挑起氢燃料电池技术重担

本刊记者 赵 博

日前，由长江三峡通航管理局、中国长江电力股份有限公司、中国船舶重工集团公司第七一二研究所和中国船级社（CCS）共同参与设计建造的氢燃料电池动力船“三峡氢舟1”号通过方案设计审查。这是一艘以氢燃料电池为主动力的双体船，船长约49.9米，型深3.2米，设计吃水约1.75米，最高航速达28公里/小时，由2台交流电机驱动2台全回转舵桨推进，氢燃料电池额定输出功率500kw，将获FC-POWER1、绿色船舶－3、i-ship（M）等附加标志。此次氢燃料电池动力船项目的实施促进了氢能在船应用，是对实现国家“碳达峰、碳中和”发展路径的积极探索。

电解水制氢是发展重点

研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为实现船舶绿色化的重要趋势，而将氢燃料电池技术应用于船舶，则被普遍视为一种有效的解决方案。目前，国外氢能项目不乏用于海工船、汽车滚装船、超过百人的客船等，并作为发电装置使用。而现阶段，氢燃料动力船对标的主要对象应该是纯电池动力船舶。船舶电动化是全球公认的趋势，氢燃料电池船舶作为路线之一，除具备船舶电动化优势外，其较高的能量密度和快速补给能量的特性加之船舶本身特质，决定了氢燃料电池船可以行驶得更远、行得更久，有机会被应用于更长航程的场合。

从技术层面来看，氢燃料电池在船舶领域应用具有三大优势。第一，燃料电池是真正的清洁能源，使用氢气作为燃料时，不产生任何有害气体，即使使用甲烷、甲醇等富氢燃料，也会大幅降低氮氧化物排放，且二氧化碳更易于收集。第二，氢气的能量密度比锂电池高，燃料电池动力船舶可在再次加氢前运行更长时间，对于有一定航程需要的经营者来说，氢燃料电池动力系统更实用。第三，氢燃料的加注速度显著高于锂电池充电速度，在长航程的应用场合这一优势尤为突出。

由于氢能在绿色船舶应用领域有着难以替代的优势和效果，一场氢能船舶革命正蓄势待发。当前制氢方式主要有四种：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢。化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位。天然气制氢是我国最主要的制氢来源，占总制氢量48%。醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大比重，电解水制氢量则占比4%。随着化石燃料产量下降、可持续发展理念深化，乐观估计氢能市场在2050年前后将形成以可再生能源为主体、煤制氢+碳捕获与生物质制氢为补充的多元供氢格局。

电解水制氢是一种环保的制氢手段，其优势不必赘述。但客观来讲，目前的电解水制氢成本远高于化石能源制氢，电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右。也就是说，过程能耗是左右水电解制氢成本的关键。一是降低电解过程中的能耗，这可通过开发质子交换膜电解（PEM）及固体氧化物电解（SOEC）技术实现。碱性电解水制氢虽然是最成熟、产业化程度最广的制氢技术，但电解效率仅为60%～75%，而质子交换膜电解和固体氧化物电解技术则可有效提高电解效率。二是以低成本的电价作为制氢原料。与其它国家相比，我国工业电价位于中低水平，相对较低的电价为我国发展电解水制氢提供了有利条件。我国正大力推进可再生能源，由大量弃风、弃水产生的弃电是发展电解水制氢的有利条件，而放眼长期，风电和光伏则是电解水制氢企业获得低成本电力的主要来源，且光伏系统发电成本未来仍有一定的下降空间，与风电、光伏等可再生能源耦合制氢，从而实现氢能大规模生产。

如今，我国支持氢能船舶产业发展的政策和标准正在酝酿，《交通强国建设纲要》明确新能源船舶运输、氢能基础建设、城市物流电动化发展，《内河航运发展纲要》则提出探索发展燃料电池动力、纯电力船舶，研究推进氢能、风能和太阳能等新能源在行业的应用。

关键问题正得到解决

氢燃料电池是将自身携带氢燃料与氧化剂中的化学能经电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、能量密度高、振动噪声低和零排放等优点。但不可否认，氢燃料电池未来在船舶上大规模应用还要解决安全、存储和加注等诸多问题。

氢气属于易燃易爆气体，在空气中燃烧范围较宽（4%～75%）、点火能较小（0.017mJ）、火焰速度较快（2.7m/s），法兰、阀门等处如发生泄漏，与空气混合形成爆炸混合物，遇到明火、高热、电气（静电）火花等点火源就会引起燃烧爆炸。氢气燃烧下限低意味着微量泄漏即可带来火灾爆炸风险，点火能量小则为灭火后氢气发生二次燃烧带来了隐患，火焰传播速度快会加剧氢气火灾扩散蔓延的风险，另外当氢气燃烧时，肉眼在白天几乎看不见火光、热辐射小，火灾探测较为困难。就氢燃料电池船而言，其重点风险安全区域主要包括高压氢气加注站（含充装接头、高压气相管路、控制阀件及附件等），氢气瓶间（氢气瓶组、氢气管路氮气系统、通风系统、相关附件等），燃料电池处所（燃料电池模块、氢气管路、处所通风系统、相关附件等），锂电池与机电设备间(锂电池组，电池管理系统、配电系统、机电设备等)。

