《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Experiment-informed simulation of hydrogen fuel cell auxiliary power units for maritime decarbonisation
基于20片短栈电池电压测量结果，将其缩放至虚拟300片质子交换膜（PEM）栈。研究表明， weakest-cell voltage（最弱单体电池电压）而非平均性能决定了约1.5 A cm?2的连续运行极限；该极限在10,000个采样栈中均成立，而20片短栈会将其高估约6%。老化使该极限收缩至1.10-1.30 A cm?2，且离散度增长与平均电压损失具有同等危害。在氢气价格4-10 ￡ kg?1条件下，平准化度电成本（LCOE）为0.42-0.82 ￡ kWh?1；相较于柴油，运行阶段CO2当量排放减少约85%。
研究背景方面，国际航运承载约80%的全球贸易量，贡献约3%的人为温室气体（GHG）排放，年排放约1000 Mt CO
2。国际海事组织（IMO）2023年修订的初始GHG战略承诺到2030年减排至少20%、2040年减排70%、2050年前后实现净零。欧盟自2024年将航运纳入排放交易体系，并实施FuelEU Maritime法规。船舶能源使用具有双峰需求特征：推进负荷占深海船舶海上燃料消耗的最大份额，但港口及近岸排放中相当大且不成比例的部分源自辅助动力系统，即所谓"hotelling"负荷。港口排放清单估计，辅助柴油发电机贡献了典型中小型船舶港侧空气污染物排放的85-90%。氢燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC），是电池方案受能量密度限制、推进燃料替代尚不成熟场景下的领先候选技术。然而，辅助动力在工程与政策文献中受到的关注远少于推进应用，且将电堆级物理特性与系统级技术经济和环境性能相联系的经验证的船用专用工具仍然稀缺。现有PEMFC建模研究多将电堆视为由平均极化曲线表征的黑箱，忽略了单体电池间电压分布——而本研究显示，该分布在中高功率密度下成为制约可操作性的关键约束。文献中存在三个缺口：全电堆尺度上的单体分辨数据稀缺；尚无研究将单体电压分布转化为明确的连续电流密度极限；技术经济与环境研究依赖假设的电堆性能和点值碳强度，成本与碳结果既无法追溯至实测硬件，也缺乏量化不确定性。
针对上述缺口，研究人员开展了单体内阻与极限电流密度变异性的推断研究，从20片、250 cm
2短栈在0-1.8 A cm
?2范围内27个运行点的单体电压测量出发，推断单体间极化参数变异，进而采样生成代表60 kW级船用模块的虚拟300片电堆（共8100个单体电压值）。研究得出四项主要结论：第一，虚拟电堆在1.71 A cm
?2下峰值毛功率为62.9 kW，毛LHV效率从部分负荷的60%（20.1 kWh kg
?1 H
2）降至额定功率的46%（15.3 kWh kg
?1）；第二，单体电压离散度从开路电压（OCV）下的<1 mV增长至峰值功率下的约36 mV，最弱单体电压在约1.5 A cm
?2以上降至0.45 V以下，故连续可操作极限由电池离散度而非平均性能设定，该极限对采样稳健（10,000个独立采样电堆中91%在同一设定点失效），但依赖电池数量——20片短栈会高估约6%；第三，模块化架构在参考负荷合成随机工况和文献锚定工况下评估表明，将燃料电池组按平均负荷选型、由电池覆盖峰值可使最低单体电压保持在安全包络内，电池仅提供日能量的1-2%；第四，分项技术经济评估（TEA）给出氢气价格4-10 ￡ kg
?1下LCOE为0.42-0.82 ￡ kWh
?1，氢气占成本的63-81%，相对于0.25 ￡ kWh
?1柴油基准的减排成本为288-958 ￡ t
?1 CO
2当量。蒙特卡洛碳评估表明，风电电解绿氢路径下运行碳强度中位数较柴油降低约85%（95% CI 71-93%），每艘代表性船舶年避免约304 t CO
2当量。研究意义在于建立了将单体分辨短栈测量经统计放大贯穿至可操作包络设计及成本碳评估的垂直整合证据链，为模块化PEM燃料电池辅助动力单元（APU）推进至中试示范提供了电堆级方法和设计基础。
