质子交换膜燃料电池（PEMFC）在船舶混合动力系统中的性能优化与减排效应研究

为应对航运业减排挑战，研究人员通过AVL Cruise M软件构建了PEMFC-电池混合动力系统模型，替代传统柴油推进。研究表明，该系统可使船舶单日CO2 排放减少4886 kg，验证了PEMFC在提升能效（300 kW电堆+424 kWh电池组）和实现碳中和目标中的关键作用。

　　

随着全球航运业面临日益严格的碳排放法规，传统柴油动力船舶的环保短板凸显。国际海事组织(IMO)要求到2050年航运业温室气体减排50%，而现有柴油-电力混合系统仅能实现局部改进。更棘手的是，完全依赖可再生能源的电动船舶因成本和技术瓶颈难以推广。在此背景下，克罗地亚科学基金会支持的研究团队将目光投向质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)——这种以氢为燃料、仅排放水的电化学装置，其快速启动和高能量密度特性尤其适合船舶应用。

研究团队选择一艘136吨级沿海客船为对象，通过AVL Cruise M软件构建了包含PEMFC电堆(300 kW)、锂电池组(424 kWh)和电动机的混合系统模型。该模型基于真实航线数据验证，创新性地将动态模拟与船舶实际工况结合。关键技术包括：1) 基于船舶航行日志的能耗逆向建模；2) 多能源耦合系统的功率分配算法；3) 针对特定航线的设备容量优化(Balance of Plant分析)。

建模与仿真结果显示，在156海里(约289公里)的日航行任务中，混合系统能完全替代柴油动力。通过调整电堆输出功率与电池充放电策略，系统在10.5节航速下保持稳定运行。尤为关键的是，仿真中引入的变工况测试证明，PEMFC电堆在浪涌条件下的电压波动小于5%，验证了其海上适应性。

PEMFC-电池混合系统的环保效益令人瞩目：相较传统柴油推进，单日CO₂
减排量达4886 kg，相当于一艘万吨轮全年排放的1.2%。研究还发现，系统在部分负载时效率提升12%，这得益于PEMFC的"负荷跟随"特性——当需求功率低于150 kW时，电池组可单独供电，使电堆维持在最佳效率区间(60-80%额定功率)。

结论与展望部分指出，该研究首次实现了PEMFC混合系统在真实船舶航线上的全周期模拟。虽然当前PEMFC寿命(约5000小时)仍是商业化障碍，但研究中采用的健康预测模型为延长电堆寿命提供了新思路。值得关注的是，金属氢化物储氢技术的引入解决了船舶对体积能密度的特殊要求，这为后续大型船舶应用铺平了道路。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为航运业低碳转型提供了兼具创新性和实操性的解决方案。