燃料电池技术及其船舶应用现状

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Wartsila公司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170年的历史，但直到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、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。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1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），阴极导管中注入空气（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/或对流形式来到电极/电解质结合体或是催化剂/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，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（H2O）是反应过程中唯一的副产物。一般来说，由于受到反应物供应到反应表面区域的限制，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，可靠性强，已成为当前船舶燃料电池技术的首选。目前主要使用的燃料是天然气和甲醇。由于使用的燃料中的碳含量较少且效率高，其CO2排放比柴油机要低得多，另外有极微量的NOx排放和CO排放。其中，固体氧化物燃料电池的寿命可达到40000h,检修周期为8000ho目前大部分的工作都集中在新材料和生产特定系统的材料处理上。二、燃料电池的特点使用燃料电池发电和传统热机如柴油机及燃气轮机相比，优点很多。燃料电池的主要特点如下：1 .高效率燃料电池不是通过燃烧来工作的，因此，它的理论效率并不受卡诺循环（热力学第二定律）的限制。燃料电池组的电效率（从燃料输入到电能输出）为40%50%,如果联合使用系统和/或同步发电/热机，系统效率可达60%80%o将来也可用于船舶推进系统。2 .低排放由于燃料电池中只是进行电化学反应，没有燃烧过程发生，对于质子交换膜燃料电池来说，大部分有害成分在燃料提取器中被去除了，因此电池排放可忽略不计。对于固体氧化物燃料电池来说，燃料经提取后，其排放物有CO2,但是其排量要比传统热机小，而且氮氧化物的排放与传统热机相比要小得多。因此燃料电池可以满足更加严格的排放控制要求。3 .低噪声燃料电池由于没有运动部件，只有辅助部件或设备发出声音，例如泵、风扇、增压机等，这就大大改善了船舶环境及船员的工作条件。燃料电池组可置于任何地方，甚至可在客舱或船员舱室附近。这个特性对于噪声要求严格的船舶如勘探船和客船相当重要。4 .良好的组件或部件承载能力由于燃料电池的效率很大程度上取决于电池单元的特性，和电池组的大小无关，所以可以通过载荷分配来保持燃料电池系统的效率，如30%100%的电力输出。另一方面，传统热机在部分载荷情况下工作效率很低，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灵活，船舶的电力布置和货舱空间及结构得以优化。5 .多样化的燃料选择|燃料电池可使用多种燃料，如纯氢气、天然气、甲烷、石脑油、液态碳氢燃料、煤气甚至是生物燃料。目前低温燃料电池（如质子交换膜燃料电池）需使用纯氢气，而高温燃料电池（如固体氧化物燃料电池）可直接使用天然气。燃料电池使用多种燃料的特点，可减少对于石油产品的依赖。6 .热电齐供高温燃料电池(如固体氧化物燃料电池)不仅可以提供电能，而且可以同时提供热能。7 .低操作/维修成本和热机相比，燃料电池操作方便。由于电池几乎没有运动部件，可无人控制且不需要滑油，因此工作维护费用要比柴油机少得多。通过以上对照可以看出，燃料电池在很多方面的特点优于热机。然而，燃料电池的功率密度和电堆容量不足，且成本和价格相对过高，离实船使用尚有一定的距离。三、Wartsila公司的WFC20燃料电池自2000年开始，Wartsila公司开始开发在船舶上使用的燃料电池，目前已成为世界燃料电池的主要开发商之一，主要从事用于船舶和工业的固体氧化物燃料电池的开发工作。在2004年以前，Wartsila公司主要开发5kW以下的固体氧化物燃料电池并测试其功能。2006年，在燃料电池研制方面的一个重要进展是成功地开发和制造了20kW的固体氧化物燃料电池原型机，这是使用固体氧化物燃料电池技术生产的第一台该类型的燃料电池。接下来将开发50kW的燃料电池，其长期计划将开发功率为250kW的燃料电池并用于同时供电和供热的场所。