CCS围绕氢燃料电池船舶关键技术开展了一系列应用研究和工程实践，在船舶总体安全设计、储氢、加氢和用氢等方面取得了大量研究进展，为我国后续氢燃料电池实船建造提供了重要的理论基础和数据支撑。今年以来，在CCS武汉规范研究所罗肖锋所长部署下，组建了氢能应用研发团队，结合燃料电池船舶的实际需求和国际规则最新研究成果，按照安全性、合理性和可操作性的原则，对燃料电池船舶总体设计、布置要求、安全防护和检验等方面开展了研究。在对燃料电池船舶相关风险进行评估的基础上，课题组制定了《船舶应用燃料电池发电装置指南》，采用与IMO《船舶应用燃料电池发电装置安全临时导则》一致的安全原则，为燃料电池船舶的设计、制造与检验提供了有效依据，将对此类船舶的安全发展和清洁能源应用具有积极的促进作用。

在2020年已结题的“船舶氢燃料储存及应用技术”项目中，CCS对氢燃料加注技术、船用氢气管路连接方式、燃料电池处所安全防护技术开展了深入分析，解决了陆上技术标准与船舶环境条件差异性问题。该项目旨在为船舶储存及应用氢燃料的环境效益、经济性、技术成熟度等方面进行研究，目标在于研究掌握不同形式的氢燃料储存、加注、供给等相关系统检验技术，包括船用氢气管路连接方式和燃料电池处所安全防护技术，在《船舶替代燃料应用指南》（2017版）的相关要求基础上，形成船舶氢燃料储运及应用方面的技术建议，对现有指南进行补充完善，拓展CCS对于氢燃料储运及应用的技术服务能力。

CCS还研究了液体有机化合物储氢、金属氢化物储氢技术的在船应用，有针对性地提出船舶储存、布置、脱氢、材料等方面的技术要求建议，另结合陆上液化氢储罐技术，通过风险分析等研究方式，从材料、液货舱、管系、压力释放系统、安全监控系统、消防等方面提出了船舶储存液化氢的补充规定建议，为后续开展高密度储氢技术研究、拓展船舶氢燃料适用面奠定基础。氢气可储存在大型液体储存设施中，但船舶加氢技术尚不成熟。“目前，陆上车用加氢设备主要采用加氢枪，加注时间一般不超过10分钟。而与车用加氢相比，船舶加氢具有加注量大、持续时间长等特点，因此，加注设备不应简单的采用陆用加氢枪，应采用更加可靠的加注连接方式，并考虑船岸之间的紧急切断的联动功能，以及紧急脱开的需要。”

攻关背后的细致工作

武汉规范研究所开展进行的大量细致工作，则推动了我国氢燃料电池技术可以更早地迈出实验室，走向产业化。

CCS代表中国参与国际低闪点燃料通讯组技术规则的制定与讨论，近几年的一项重点工作是编写制定《船舶应用燃料电池发电装置安全临时导则》。武汉规范研究所派员参与了此临时导则的制定工作，目前已经完成大部分核心章节讨论，预计在货物与集装箱运输分委会第七次会议（CCC7）上确定大部分内容。研发团队还将自主研发和编写的《船舶应用替代燃料指南》中关于燃料电池监控的有关内容作为参考文本进行了提案，目前已被讨论组接受并纳入到这本国际规则的临时导则中。

武汉规范研究所还编写了“船载燃料电池国际海事规范研究”技术报告，系统分析了国内外氢燃料电池动力船舶技术发展现状和发展环境，结合国际低闪点燃料通讯组对于燃料电池动力船舶领域最新技术发展及标准的讨论制定情况，梳理燃料电池动力船舶安全临时导则在历时两年的讨论中，对于燃料电池处所设计原则、危险区域划分、通风要求、惰化要求、防火与灭火、监控和安全等各章节条款的演变过程，进行了详细整理和论述。

航运能源低碳转型是一项长期性、复杂性的系统工程，氢燃料电池被认为是零排放解决方案的重点发展方向。围绕航运能源低碳转型和氢能应用这一前沿科学问题，武汉规范研究所研究了符合IEC62282-2标准的船用燃料电池发电系统设计安全原则，参与了多个燃料电池样机台架试验与型式认可验证，制定和完善了产品认可方案，协助完成了多个CCS燃料电池产品认可项目，其中就包括“氢舟1号”氢燃料电池船舶总体方案设计。此外，研究团队还完成了氢泄漏、扩散灾害后果仿真分析，开展氢燃料加注安全及监管专项研究，发表了《燃料电池船舶储氢处所高压氢气泄漏模拟仿真分析》和《氢燃料动力船岸基式加注作业安全性分析及风险控制研究》。“基于这些工作，我们围绕氢燃料电池船舶关键技术开展了一系列应用研究和工程实践，在船舶总体安全设计、储氢、加氢和用氢等环节上取得了大量研究进展，攻克了船舶应用氢燃料在总体设计、系统设计、装备制造、标准研发和风险评估等技术难题，获得了大量的实测资料。为我国后续氢燃料电池实船建造提供了重要的理论基础和数据支撑，也为我国氢燃料电池船舶测试与验证搭建了重要的试验平台，标志着我国氢燃料电池船舶关键技术领域应用水平迈上了新台阶。”

在法规及监管方面，应关注水上氢气加注作业风险控制和试验验证。“与陆上氢气加注相比，特别是水上的加注环境条件更复杂（船舶在水上存在相对运动）、水上事故后果影响涉及面广（对航道通航环境、对水域污染和社会负面影响等）、水上加注发生事故后的应急救援困难。目前，对于氢燃料水上加注设施的设计和建造，国内外都没有专门技术规范和标准可借鉴，氢燃料水上加注设施及加注作业亦属新生事物，可参考适用的监管要求分散于各类法规之中，有待梳理整合，针对这一新生事物的监管主体亦不明，需考虑出台具体的监管要求。”