氢燃料电池船舶动力的发展与展望

黄河 徐文珊 李明敏

摘  要：目前船舶通常采用柴油机、燃气轮机等提供动力，其排放大量的硫氧化物、氮氧化物、CO2气体、颗粒物等大气污染物，对大气造成严重污染。为此，IMO不断出台限制污染物排放量的规定，航运界也采取了相应的措施：内燃机技术更新、使用低硫燃油、氢燃料等。氢燃料具有可再生、无污染、热值高等特点。采用氢燃料可实现零排放，是解决船舶对环境污染最有效的措施之一。本文将对氢燃料电池船舶动力的发展与应用加以探讨、展望。

关键词：氢能;燃料电池; 船用;展望

中图分类号：U664.14    文献标识码：A

Abstract： Diesel engines and gas turbines are widely used in ship power systems， their emissions of a large number of sulfur oxides， nitrogen oxides， CO2 gas， particulate matter and other atmospheric pollutants， will cause serious pollution to the atmosphere. For this reason， IMO regulations to limit pollutant emissions are constantly introduced and gradually upgraded， the shipping industry has also taken corresponding countermeasures： internal combustion engine technology update， using low–sulfur fuel， installing desulfurization devices， using clean energy including natural gas， electric energy， hydrogen fuel， wind energy and solar energy. Hydrogen energy has the advantages of renewable， pollution-free， high calorific value. The use of hydrogen fuel can achieve zero emission， which is one of the most effective measures to solve environmental pollution. In this paper， the development and application of hydrogen fuel cell as ship power are discussed and prospected.

Key words： Hydrogen energy; Fuel cell; Marine; Prospect

1 前言

近年来，国际公约法规对船舶排放要求日益严格。2018年4月国际海事组织（IMO）制定了海运温室气体减排初步战略要求：与2008年相比，在2030年船舶二氧化碳排放量至少降低40%，到2050年降低50%以上;从2020年起，全球船舶所用燃油硫含量不得超过0.5%，硫氧化物排放控制区域（SECA）硫含量不超过0.1%。2018年6月国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，其目标是经过3年努力，大幅减少主要大气污染物排放总量;

2018年11月，交通运输部颁布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，划定了中国境内排放控制区域，明确规定2020年1月1日起，船舶进入排放控制区应使用硫含量不大于0.1%的船用燃油。

氢燃料电池是将氧气与氢气的化学能转换成电能的发电装置，生成物为水，具有高效、无污染、设备运行噪音低等特点。氢燃料电池具有广泛的应用前景，船舶采用氢燃料电池推进方案是其满足新法规要求的主要措施之一。本文对氢燃料电池动力技术船用化发展进行研究。

2 燃料电池原理及特点

燃料电池是一种将燃料与氧化剂通过电解质将其化学能直接转化为电能的装置。燃料电池的电极本身不包含活性储能物质，只是催化转化元件。燃料电池常见的排放物为水。

目前常用的燃料电池有：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等，见表1。

燃料电池具有较高的能量转化率，如图1所示。各类燃料电池的能量转化效率约为40%—60%，若实现热电联供，燃料的总利用率可达80%以上。

当燃料电池以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机减少40%以上;若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水。同时，由于燃料电池生成水的反应是个放热反应，会产生大量热水、热蒸汽，不仅可以供电，还可以供暖。

燃料电池动力的主要特点如下：

（1）生成物为水，使用过程无CO2、SOx、NOx等有害物质排放，如以氢气为燃料的燃料电池可实现零排放;低温燃料电池的工作温度小于200℃，安全、可靠、污染甚微;

（2）在运行过程中不产生任何机械噪音。燃料电池没有传统内燃机的运动部件，其噪声源仅来自于空气压缩机与冷却系统等辅助部件;

（3）能效转换率高。普通柴油机或燃气轮机的能效转换率在25%～40%范围内，而燃料电池的能效转换率在40%～50%之间，部分甚至可达到60%以上;

（4）適合批量化生产、模块化配置、适用功率范围广。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。

3 氢燃料电池发展现状

3.1国外现状

全球主要国家高度重视氢能与燃料电池的发展，不断加大对氢能及燃料电池研发和产业化的扶持力度。美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家;欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障;日本提出成为全球第一个实现氢能社会的国家，政府先后发布了《日本复兴战略》、《能源战略计划》、《氢能源基本战略》和《氢能及燃料电池战略路线图》，规划了实现氢能社会战略的技术路线。

目前，对于船用燃料电池系统及应用的研究主要集中在欧洲。自2003年挪威平台供应船“Viking Lady”（见图2）成为全球第一艘以燃料电池作为混合动力的商业运营船舶以来，欧洲及美、日、韩等发达国家先后开展船舶氢燃料电池应用研究，部分研究已进入商业营运阶段。2018年7月，美国在旧金山湾区开工建造了首艘氢燃料电池客船“Water-Go-Round”（见图3），该船长21米，最高航速可达22节，可装载84名乘客。

