引言：在目前的民用船舶推進市場中，主要份額仍然被柴油發動機所主宰，按功率計，其占領目前市場大約95%的份額，燃氣輪機也占有少量的市場份額。由于燃料電池在各方面的局限性，其開發和應用對于民用船舶來說仍處于起步的階段，目前燃料電池系統只在潛艇的AIP系統中有成熟的實際應用，例如德國的212A型潛艇，日本的urashima小型AIP潛艇。
一、潛在優勢
對于較大型船舶，燃料電池通常用于與柴油發電機組成混合動力系統或是直接用于輔助動力系統來進行工作。對于小型船舶，燃料電池系統已可以作為主推進系統工作并擁有實船測試的成功案例，但是其功率普遍不超過100千瓦。相較于傳統動力，燃料電池在船舶領域應用具有以下優勢： 能效轉換率高：相較于普通柴油機或者燃氣輪機25%-40%的能效轉換率（從輸入燃料到輸出電），燃料電池的能效轉換率在40%-50%之間，部分可達到60%以上。
圖1 各類型發電機能效轉換率（EPA）
“零排放”：以氫和甲醇為能源的燃料電池的排放物僅為水和二氧化碳，并沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮或硫的氧化物。符合了國際上各公約對船舶排放的限制。
燃料選擇的多樣化：氫，甲醇，天然氣均可作為燃料電池的燃料，其來源廣泛，無需擔心燃料短缺問題。
加工難度低，運行平穩：燃料電池組由不同數量的單體燃料電池串聯而成，可以根據要求配置成不同功率的電池組，加工精度較內燃機更低。且其短時過載能力較傳統內燃機更強，可以達到額定功率的200%，不易“熄火”，運行平穩。
低噪音：燃料電池屬于靜態能量轉換裝置，噪聲源僅來自于空氣壓縮機與冷卻系統等輔助部件，沒有傳統內燃機在氣缸內燃燒所產生的轟鳴，運行過程中振動較小，產生的噪聲幾乎可以忽略不計。
二、存在的問題
系統安全性有待提高：燃料電池系統需要把數千上萬個單體燃料電池集成與一體構成燃料電池堆來形成足夠大的功率，系統要求每個單體燃料電池都有一致的質量且不允許串聯時出現任何的差錯。除此之外，船舶行駛的特殊工作環境如腐蝕，震動撞擊，搖晃程度等環境因素都會造成電池堆內部的不平衡性，容易造成危險。
技術性能仍需提高：一是燃料電池的動態響應速度較傳統柴油機更慢，在緊急加速或極端天氣的情況下，響應速度慢的問題或將影響船舶行駛的安全性。二是燃料電池發動機壽命較短，目前國際上燃料電池的壽命普遍不超過5000小時，與實際應用仍有一定差距，尤其是對需要長時間運行的遠洋船舶來說尤為致命。三是環境適應性較差，低溫啟動較為困難，極有可能在寒冷天氣時無法正常使用。
圖2 DOE發布的燃料電池壽命路線圖
系統成本過高：目前燃料電池中普遍采用鉑作為催化劑，其高昂的價格導致燃料電池系統整體成本的增高。美國能源部預測車用燃料電池系統需要年產50萬臺成本才可達到與普通內燃機相同的成本，而目前市場需求量與預測相距甚遠，船用燃料電池系統暫無詳細數據但其成本也可見一斑。
圖3 DOE燃料電池系統成本預測（年產50萬臺）
基礎設施滯后：以目前相對較為成熟的氫燃料電池系統來看，相應船舶必須配套氫加注碼頭（暫無實例），目前美國能源部提出的車用加氫站平均建設成本在200萬美元左右，考慮到儲氫量與運輸成本，港口加氫站的建設與維護費用必定更高。要在各地碼頭大面具鋪開加氫站的成本與維修費用將不可估量。
三、研發情況
1、歐洲
目前對于船用燃料電池系統的研究主要集中在歐洲，全球第一艘以燃料電池作為船舶電力來源的商業運營船舶，就是由歐洲幾大船級社與企業合作研制（DNV、挪威航運集團、瓦錫蘭、VIK SANDVIK、MTU），該燃料電池系統功率為320千瓦，安裝在一艘平臺供應船“Viking Lady”上并成功運行。但是從目前各企業和船級社對船用燃料電池系統的研究來看，其對于船用燃料電池的研究大多以可行性與燃料產能效率研究為主，進行實船測試的相對較少。
圖4 首艘燃料電池船舶的合作單位與分工
圖5 首艘燃料電池船“Viking Lady” 表1 歐洲船用燃料電池系統研究項目
2、日本
在2009年5月，日本國土交通省制定的《對于船舶行業中長期科研計劃》中便提到了將燃料電池作為船舶電力推進系統來減少排放。得益于日本燃料電池領域的技術優勢，其在船用領域雖起步晚但發展較快。2015年初，在日本環境省的政策支持下，日本戶田建設與雅馬哈發動機聯手開發氫燃料電池船舶，年底便在一艘漁船上實現了實船試航，其最高速度可達37千米/小時，每次加氫可運行2小時左右。另外，三菱重工、Flatfield等企業對燃料電池在船舶領域的應用也有著持續的研究。
圖6 日本《對于船舶行業中長期科研計劃》 3、韓國
2010年3月，韓國知識經濟部制訂的《造船產業中長期發展戰略規劃》中便提到了將燃料電池等綠色能源應用和IT技術應用到船舶行業中。2015年，政府推出的燃料電池船舶項目共投入160億韓元，由韓國船級社牽頭進行相應的研發。另外，韓國的大型船廠與企業如大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船都參加了政府牽頭的船用燃料電池研發項目或自主研發。
4、中國
我國對民用船舶燃料電池系統的研究主要集中在高校與部分科研院所。我國第一艘燃料電池船舶的實船測試在2005年11月，是由上海海事大學研制的“天翔一號”小艇，以氫作為燃料，電池系統可以支撐小艇在14千米/小時的速度下航行5小時，電池功率為2千瓦。
四、展望
受成本、安全、壽命等多種因素影響，燃料電池在民用船舶領域目前尚不具備大規模商業化應用的條件，但是隨著國際公約法規對船舶排放要求的日益嚴格，燃料電池系統卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風口，尤其是豪華游輪在船舶行業逐漸崛起的今天，燃料電池系統噪音低的優勢完美滿足了豪華游輪對舒適度的要求。目前限制船用燃料電池系統走向大規模商業化的歸根結底還是技術與成本問題，但隨著技術的不斷革新，燃料電池將有可能打破現有的船用動力系統格局，燃料電池能否成功“上船”，拭目以待。
來源： 中船重工經濟研究中心 李夏青 曹林
