燃料电池技术及其船舶应用现状
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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
５ 多样 化 的燃料 选择 ．
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
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 。
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 Ｗａｔｌ ￣开发的应用于船舶的 固体氧化物燃料 电池ＷＦ ２ 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 ｒｉ ＆－ ｓｉ ｉ Ｃ０
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 。
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Ｃ Ｏ排放比柴油机要低
得 多 ，另外 有极 微量 的Ｎ 排 放和 Ｃ 排放 。其 中 ，固 Ｏ 体 氧 化物 燃 料 电池 的 寿命 可达 ￣ ４ ０ ，检修 周 期 ｔ００ ０ｈ ］
燃料 电池可使用多种燃料 ，如纯氢气 、天然气 、
６ 热 电齐供 ．
为８ ０ 。 目 ０ ０ ｈ 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 ：
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 示 。其 电化 学反 应 的 完成 需 所 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 （ 极 端使 用 燃 料 ，阴极 端 使 用 氧 化 阳 物 ）布 置 在 电解 质 两 端 ，通 过 外 部 导 线 连 接 形 成 回
、
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 （ Ｆ Ａ Ｃ）、质 子交换 膜 燃料 电
池 （ Ｅ Ｃ）和磷 酸 型燃 料 电池 （ ＡＦ Ｐ ＭＦ Ｐ Ｃ），这 三 种
类型 的电池为低温燃料 电池 。固体氧化物燃料 电池
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 （ 氢气 ），阴极导 管 如 中注人 空 气 （ 气＋ 气 ），两支 导 管被 电解 液和 电 氧 氮 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
１０ ７ 年的历史 ，但直￣ ２ 世纪后才得到快速发展。其 １０ ］
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
（ Ｏ Ｃ）和熔 融碳 酸盐燃 料 电池 （ Ｆ ＳＦ ＭＣ Ｃ）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。
３ ０
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 灵活 ，船舶的电力布置和货舱空间及结构得以优化。
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 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
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
５ 多样 化 的燃料 选择 ．
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
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 。
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 Ｗａｔｌ ￣开发的应用于船舶的 固体氧化物燃料 电池ＷＦ ２ 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 ｒｉ ＆－ ｓｉ ｉ Ｃ０
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 。
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Ｃ Ｏ排放比柴油机要低
得 多 ，另外 有极 微量 的Ｎ 排 放和 Ｃ 排放 。其 中 ，固 Ｏ 体 氧 化物 燃 料 电池 的 寿命 可达 ￣ ４ ０ ，检修 周 期 ｔ００ ０ｈ ］
燃料 电池可使用多种燃料 ，如纯氢气 、天然气 、
６ 热 电齐供 ．
为８ ０ 。 目 ０ ０ ｈ 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 ：
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 示 。其 电化 学反 应 的 完成 需 所 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 （ 极 端使 用 燃 料 ，阴极 端 使 用 氧 化 阳 物 ）布 置 在 电解 质 两 端 ，通 过 外 部 导 线 连 接 形 成 回
、
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 （ Ｆ Ａ Ｃ）、质 子交换 膜 燃料 电
池 （ Ｅ Ｃ）和磷 酸 型燃 料 电池 （ ＡＦ Ｐ ＭＦ Ｐ Ｃ），这 三 种
类型 的电池为低温燃料 电池 。固体氧化物燃料 电池
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 （ 氢气 ），阴极导 管 如 中注人 空 气 （ 气＋ 气 ），两支 导 管被 电解 液和 电 氧 氮 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
１０ ７ 年的历史 ，但直￣ ２ 世纪后才得到快速发展。其 １０ ］
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
（ Ｏ Ｃ）和熔 融碳 酸盐燃 料 电池 （ Ｆ ＳＦ ＭＣ Ｃ）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。
３ ０
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 灵活 ，船舶的电力布置和货舱空间及结构得以优化。
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 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