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》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、体氧化物燃料电池的寿命可达到40 000 h，检修周期为8000 h。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%。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

7、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

8、部件承载能力    由于