1燃料电池及其技术特点燃料电池是一类电化学发电机，而非热力发动机。因此，燃料电池具有较高的能量转换效率，且不受卡诺循环的限制。在燃料电池发展的早期阶段，其曾被应用于空间电源[1]。空间领域相关技术对燃料电池的发展具有一定的促进作用。近年来，随着材料工艺的进步，燃料电池技术已经得到高速发展。除了能量转换效率较高之外，燃料电池还有许多优势。与热力发动机相比，燃料电池是一类工作温度较低的能量转换装置，其排放物主要为水；可以根据需求定制燃料电池的容量和功率，从而为不同设备提供所需电能；燃料电池上仅有为数极少的运动部件，是一类静音性好、可靠性高且不需要过多保养的电源。燃料电池电解质主要包含碱性或酸性电解液、熔融碳酸盐和固体氧化物等。电池本体辅助系统包括反应物供应调节、排水、排热及安全等系统。反应物系统主要包括燃料（主要为氢）、氧化剂和贮罐等。燃料和氧化剂被存储于燃料电池外部，可被连续输送至燃料电池，从而持续将化学能转换为电能。电池控制系统可用于检测、显示和控制电池堆的工作状态，并及时补充反应物，具有自动启动-停止、实现回路的过载保护以及显示阀的状态和重要部件温度等功能。燃料电池系统的操作目前均能够实现自动化。由于单个燃料电池的电压通常较小，可将许多燃料电池进行堆合，形成电池组。电极在电池中具有重要的作用，通常采用多孔构型，从而加速燃料与氧化剂的输送，并排出反应产物——水和其他物质。此外，电极还必须为电流提供必要的传输路径，从而为外部负载提供电能。不同燃料电池之间的对比[2-3]如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.026.T001表1不同燃料电池之间的对比种类质子交换膜燃料电池碱性燃料电池磷酸燃料电池固态氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料电池直接甲醇燃料电池电解质质子交换膜氢氧化钾水溶液磷酸水溶液氧化锆陶瓷碱性碳酸盐质子交换膜燃料氢、甲醇等氢氢CO、氢CO、氢甲醇氧化剂空气或氧气氧气空气空气空气空气或氧气催化剂铂铂、镍铂镍镍铂主要优势启动快、比功率高、工作温度低、寿命长启动快、效率高、可在室温下工作对CO不敏感效率高、无须贵重金属作催化剂效率高、无须贵重金属作催化剂比功率高、运行灵活、无腐蚀主要劣势对CO敏感、成本较高需用纯氧作氧化剂、易腐蚀效率较低、易腐蚀工作温度较高、控制复杂、易腐蚀工作温度较高、控制复杂、易腐蚀能量转化率低、性能衰减快、成本高主要应用领域航天、军事、车辆、固定设备航天、军事车辆、中小发电厂、固定设备大型发电厂大型发电厂、固定设备航天、军事、车辆、固定设备2燃料电池与蓄电池的对比作为能量转换装置，蓄电池不仅可以将化学能转变为电能，同时可以实现逆向工作，将电能转变为化学能。因此，蓄电池可以重复使用，属于二次电池。燃料电池与蓄电池的区别如表2所示。二者的主要差异在于燃料电池的电极不产生变化并具有催化活性。蓄电池通过电极与电解质发生反应，从而产生电流。燃料与氧化剂均非燃料电池的组成部分。燃料电池可以依据负载的需求，持续为负载供给电能，同时将反应产物不断地从电池中排出。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.026.T002表2燃料电池与蓄电池的区别设备名称设备类型发电过程持续性附属设备工作过程中的设备总质量变化是否需要补充物质燃料电池电化学发电机、能量转换装置持续进行数量多逐渐变轻需要持续补充燃料和氧化剂蓄电池二次电池、能量储存装置间断进行数量少几乎不变通常仅需补充电解液燃料电池中，燃料单元的基本形式与蓄电池相同。燃料和氧化剂分别连续注入两个电极，从而发生化学反应，并实现能量转换。燃料电池工作过程中，燃料和氧化剂的类型较为重要。氢气（燃料）与空气或氧气（氧化剂）的反应是燃料电池产生电能的重要过程，在部分特殊应用场合中，燃料电池需要使用液态燃料（肼）和氧化剂（过氧化氢）。3燃料电池的燃料来源作为燃料电池的能量来源，氢气可以从相关物质中通过分离技术得到。燃料电池的应用可行性，一定程度上受所使用的燃料限制，也需要考虑燃料的价格、能量密度、毒性、管理、运输与储备等因素。目前，可通过相关技术将液态或固态的化石燃料转化为合成气或高品质的清洁液态燃料。