuò)。除此之外，船舶行駛的特殊工作環(huán)境如腐蝕，震動(dòng)撞擊，搖晃程度等環(huán)境因素都會(huì)造成電池堆內(nèi)部的不平衡性，容易造成危險(xiǎn)。
技術(shù)性能仍需提高：一是燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較傳統(tǒng)柴油機(jī)更慢，在緊急加速或極端天氣的情況下，響應(yīng)速度慢的問題或?qū)⒂绊懘靶旭偟陌踩浴６侨剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)壽命較短，目前國際上燃料電池的壽命普遍不超過5000小時(shí)，與實(shí)際應(yīng)用仍有一定差距，尤其是對需要長時(shí)間運(yùn)行的遠(yuǎn)洋船舶來說尤為致命。三是環(huán)境適應(yīng)性較差，低溫啟動(dòng)較為困難，極有可能在寒冷天氣時(shí)無法正常使用。
圖2 DOE發(fā)布的燃料電池壽命路線圖
系統(tǒng)成本過高：目前燃料電池中普遍采用鉑作為催化劑，其高昂的價(jià)格導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)整體成本的增高。美國能源部預(yù)測車用燃料電池系統(tǒng)需要年產(chǎn)50萬臺(tái)成本才可達(dá)到與普通內(nèi)燃機(jī)相同的成本，而目前市場需求量與預(yù)測相距甚遠(yuǎn)，船用燃料電池系統(tǒng)暫無詳細(xì)數(shù)據(jù)但其成本也可見一斑。
圖3 DOE燃料電池系統(tǒng)成本預(yù)測（年產(chǎn)50萬臺(tái)）
基礎(chǔ)設(shè)施滯后：以目前相對較為成熟的氫燃料電池系統(tǒng)來看，相應(yīng)船舶必須配套氫加注碼頭（暫無實(shí)例），目前美國能源部提出的車用加氫站平均建設(shè)成本在200萬美元左右，考慮到儲(chǔ)氫量與運(yùn)輸成本，港口加氫站的建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用必定更高。要在各地碼頭大面具鋪開加氫站的成本與維修費(fèi)用將不可估量。
三、研發(fā)情況
1、歐洲
目前對于船用燃料電池系統(tǒng)的研究主要集中在歐洲，全球第一艘以燃料電池作為船舶電力來源的商業(yè)運(yùn)營船舶，就是由歐洲幾大船級社與企業(yè)合作研制（DNV、挪威航運(yùn)集團(tuán)、瓦錫蘭、VIK SANDVIK、MTU），該燃料電池系統(tǒng)功率為320千瓦，安裝在一艘平臺(tái)供應(yīng)船“Viking Lady”上并成功運(yùn)行。但是從目前各企業(yè)和船級社對船用燃料電池系統(tǒng)的研究來看，其對于船用燃料電池的研究大多以可行性與燃料產(chǎn)能效率研究為主，進(jìn)行實(shí)船測試的相對較少。
圖4 首艘燃料電池船舶的合作單位與分工
圖5 首艘燃料電池船“Viking Lady”
表1 歐洲船用燃料電池系統(tǒng)研究項(xiàng)目
2、日本
在2009年5月，日本國土交通省制定的《對于船舶行業(yè)中長期科研計(jì)劃》中便提到了將燃料電池作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)來減少排放。得益于日本燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，其在船用領(lǐng)域雖起步晚但發(fā)展較快。2015年初，在日本環(huán)境省的政策支持下，日本戶田建設(shè)與雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)手開發(fā)氫燃料電池船舶，年底便在一艘漁船上實(shí)現(xiàn)了實(shí)船試航，其最高速度可達(dá)37千米/小時(shí)，每次加氫可運(yùn)行2小時(shí)左右。另外，三菱重工、Flatfield等企業(yè)對燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也有著持續(xù)的研究。
圖6 日本《對于船舶行業(yè)中長期科研計(jì)劃》
3、韓國
2010年3月，韓國知識(shí)經(jīng)濟(jì)部制訂的《造船產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》中便提到了將燃料電池等綠色能源應(yīng)用和IT技術(shù)應(yīng)用到船舶行業(yè)中。2015年，政府推出的燃料電池船舶項(xiàng)目共投入160億韓元，由韓國船級社牽頭進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)。另外，韓國的大型船廠與企業(yè)如大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船都參加了政府牽頭的船用燃料電池研發(fā)項(xiàng)目或自主研發(fā)。
4、中國
我國對民用船舶燃料電池系統(tǒng)的研究主要集中在高校與部分科研院所。我國第一艘燃料電池船舶的實(shí)船測試在2005年11月，是由上海海事大學(xué)研制的“天翔一號”小艇，以氫作為燃料，電池系統(tǒng)可以支撐小艇在14千米/小時(shí)的速度下航行5小時(shí)，電池功率為2千瓦。
四、展望
受成本、安全、壽命等多種因素影響，燃料電池在民用船舶領(lǐng)域目前尚不具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件，但是隨著國際公約法規(guī)對船舶排放要求的日益嚴(yán)格，燃料電池系統(tǒng)卓越的排放性能有可能將其推向船舶動(dòng)力市場的新風(fēng)口，尤其是豪華游輪在船舶行業(yè)逐漸崛起的今天，燃料電池系統(tǒng)噪音低的優(yōu)勢完美滿足了豪華游輪對舒適度的要求。目前限制船用燃料電池系統(tǒng)走向大規(guī)模商業(yè)化的歸根結(jié)底還是技術(shù)與成本問題，但隨著技術(shù)的不斷革新，燃料電池將有可能打破現(xiàn)有的船用動(dòng)力系統(tǒng)格局，燃料電池能否成功“上船”，拭目以待。