关键技术方法方面（不超过250字）：研究人员在MATLAB/Simulink中使用Thermolib库构建动态系统模型，电堆子模型实现电化学第一性原理。实验数据来自商用液冷20片、250 cm
2金属双极板短栈，在阴极空气化学计量比2.5、阳极入口压力150 kPa(a)、阴极出口压力100 kPa(a)条件下进行27点极化扫描。采用一阶不确定性传播和非负最小二乘联合估计单体间参数方差，从推断总体中独立采样300个参数向量构建虚拟电堆。技术经济评估采用平准化度电成本（LCOE）方法，碳评估采用基于ISO 14040/44原则的运行阶段全球变暖潜势（GWP100）筛选，使用ecoinvent数据库和EF 3.0方法进行蒙特卡洛不确定性传播（n=10
5）。工况数据来源包括170 kW参考负荷合成随机曲线及Abu Bakar等和Ericsson与Fazlagic汇编的文献锚定辅助负荷数据。
研究结果方面：3.1极化行为——虚拟300片、250 cm
2电堆在27个运行点上呈现典型三区极化曲线，零电流下开路电堆电压303 V（1.010 V cell
?1），0.1-1.4 A cm
?2间近似线性欧姆区，高电流密度下传质限制导致非线性滚降；电堆功率单调增至1.71 A cm
?2下62.9 kW最大值后略降至1.80 A cm
?2下62.1 kW，表明该区域接近极限电流，不适合连续运行。3.2效率映射——毛LHV效率在低负荷最高并随功率单调下降，净效率因5% BoP寄生损耗低约2-3个百分点，部分负荷下氢比能量产率显著更高，提示氢成本主导经济性时应采用更多模块低负荷运行。3.3单体电压分布——离散度在低电流密度下<1 mV，随电流密度增大而展宽，在可操作极限内接近高斯分布（Shapiro-Wilk p>0.2），超出后向低电压偏斜；标准差从OCV的<1 mV增至1.80 A cm
?2的44.2 mV，最大最小差值达352 mV；方差分解显示欧姆项在0.20 A cm
?2下占94.5%、1.49 A cm
?2下占70.9%，浓度项在1.71-1.80 A cm
?2间超越欧姆项并在1.80 A cm
?2达58.5%。3.4可操作包络——对每个单体施加0.45 V连续安全最小值，得出虚拟电堆连续可操作极限约1.5 A cm
?2（约61 kW毛功率），阈值在0.40-0.50 V间变化时连续功率额定仅变化约5%；10,000次采样中极限中位数1.55 A cm
?2（90%区间1.49-1.60）；20片电堆中位数1.65 A cm
?2，高估约6%；对数正态电阻分布下中位极限降至1.47 A cm
?2；老化情形下，均匀10%电压降使极限收缩至1.30 A cm
?2（51.8 kW），离散度增长50%降至1.20 A cm
?2（49.3 kW），翻倍降至1.10 A cm
?2（46.6 kW）。4.1模块化选型——三模块配置A（180 kW毛，约171 kW净）CAPEX最低但接近可操作极限，四模块配置B（240 kW毛，约228 kW净）氢耗降低约12%且显著放宽电池离散运行点。4.2净效率与氢比产率——系统级净氢比能量产率从22 kW毛下约19.1 kWh kg
?1降至60 kW毛下14.6 kWh kg
?1，配置A系统级净产率14.6 kWh kg
?1，配置B为16.5 kWh kg
?1，约13%燃料经济性差异直接转化为氢耗、储存需求和燃料成本；与柴油发电机在部分负荷效率下降相反，燃料电池效率随负荷降低而升高，恰在主导工况的部分负荷区效率优势最大。4.3参考负荷工况评估——24小时合成随机辅助曲线下，辅助需求总计3463 kWh，燃料电池供应97.9%、电池供应2.1%（71 kWh），氢耗224 kg，有效产率15.4 kWh kg
?1，每模块电流密度0.43-1.41 A cm
?2，最低单体电压全程高于0.45 V（均值0.575 V，最低0.502 V）。4.4文献锚定工况准稳态评估——需求均值约120 kW、机动峰值约205 kW，APU供应180 kW连续额定以下全部需求，电池仅缓冲机动峰值（约占日能量1%），所有运行点每模块电流密度0.46-1.41 A cm
?2，低于约1.5 A cm
?2可操作极限，毛LHV效率从机动峰值45%至泊位59%，净日平均比能量产率约16.8 kWh kg