近年来，研究人员开始探索合成气的制备方案。虽然合成气尚无法直接应用于燃料电池，但与大部分化石燃料相比，从合成气中更容易提取氢。燃料电池中氢的使用具有重要意义。随着氢的运输与储运技术均得到优化，氢的可用性与日俱增，从而被应用到不同领域。但氢的储存密度仍是影响其应用的一项决定性因素。在氢的合成过程中，燃料甲醇的价格低廉，其次是氨，二者均易于提取氢。在750 ℃的温度下，较高纯度的无水氨可通过催化方式分解为氢和氮。与碳氢化合物(HC)相比，甲醇能够在较温和的条件下通过蒸汽重整法转化为氢。4燃料电池船舶的实际应用情况与技术可行性研究目前，燃料电池不仅在航天领域得到应用，并且在船舶电力推进领域中也得到发展。4.1燃料电池在水面船舶上的应用苏联曾在1969年研发一艘质量302 t的港湾拖船和一艘质量为1 914 t干货船，采用燃料电池作为电力推进的能源，功率为880 kW[4]。瑞典曾于1967年试制功率为200 kW的氢氧燃料电池，从1969年6月开始，参照1967年的试制品，曾试制250 kW的氢氧燃料电池，并解决了组装问题[4]。德国西门子公司和瓦尔塔公司曾联合研制和试验额定功率为30 kW的船舶推进用燃料电池堆。该类燃料电池的工作运行实现全自动化、工作可靠、性能好且维修方便，动力来源为采用碱性电解质的氢氧型燃料电池[4]。2003年，芬兰瓦锡兰公司、挪威船级社、德国MTU公司联合部分高校、研究所、海运公司，发起燃料电池用于低排放船舶(FellowSHIP, Fuel Cells for Low Emission Ships)项目研究，旨在开发和示范完整的混合燃料船舶系统，并验证此技术已达到实际使用阶段[5]。整个项目分为3个阶段：第一阶段从2003年到2005年，主要研究内容包括可行性研究、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池技术概念的确定等；第二阶段从2006年到2008年，瓦锡兰公司和MTU公司分别在船上试用其研发的固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池；第三阶段开展深入研发、分析和优化工作。MTU公司开发的熔融碳酸盐燃料电池功率为330 kW，作为船舶的辅助电站配装在新船上。该电池使用FellowSHIP项目专门开发的新技术，可以同时向交流和直流电力系统供电。系统具有较高效率并且能够承受负荷的瞬时变化，其安全性、可靠性和风险分析由挪威船级社完成并通过检验。瓦锡兰公司开发固体氧化物燃料电池[6]，电池以液化石油气为燃料，功率为20 kW，并采用模块化技术。在部分需要大功率的设备中，可以将多个固体氧化物燃料电池进行组合，形成燃料电池堆，从而满足不同的需求。大型水面船舶所需功率可能高达几兆瓦到几十兆瓦。考虑燃料电池的成本和容量大小，目前直接将燃料电池用作于大型水面船舶的动力装置并不现实，多将其作为辅助动力装置(APU)。瑞士ABB公司针对未来的全电力驱动船舶，提出采用基于燃料电池船舶的电力系统结构[7]。该方案可以通过直流或交流的船用电网将发电设备、用电设备、应急设备和储能装置连接在一起。通过直流电网组建船舶的能源系统可以节省约20%的燃料，较为便捷地将燃料电池堆、太阳能发电单元及储能装置集成到船舶电网中。挪威的“Viking Lady”号近海工程补给船采用燃料电池辅助动力装置[8]，由挪威船级社主导的FellowSHIP燃料电池项目组研发，设计柴油发电机组与燃料电池共同组成的电力系统[9]。4.2燃料电池在潜艇上的应用为了迅速提高潜艇在水面及水下的航速，并改善全艇的隐蔽性和续航力，对动力源提出更高的要求。按照动力源的不同，潜艇主要分为柴油发电机组与铅酸蓄电池相组合的常规动力潜艇以及采用核反应堆的核动力潜艇。考虑到造价高与退役时核反应设备的处理困难等因素，核动力潜艇发展受到一定限制，目前大部分国家仍以常规动力潜艇为主要发展目标。发展常规动力潜艇的电源设备仍有其技术必要性。4.2.1采用蓄电池的常规动力潜艇目前，动力装置潜艇（包括核动力和非核动力潜艇）和水下航行器均装备有蓄电池。蓄电池在长期的水下使用中证明了其可靠性和有效性。但蓄电池的使用也存在缺陷，主要问题在于其重量较大。