船海探索 | 燃料电池：小世界里有大乾坤
有一种电池叫燃料电池，很多人对这个名字不太理解，它和普通电池有什么不一样？普通的干电池、蓄电池是一种储能装置，能够把电能贮存，需要时再释放出来。而燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能通过电化学反应直接转化为电能和热能的发电装置。
燃料电池按运行机理不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。
按电解质的种类不同，可分为质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
按其工作温度不同，一般可分为低温燃料电池、中温燃料电池、高温燃料电池。
按燃料类型不同，又可以分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙烷燃料电池、乙醇燃料电池等。
燃料电池的种类很多，我们以目前应用最为广泛的质子交换膜氢燃料电池为例。质子交换膜氢燃料电池的电解质通常为全氟磺酸型固体聚合物，质子交换膜只允许质子通过而不允许电子通过。其催化剂一般以贵金属铂和铂碳颗粒为主，催化剂用来加速电极上发生的电化学反应。
质子交换膜氢燃料电池将氢气与氧气进行电化学反应，阳极（负极）是氢电极，阴极为氧电极（正极）。其工作原理如下图：
这样，因为电子在外部电路的流动而形成电流，所以只要源源不断向氢燃料电池阳极和阴极分别供给氢气和氧气，就可以向外部电路连续输出电能。
1. 清洁、污染少
用氢气作为燃料的燃料电池主要生成物质为水，属于“零污染”。用碳氢化合物（甲烷、甲醇、乙烷、乙醇等）作为燃料的燃料电池主要生成物质为水、二氧化碳等，属于“超低污染”。
2. 安静无噪声
由于燃料电池结构简单、没有运动部件，所以最高噪声大约只有55分贝。
3. 能量转化效率高
理论上，燃料电池的发电效率可达到85%～90%，但由于工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。
燃料电池的缺点
1 . 燃料安全性较差
使用的燃料易燃易爆，特别是氢气，它的爆炸极限极宽，氢气在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇到火源就会发生爆炸。
2. 燃料不便于运输和储存
使用的燃料要安全运输和储存并不容易，特别是氢气，它分子体积非常小，具有极强的渗透性，容易从储存容器和管路泄露出去。
3.造价昂贵
由于没有大规模产业化生产，电堆关键材料及核心组件（例如催化剂、极板、质子交换膜等）价格昂贵，致使燃料电池造价较高，远远超过同功率内燃机的价格。
4.动态响应较慢且输出电压特性偏软
燃料电池动态响应较慢且输出电压特性偏软，在一些应用场景中需与其它类型电源配合使用。
燃料电池的历史可以追溯到19世纪。1839年，英国科学家威廉·罗伯特·格罗夫（William Robert Grove）提出燃料电池的概念，至今已有整整180年历史，并且他成功研制了第一台燃料电池。
随着燃料电池理论和类型的不断丰富，1952年培根型碱性燃料电池出现。20世纪60年代，中温燃料应用于“阿波罗”登月飞船的电源。20世纪90年代以来，人类更加意识到环境保护的重要性，所以燃料电池的发展更进一步，便携式电源、飞机等航天设备的燃料电池和电动汽车相继出现并得到快速发展。
到目前为止，燃料电池已经应用在航天航空、汽车、电站、通信基站、潜艇等方面。在我国，许多城市都已开始运营燃料电池公交车。
从21世纪初开始，美国、德国、挪威、日本建造的燃料电池渡轮、游船、工程船、渔船已先后投入示范营运。
在我国，虽已有小型燃料电池船舶研制成功，但没有燃料电池船舶真正投入营运，主要原因如下：
第一，尚没有船舶法规和规范允许燃料电池在船舶上使用；
第二，燃料电池要在船舶上应用，需要燃料电池、燃料供给、氧化剂供给、水热管理和电能管理控制等多套子系统协同工作，多系统在船舶上协同工作技术尚不成熟完善；
第三，目前燃料电池价格偏高且普遍寿命不长，与船用柴油机尚有较大差距；
第四，由于船舶所处环境，盐雾、潮湿空气、油雾、霉菌、倾斜、摇摆、船舶振动等因素可能造成燃料电池的损伤，降低其可靠性和有效寿命，严重时可能造成燃料泄漏及非正常化学反应导致燃烧甚至爆炸事故；
第五，目前码头尚无专用燃料电池船舶的燃料加注站。
虽然燃料电池在船舶应用尚存在很多问题，但船舶行业实行绿色环保、节能减排已是大势所趋。
小安大胆猜想，在上述问题得到解决后，燃料电池会在船舶上广泛应用，特别是以下场景：
1.作为推进动力和辅助动力装置，应用于内河、湖泊和近海的游船和游艇，以满足该类型船舶对节能减排和提升船舶舒适度的需求；
2.作为推进动力和辅助动力装置，应用于科考船等船舶，以满足该类型船舶对噪声振动及废气排放的需求；
3.作为辅助动力装置，应用于频繁进出港的散货船和客船，以满足该类型船舶对港口环境保护的需求。
鉴于行业发展的实际需求，中国船级社（CCS）正在编写《船舶应用燃料电池发电装置指南》，以便为燃料电池应用于船舶奠定规范基础。
供稿人：广州分社 敬直道