引言：在目前的民用船舶推进市场中，主要份额仍然被柴油发动机所主宰，按功率计，其占领目前市场大约95%的份额，燃气轮机也占有少量的市场份额。由于燃料电池在各方面的局限性，其开发和应用对于民用船舶来说仍处于起步的阶段，目前燃料电池系统只在潜艇的AIP系统中有成熟的实际应用，例如德国的212A型潜艇，日本的urashima小型AIP潜艇。
一、潜在优势
对于较大型船舶，燃料电池通常用于与柴油发电机组成混合动力系统或是直接用于辅助动力系统来进行工作。对于小型船舶，燃料电池系统已可以作为主推进系统工作并拥有实船测试的成功案例，但是其功率普遍不超过100千瓦。相较于传统动力，燃料电池在船舶领域应用具有以下优势： 能效转换率高：相较于普通柴油机或者燃气轮机25%-40%的能效转换率（从输入燃料到输出电），燃料电池的能效转换率在40%-50%之间，部分可达到60%以上。
图1 各类型发电机能效转换率（EPA）
“零排放”：以氢和甲醇为能源的燃料电池的排放物仅为水和二氧化碳，并没有高温燃烧过程，因此几乎不排放氮或硫的氧化物。符合了国际上各公约对船舶排放的限制。
燃料选择的多样化：氢，甲醇，天然气均可作为燃料电池的燃料，其来源广泛，无需担心燃料短缺问题。
加工难度低，运行平稳：燃料电池组由不同数量的单体燃料电池串联而成，可以根据要求配置成不同功率的电池组，加工精度较内燃机更低。且其短时过载能力较传统内燃机更强，可以达到额定功率的200%，不易“熄火”，运行平稳。
低噪音：燃料电池属于静态能量转换装置，噪声源仅来自于空气压缩机与冷却系统等辅助部件，没有传统内燃机在气缸内燃烧所产生的轰鸣，运行过程中振动较小，产生的噪声几乎可以忽略不计。
二、存在的问题
系统安全性有待提高：燃料电池系统需要把数千上万个单体燃料电池集成与一体构成燃料电池堆来形成足够大的功率，系统要求每个单体燃料电池都有一致的质量且不允许串联时出现任何的差错。除此之外，船舶行驶的特殊工作环境如腐蚀，震动撞击，摇晃程度等环境因素都会造成电池堆内部的不平衡性，容易造成危险。
技术性能仍需提高：一是燃料电池的动态响应速度较传统柴油机更慢，在紧急加速或极端天气的情况下，响应速度慢的问题或将影响船舶行驶的安全性。二是燃料电池发动机寿命较短，目前国际上燃料电池的寿命普遍不超过5000小时，与实际应用仍有一定差距，尤其是对需要长时间运行的远洋船舶来说尤为致命。三是环境适应性较差，低温启动较为困难，极有可能在寒冷天气时无法正常使用。
图2 DOE发布的燃料电池寿命路线图
系统成本过高：目前燃料电池中普遍采用铂作为催化剂，其高昂的价格导致燃料电池系统整体成本的增高。美国能源部预测车用燃料电池系统需要年产50万台成本才可达到与普通内燃机相同的成本，而目前市场需求量与预测相距甚远，船用燃料电池系统暂无详细数据但其成本也可见一斑。
图3 DOE燃料电池系统成本预测（年产50万台）
基础设施滞后：以目前相对较为成熟的氢燃料电池系统来看，相应船舶必须配套氢加注码头（暂无实例），目前美国能源部提出的车用加氢站平均建设成本在200万美元左右，考虑到储氢量与运输成本，港口加氢站的建设与维护费用必定更高。要在各地码头大面具铺开加氢站的成本与维修费用将不可估量。
三、研发情况
1、欧洲
目前对于船用燃料电池系统的研究主要集中在欧洲，全球第一艘以燃料电池作为船舶电力来源的商业运营船舶，就是由欧洲几大船级社与企业合作研制（DNV、挪威航运集团、瓦锡兰、VIK SANDVIK、MTU），该燃料电池系统功率为320千瓦，安装在一艘平台供应船“Viking Lady”上并成功运行。但是从目前各企业和船级社对船用燃料电池系统的研究来看，其对于船用燃料电池的研究大多以可行性与燃料产能效率研究为主，进行实船测试的相对较少。
图4 首艘燃料电池船舶的合作单位与分工
图5 首艘燃料电池船“Viking Lady” 表1 欧洲船用燃料电池系统研究项目
2、日本
在2009年5月，日本国土交通省制定的《对于船舶行业中长期科研计划》中便提到了将燃料电池作为船舶电力推进系统来减少排放。得益于日本燃料电池领域的技术优势，其在船用领域虽起步晚但发展较快。2015年初，在日本环境省的政策支持下，日本户田建设与雅马哈发动机联手开发氢燃料电池船舶，年底便在一艘渔船上实现了实船试航，其最高速度可达37千米/小时，每次加氢可运行2小时左右。另外，三菱重工、Flatfield等企业对燃料电池在船舶领域的应用也有着持续的研究。
图6 日本《对于船舶行业中长期科研计划》 3、韩国
2010年3月，韩国知识经济部制订的《造船产业中长期发展战略规划》中便提到了将燃料电池等绿色能源应用和IT技术应用到船舶行业中。2015年，政府推出的燃料电池船舶项目共投入160亿韩元，由韩国船级社牵头进行相应的研发。另外，韩国的大型船厂与企业如大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船都参加了政府牵头的船用燃料电池研发项目或自主研发。
4、中国
我国对民用船舶燃料电池系统的研究主要集中在高校与部分科研院所。我国第一艘燃料电池船舶的实船测试在2005年11月，是由上海海事大学研制的“天翔一号”小艇，以氢作为燃料，电池系统可以支撑小艇在14千米/小时的速度下航行5小时，电池功率为2千瓦。
四、展望
受成本、安全、寿命等多种因素影响，燃料电池在民用船舶领域目前尚不具备大规模商业化应用的条件，但是随着国际公约法规对船舶排放要求的日益严格，燃料电池系统卓越的排放性能有可能将其推向船舶动力市场的新风口，尤其是豪华游轮在船舶行业逐渐崛起的今天，燃料电池系统噪音低的优势完美满足了豪华游轮对舒适度的要求。目前限制船用燃料电池系统走向大规模商业化的归根结底还是技术与成本问题，但随着技术的不断革新，燃料电池将有可能打破现有的船用动力系统格局，燃料电池能否成功“上船”，拭目以待。
来源： 中船重工经济研究中心 李夏青 曹林