?1 H
2。4.5混合化策略——将燃料电池组按平均和稳态负荷选型、电池补充瞬态峰值，可使每模块保持在安全可操作包络内，解耦额定功率需求与瞬态峰值需求；简单能量管理策略下电池仅保护可操作包络，不用于将燃料电池移至更高效运行点。5.1 LCOE方法与假设——10年项目寿命、8%折现率下资本回收因子约0.149，年化CAPEX约298 ￡ kW
?1，三模块配置A年供电510 MWh，固定成本分量0.155 ￡ kWh
?1。5.2氢价情景下LCOE——4 ￡ kg
?1下总LCOE为0.42 ￡ kWh
?1（燃料占63%），6 ￡ kg
?1下0.555 ￡ kWh
?1（72%），8 ￡ kg
?1下0.69 ￡ kWh
?1（77%），10 ￡ kg
?1下0.82 ￡ kWh
?1（81%），燃料成本在所有情景下主导总成本。5.3模块数量优化——四模块年化固定成本更高（约0.207 vs 0.155 ￡ kWh
?1）但燃料消耗更低，燃料节省等于额外年化固定成本的交叉点约6.5 ￡ kg
?1 H
2。5.4敏感性分析——氢价是主导杠杆（4-10 ￡ kg
?1使LCOE变动-0.13至+0.27 ￡ kWh
?1），CAPEX（±30%）变动±0.046 ￡ kWh
?1，容量因子亦显著，电堆寿命、BoP寄生分数和折现率为二阶。5.5与柴油辅助基准比较——当前中试规模成本和6-8 ￡ kg
?1氢价下氢APU纯LCOE约为柴油的2-3倍，但计入柴油碳定价（FuelEU Maritime和EU ETS下有效碳价达70-100 � t
?1 CO
2，相当于柴油成本增加约0.05-0.07 ￡ kWh
?1）及绿氢成本下降预期（2030年 favourable 地区达2-3 ￡ kg
?1），本十年后半段差距缩窄至10-30%以内。5.6指标选择与系统边界影响——报告LCOE和避免碳成本两个指标，以柴油基准0.25 ￡ kWh
?1和中位运行碳节省597 g CO
2当量 kWh
?1计，减排成本在4、6、8、10 ￡ kg
?1氢价下分别为288、511、734、958 ￡ t
?1 CO
2当量；边界外每增加1000 ￡ kW
?1资本使LCOE增加0.053 ￡ kWh
?1，排除项需超过约4700 ￡ kW
?1才能超越燃料成本主导地位。6.1各氢路径运行碳强度——风电PEMWE绿氢中位数约105 g CO
2当量 kWh
?1（95% CI 51-204），较柴油基准约702 g CO
2当量 kWh
?1中位降低约85%（95% CI 71-93%）；低碳氢中位约264 g CO
2当量 kWh
?1（降低约63%）；化石氢中位约679 g CO
2当量 kWh
?1，与柴油基准基本无差别，表明GHG效益取决于氢供应路径碳强度。6.2年避免排放——参考工况年供电510 MWh，从柴油基准切换至绿氢燃料电池APU运行碳强度中位降低约597 g kWh
?1，相当于每艘代表性船舶年避免约304 t CO
2当量；推广至100艘此类船舶的指示性船队年避免约30 kt CO
2当量。6.3局部空气质量协同效益——消除使用点燃烧完全去除辅助动力源的NOx、SOx和颗粒物排放，参考510 MWh yr
?1船舶工况对应每船每年约4-8 t NOx和25-100 kg PM的消除。
讨论部分总结：本研究建立了从单体分辨短栈测量预测全尺寸PEM燃料电池电堆单体电压分布及连续运行极限的方法，并将其贯穿至模块化氢辅助动力单元的选型、成本和碳性能。虚拟电堆峰值毛功率62.9 kW（1.71 A cm
?2），性能与文献中表征良好的PEM电堆高端相当；单体电压离散度从OCV的<1 mV增至峰值功率约36 mV，最弱单体电压在约1.5 A cm
?2以上降至0.45 V以下，连续可操作极限由电池离散度而非平均性能设定。该极限对采样稳健（10,000个独立采样电堆中91%在同一设定点失效），但依赖电池数量，20片短栈会高估约6%，故短栈数据应在电堆额定前缩放至全电池数。该构造可迁移至任何多电池电堆，并给出以退化风险容忍度参数化的可操作包络。模块化架构在合成随机参考负荷曲线和文献锚定曲线上评估支持将燃料电池组按平均负荷选型、电池覆盖峰值，两种曲线上最低单体电压均保持在安全包络内，电池仅供应日能量1-2%。分项TEA给出4-10 ￡ kg