预计到2015年可实现燃料电池的完全商业化。在完全商业化之前，需努力降低燃料电池的成本和延长其使用寿命。Wartsila公司开发的固体氧化物燃料电池主要以天然气或甲醇为燃料，目前主要开发的是WFC20原型机。其外形如图2(a)所示，其长度约为3.29m,高度为1.65m,宽度为1.05m,采用模块化设计，可以采用多个燃料电池单元构建成大型系统。固体氧化物燃料电池工作原理如图2(b)所示，燃料(天然气)从左上角供入首先进行脱硫，然后在预处理器中进行预处理，经过预处理后的燃料以氢气、甲烷等混合气的状态进入燃料电池的阳极，在阴极供入空气，阳极端的电化学氧化反应产生电子，电子经由内部连接器来到外部，离子经过电解质去了阳极，电子通过外部回路回到阴极，进行电化学还原反应。在此过程中产生电能，电效率约为40%o由于固体氧化物燃料电池属高温燃料电池，其工作过程是在750C的温度下进行的，废气在接触反应后在燃烧器中进行，这里产生的高温热量会在其他方面加以使用。图2W航各牖公司开发的固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池的热平衡如图3所示，其电效率为46%,净热回收率为34%，总体的热效率达到了80%,20kW机组总质量约3t。内部度功图3西沐翅化的燃料电池的热平净四、燃料电池在船舶上的应用燃料电池应用于船舶的主要问题有价格与操作成本、燃料供应与提取、技术成熟度、安全和入籍问题等。燃料电池是一项新技术，相对成本较高，这对商业推广来说是主要的障碍。现在燃料电池的初投资费用约是普通柴油机的6倍，由于柴油机的燃油消耗比燃料电7高，按目前的液化天然气（LNG）和船用柴油的价格计算，在柴油机的使用寿命之内，使用燃料电池所节省的燃料费用总量约是初投资费用增加量的一半。据挪威船级社（DNV）和挪威技术大学（NTNU）的联合统计，按目前的技术，在燃料电池的使用寿命内，预计使用天然气燃料电池的成本比普通柴油机高30%95%oDNV根据未来对于船舶排放的限制及燃料电池船可以大大降低有害气体排放的优点，预计到2015年，对于在欧洲水域航行船舶，由于降低的环境费和引入排放交易配额，燃料电池船会得到更多的补偿，届时燃料电池的成本会比普通柴油机高050%o由于不同领域使用的燃料电池不尽相同，其成本也不相同，汽车领域的燃料电池价格最低，其次为工业和船舶领域，而电子行业的燃料电池成本最高。随着技术的进步，燃料电池的价格会随着时间的推移快速下降，如图4所示。燃料电池可用的燃料很多，包括纯氢气、天然气、甲烷、石脑油、液态碳氢燃料、煤气甚至生物燃料等。对于装载上船的燃料的要求是：操作安全，提取简单，世界范围内可使用，而且价格便宜。也就是说要考虑到有充足的供应，具备可靠的供给和储存手段以及燃料的经济性。纯氢的能量密度很大，但比体积效率并不高。氢的加装、储存、运输以及可燃氢的安全性和对船舶结构的改造也是一个问题。从目前的燃料电池使用燃料来看，天然气不但储量丰富，洁净，储存方便，在世界各地具有很多的供应站，而且目前天然气的价格略低于重油，已具备了作为船舶燃料的基本条件。由于天然气储存和运输技术的发展，以及在LNG运输船主动力装置向双燃料柴油机转化中所形成的完善的天然气使用和供给设备，都使其有很大的竞争力。因此，在船舶使用中，以天然气为燃料的高温燃料电池如固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池备受关注燃料电池技术在本世纪内得到了快速发展，某些专家认为该技术目前已接近于成熟，可大规模工业使用,如在船舶上应用。最成熟的燃料电池的寿命和可靠性也已接近工业标准。目前燃料电池船舶应用受到的限制除了燃料电池技术本身以外，售后服务也是很重要的影响因素。传统船舶柴油机的售后服务和基础设施都发展良好并被广泛接受。因此，考虑到售后服务与经济性，在使用重油或船用燃油的情况下，船舶仍会使用柴油机和/或燃气轮机。五、结论和传统热机相比，燃料电池在热效率、低排放和低噪声以及使用多种燃料等方面有很大的优势。燃料电池技术在本世纪内得到了快速发展，目前已接近于成熟，然而，在制造和使用成本、燃料的供应以及售后服务等方面还存在一定的问题，仍需要进一步改进和提高。参考文献：1 GREGA.FuelcellsandissuesfortheiruseinwarshipsJ.JournalofMarineDesignandOperations,2003(3):9-19.2 PAGNIJ.Fuelcells-greenpowerforthefutureJ.Twentyfour7,2008(1):63-64.3 TOMAST.DevelopingfuelcellsystemsforshipuseJ.TheScandinavianShippingGazette,2006(18):18-21.