非核动力潜艇蓄电池的质量约占整个动力装置总质量的37%，与潜艇储备油料相当，远超过柴油发电机组、电力推进系统和轴系的质量。同时，蓄电池还存在容量小、功率密度低、充电时间长、放电时间短、放电电流小、充放电次数有限及寿命低等问题。蓄电池充电时需要潜艇浮出水面或以通气管状态航行，增大了潜艇暴露率，降低了潜艇隐蔽性。对于传统柴-电动力潜艇，蓄电池是水下航行的唯一能量来源，决定了潜艇水下航速和续航力，同时还要满足艇上武器装备、生活用电的需要。潜艇战术性能很大程度上取决于蓄电池性能。4.2.2采用燃料电池的常规动力潜艇常规动力潜艇所用铅酸蓄电池的能量密度受内部活性物质贮量的限制，其容量无法无限扩大，增加容量会大幅增加整个蓄电池的重量，不利于系统的经济性。采用蓄电池的潜艇要经常浮出水面充电，很容易暴露目标，影响其隐蔽性。在潜艇领域，燃料电池通常用于不依赖空气的推进(Air Independent Propulsion，AIP)系统。将燃料电池应用到常规动力潜艇上，可以显著提升潜艇性能，只要采用足够的燃料和氧化剂，潜艇可在水下隐蔽行动，不需要浮出水面，时长可达数周之久，从而大幅提升了常规动力潜艇的隐蔽性和续航力。采用燃料电池后，常规动力潜艇的水下续航力可以增至30 d。与蓄电池相比，燃料电池的优势较为明显。与传统柴油机相比，燃料电池具有能量转换效率高、运行静音性好及比功率高的优点。潜艇用燃料电池系统由燃料电池堆、燃料电池辅助系统、反应物系统和控制系统组成。燃料电池堆通常由若干数量的燃料电池通过串联或并联方式组合而成[10]。潜艇用燃料电池推进系统主要由燃料电池堆及电力推进系统（包括带动螺旋桨的推进电机和控制板）组成。在潜艇上，通常将燃料电池堆及其附属系统封装在一个充满氮气的耐压容器中，以确保其安全性。采用燃料电池时，为了控制潜艇的航行速度，可通过改变燃料电池的工作参数（温度、压力、电解液浓度等）调整燃料电池的电压，或直接通过调节交流电机的转速实现。由燃料电池和交流电机组成的电力推进系统可通过逆变器将直流电变为交流电。这种系统简单、可靠，能够平稳地改变航速。在航速不同的情况下，控制个别燃料电池停止运行，使全艇在最经济的工况下航行。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、工作温度低及静音性好的特点，是理想的AIP系统。在携带相同数量燃料和氧化剂的情况下，质子交换膜燃料电池为潜艇提供的续航能力是柴油机的2倍。而质子交换膜燃料电池的工作温度及其所产生的噪声与铅酸蓄电池相近。针对常规动力潜艇，近年来将燃料电池与柴电动力系统进行组合，并开展了一系列实验。柴电动力系统在保留常规柴油发电机组、蓄电池组及推进电机的基础上，增加了燃料电池系统。潜艇在水面进行长距离航渡时仍使用原有动力系统，在水下低速巡航时由燃料电池和蓄电池供电。系统使燃料电池和铅酸蓄电池组联合运作，以获得更高的水下航速；燃料电池也可代替柴油发电机组向铅酸蓄电池组充电。随着燃料电池容量的增大与可靠性的进一步提升，有望将燃料电池作为常规动力潜艇的单一推进装置。该推进装置将由燃料电池堆、推进电机、控制系统、轴系和螺旋桨等设备共同构成。除了潜艇之外，燃料电池目前已在一些深潜器和深潜救生艇上得到应用。4.2.3燃料电池在常规动力潜艇上的实际应用情况1963年美国研发一艘以氢氧燃料电池作为动力源的小型潜艇，燃料电池容量约为78 000 kWh，采用功率为600 kW的推进电机，氢通过甲醇及氨来制取[11]。德国哈德威造舰厂(HDW)建造的212A级潜艇同样以燃料电池作为动力，其中，第一艘名为“U31”的212A级潜艇[12]，曾于2002年3月下水试航。U31潜艇的特点为潜航期长，明显超过常规动力潜艇，且潜航时基本无噪声，完全能够满足对潜艇耐久性、密封性和隐蔽性的要求。U31艇长约56.0 m、艇高约11.5 m，直径约7.0 m，排水量约1 450 t[13]。除了德国哈德威造舰厂(HDW)之外，许多其他公司也在进行燃料电池潜艇的研究。以德国的西门子公司为例，该公司曾于20世纪80年代初期从美国通用电气公司引进质子交换膜燃料电池的基础技术，并设计适用于潜艇的新款质子交换膜燃料电池[14]。西门子公司研发的质子交换膜燃料电池主要包括燃料电池堆气体供应系统、废热回收系统、反应物排出系统、电路系统以及控制单元等部件。