?1氢价下LCOE为0.42-0.82 ￡ kWh
?1，氢占成本63-81%，相对0.25 ￡ kWh
?1柴油基准的减排成本为288-958 ￡ t
?1 CO
2当量，故经济性目前取决于氢价和碳政策而非电堆成本。蒙特卡洛碳评估给出风电电解绿氢下运行碳强度中位降低约85%（95% CI 71-93%），每艘代表性船舶年避免约304 t CO
2当量。证据确立了推进模块化PEM燃料电池APU至中小型船舶中试示范所需的电堆级方法和设计基础，但仍有五项要求待完成：预测的单体电压分布和运行极限需在全尺寸300片电堆上确认；船用工况下瞬态运行尚未测量（工况评估为准稳态）；船用 duty 下耐久性尚未测试（寿命末期包络为已发表退化行为的投影）；电堆间变异性未量化（电池总体从单一短栈推断）；包括振动、倾斜、含盐进气和环境温度范围在内的船用条件尚未测试。该框架可迁移至轨道交通、离网建筑和固定备用等其他模块化燃料电池应用。研究结果对电堆制造商（可在建造前按最弱单体对全尺寸电堆评级）和船用系统集成商（模块化燃料电池辅助动力选型）具有直接用途。未来工作将增加全尺寸电堆测试以确认放大、更高保真度BoP表征、船用耐久性数据、电堆间测试和全多类别生命周期评估，支持在18-24个月 horizon 内推进至TRL 4集成原型测试。
研究结论翻译：本研究开发了一种方法，用于从单体分辨短栈测量预测全尺寸PEM燃料电池电堆的单体电压分布及由此决定的连续运行极限，并将其贯穿至船用模块化氢辅助动力单元的选型、成本和碳性能。在20片、250 cm
2短栈上跨27个运行点（0-1.8 A cm
?2）测量的单体电压被用于推断欧姆电阻和极限电流密度的单体间变异，由此采样生成代表60 kW级模块的虚拟300片电堆（8100个单体电压）。四项主要发现如下：第一，虚拟电堆在1.71 A cm
?2下峰值毛功率62.9 kW，性能与文献中表征良好的PEM电堆高端相当，毛LHV效率从部分负荷60%（20.1 kWh kg
?1 H
2）降至额定功率46%（15.3 kWh kg
?1）；第二，单体电压离散度从OCV的<1 mV增至峰值功率约36 mV，最弱单体电压在约1.5 A cm
?2以上降至0.45 V以下，故连续可操作极限由电池离散度而非平均性能设定；该极限对采样稳健（10,000个独立采样电堆中91%在同一设定点失效），但依赖电池数量——同批电池的20片电堆会高估约6%，故短栈数据应在电堆额定前缩放至全电池数；该构造可迁移至任何多电池电堆，并给出以退化风险容忍度参数化的可操作包络。第三，模块化架构在参考负荷合成随机曲线和文献锚定曲线上评估支持将燃料电池组按平均负荷选型、电池覆盖峰值：两种曲线上最低单体电压均保持在安全包络内，电池仅供应日能量1-2%。第四，分项TEA给出4-10 ￡ kg
?1氢价下LCOE为0.42-0.82 ￡ kWh
?1，氢占成本63-81%，相对0.25 ￡ kWh
?1柴油基准的减排成本为288-958 ￡ t
?1 CO
2当量，故经济性目前取决于氢价和碳政策而非电堆成本；蒙特卡洛碳评估给出风电电解绿氢下运行碳强度中位降低约85%（95% CI 71-93%），每艘代表性船舶年避免约304 t CO
2当量。该证据确立了推进模块化PEM燃料电池APU至中小型船舶中试示范所需的电堆级方法和设计基础，但仍有五项要求待完成：预测的单体电压分布和运行极限需在全尺寸300片电堆上确认（因其依赖短栈校准和假设的分布形状）；船用工况下瞬态运行尚未测量（工况评估为准稳态）；船用 duty 下耐久性尚未测试（寿命末期包络为已发表退化行为的投影）；电堆间变异性未量化（电池总体从单一短栈推断）；包括振动、倾斜、含盐进气和环境温度范围在内的船用条件尚未测试。该框架将单体分辨短栈测量经统计放大贯穿至可操作包络设计及成本和碳评估，可迁移至轨道交通、离网建筑和固定备用等其他模块化燃料电池应用。研究结果对电堆制造商（可在建造前按最弱单体对全尺寸电堆评级）和船用系统集成商（模块化燃料电池辅助动力选型）具有直接用途。未来工作将增加全尺寸电堆测试以确认放大、更高保真度BoP表征、船用耐久性数据、电堆间测试和全多类别生命周期评估，支持在18-24个月 horizon 内推进至TRL 4集成原型测试。