3.2国内现状

中国是全球氢能利用的大国，已制定《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，提出了氢工业（氢的制取、储运及加氢站）、先进燃料电池和燃料电池分布式发电等3个战略发展方向;2019年首次将推动充电、加氢等设施建设写入《政府工作报告》。

我国目前已形成京津冀、长江三角洲、珠江三角洲、华中、西北、西南和东北等7个氢能产业集群。燃料电池技术取得了显著的成绩，国产质子交换膜燃料电池（PEMFC）关键材料和部件的开发取得了重大进展，为氢燃料电池发展按奠定了基础。

中国船舶集团牵头开展了国内首艘氢燃料电池动力船研发工作，目前已完成基本设计工作（见图4），并获得了中国船级社的原则认可（AIP）。

4 氢燃料电池动力船用化存在的主要问题

目前燃料电池主要应用于车辆以及热电等陆用装置，而船舶与陆用装置运行工况存在很大的差别，见表2：

船舶由于特殊的使用条件，对燃料电池的功率需求、储氢条件、安全、产品特性等要求均不同于汽车。经分析，氢燃料电池动力船舶在应用上主要存在以下问题：

（1）船用氢燃料电池标准规范尚不完善

虽然各国已有了多项实船应用的案例，但目前国际海事组织尚未制定氢燃料电池动力船适用的行业准则。中国船级社（CCS）颁布的《船舶应用替代燃料指南》（2017）对氢燃料电池的使用做出了指导和规定，但存在诸多不完善之处，如对船用燃料电池作为主电源以及船用产品取证等相关要求尚未明确，亟需通过项目专项研究，完善设计、制造及检验的技术标准，以填补我国规范在氢燃料动力船舶领域的空白。

（2）船用氢燃料电池技术研究不足

我国船用氢燃料电池的相关研究主要集中在高校与部分科研院所，缺少工程化应用研究。目前，燃料电池模块和燃料电池动力系统主要为车用产品，而船舶与车辆在工作环境以及作业工况要求方面存在巨大区别，尤其在安全性上，亟需开展船用燃料电池系统研究工作，以推进氢燃料船舶工程应用进程。

（3）船用氢气存储及加注技术亟待突破

船用氢气存储和加注是制约氢燃料电池发展的主要瓶颈之一。目前，氢气存储和加注技术已在车用燃料电池领域初步实现产业化，但船舶有续航力长、氢气耗量大、环境因素复杂、安全要求高等特点，船用氢气存储和加注技术应用尚不成熟。此外，由于燃料补给限制条件多，加注设施选址困难、审批难度大等问题亟待突破。

从储氢环节来看，氢气能够以气态、液态和固态三种状态进行储存，为了满足船舶的使用需求，需在储氢密度、安全性和成本三者之间寻找平衡，对适用船舶的高性能储氢技术进行研究，国内船用氢燃料加注尚无先例。目前国外采用的槽车式移动加注方式，由于存在加注作业随意性较大，不利于安全监管等因素，国内相关规范已禁止使用移动式加氢。因此，需要对船用氢气加注技术进行研究，解决我国船用氢燃料加注技术难题，并需规划在岸边建立、合理布置氢燃料加注站。

（4）氢燃料电池动力船舶安全性及管理技术滞后

氢燃料电池动力系统改变了传统船舶内燃机推进理念，其可行性、可靠性和安全性有待进一步验证。氢气具有易燃易爆的特点，氢燃料上船会给船舶安全管理、船员培训、应急防护处理和危险品监管等海事业务带来较大影响。目前与之相关的船员培训要求、操作规程、应急预案等配套管理办法都暂未出台。為推进零排放的燃料电池在我国船舶上的商业应用，弥补我国燃料电池船舶应用领域的空白，需要对氢燃料电池动力船舶的管理技术进行研究，共同推进绿色航运的发展。

5 氢燃料电池船用化的应用前景展望

氢能和燃料电池技术的组合是世界能源转型和动力转型的重大战略方向，是应对全球能源短缺和减少环境污染的重要战略举措。氢燃料电池既可作为船舶的推进动力，又可用于船舶电源，适用于渡船、供给船、巡逻船、货运船和观光船等船舶。相比于其它能源方案，氢燃料电池具有高效、无污染、噪音低等特点，其优势吸引着世界各国和各大船舶企业的关注，将会成为继内燃机之后的优选动力源之一。

氢燃料电池动力系统是多个设备、部件及分系统的集成，涉及的产业范围广泛，不仅可以带动船舶交通运输业，而且可以带动相关装备制造业及其它产业领域的蓬勃发展。

随着世界石油价格的不断上涨和环保要求的提高，以及氢燃料的成本降低，氢燃料电池广泛应用于船舶产业领域指日可待，将引领船舶动力系统的换代革命。