燃料电池含有70个单体电池组成的电池组、增湿器、产物水分离器以及机电与电子支撑附件等。电池组及其辅助附件安装在充满氮气的压力容器内。近年来，除了德国之外，美国、俄罗斯等国也在大力研发以燃料电池为动力来源的潜艇。5燃料电池在船舶动力领域应用可行性及现存主要问题燃料电池是实现能量转换的装置，能够提供电能，供给热量。在城市中，通过使用燃料电池作为车辆等载运工具的动力来源，可以有效减少噪声，并降低排放。与蓄电池相比，燃料电池具有更高的电流密度，即使在较低的温度下工作，其总容量也不会过度减小。燃料电池是环境友好的清洁发电设备，其能量转换效率高于传统内燃机，且易于保养，工作静音性好。目前，燃料电池面临的主要问题是氢的制取、储备及运输。由于单个燃料电池输出的电功率通常不足以维持用电负载的能源需求，需要实现多个燃料电池的串联或并联组合，进行协同运作。近年来，各国相继开展针对燃料电池的研究，燃料电池进入技术高速发展期。研究燃料电池能量转换过程的目的是更高效地利用燃料，即提高能量转换效率，降低环境污染，并减少噪声和振动。由于长期在水下潜航，潜艇推进系统需要有较高的耐久性及隐蔽性，同时还需要具备较好的静音性、较低的排放、较低的红外辐射以及较低的燃料消耗。铅酸蓄电池需要及时充电，潜艇必须经常在通气状态下航行，由柴油发电机组与蓄电池组成的常规动力潜艇的隐蔽性与安全性日益受到威胁。因此，在20世纪末，各国都在发展AIP系统，潜艇AIP系统的发展目的是弥补蓄电池性能的劣势。在燃料电池潜艇发展初期，各国多采用混合动力系统，在原动力系统外加装燃料电池，燃料电池通常以液氧作为氧化剂，以氢作为燃料。系统通常以储氢材料储氢，或采用艇载的甲醇氧化重整器制取氢。潜艇需要在水下潜航作战时，可以组合燃料电池和铅酸蓄电池作为动力来源，以此提高潜艇的潜航力和隐蔽性并增强作战能力，同时提高安全指数。潜艇远离战区时，由柴油机提供动力。从长远的目标分析，以质子交换膜燃料电池作为潜艇动力来源是最佳选择[15]。质子交换膜燃料电池也适用于水面舰艇。近年来，“全电推进”的技术发展理念被推出，未来燃料电池有望在全电推进的军舰中发挥重要作用。质子交换膜燃料电池具有标准化、低噪声、低热辐射、无振动优势，其操作简单、易于维护，可以减少随舰人员数量。由于燃料电池结构紧凑，能更合理地利用船舶的空间，并具有效率高、无噪声、无污染、可靠性高和寿命长等优点，使燃料电池有希望成为全电力推进系统的单一动力装置。燃料电池用于舰船电力推进系统存在的问题如下：从原始燃料中提取氢成本较高；燃料电池电极制造工艺要求较高；燃料电池的重量及体积较大，输出功率有待提升，安全性有待优化；燃料电池的起动及停止过程较为复杂；燃料电池的成本较高，部分燃料电池还需用贵金属部件；燃料电池动力分系统中各部件的制造工艺、性能等还需不断改进和发展。随着科学技术的发展，燃料电池的上述问题将会得到改进。未来的燃料电池动力装置会被广泛应用于各类船舶。6结语常规动力潜艇以传统的柴油发电机组和铅酸蓄电池为动力来源。蓄电池放电后，柴油发电机组以通气管状态潜航，同时给蓄电池充电，此时，潜艇被发现的可能性较高。燃料电池以其技术特点，适用于潜艇AIP系统，有助于显著提升潜艇的续航力。目前，除了潜艇AIP系统之外，燃料电池也正在逐步应用于其他类型的船舶。近年来，燃料电池生产技术的发展达到较为完善的程度。燃料电池的发展着重于优化电解质工作温度，实现电极的活化，并对电极构型进行优化。随着燃料电池行业继续向着推动技术进步和降低成本的方向发展，燃料电池将会越来越多地被应用到船舶行业。未来，燃料电池可能先被应用到小功率船舶和随船辅助系统上，然后用作主推进系统。应用在船舶的燃料电池技术将与应用在汽车、列车等领域的陆用燃料电池实现同步发展。目前，燃料电池在潜艇动力领域已具备较强竞争力，在其他船舶领域的应用也有望得到推广。目前，在船舶领域，燃料电池多用作潜艇AIP系统，并有望发展成单一动力装置。在水面船舶动力领域，燃料电池目前多用于辅助动力单元。目前燃料电池主要面临的技术问题是氢的制取、储备及运输等。随着技术的逐步优化以及设备体系的逐步完善，燃料电池在诸多领域均有着较好的应用前景。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.026.F001