船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)發(fā)展研究

彭元亭，徐增師

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

一、前言

船舶是為航運(yùn)業(yè)、海洋開發(fā)及國(guó)防建設(shè)提供技術(shù)裝備的綜合性產(chǎn)業(yè)，對(duì)鋼鐵、石化、紡織、裝備制造、電子信息等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和擴(kuò)大出口具有較強(qiáng)的帶動(dòng)作用，是國(guó)家實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要支撐?！吨袊?guó)制造2025》已將高技術(shù)船舶列為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。

船舶的傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)裝置，如柴油機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，通過消耗柴油來產(chǎn)生動(dòng)力，存在如下主要問題：燃料能量轉(zhuǎn)換效率低（約35%）；柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲等級(jí)高，極大降低了船舶的舒適度；燃料燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染；化石能源是非可再生能源，而且現(xiàn)有的化石能源儲(chǔ)量有限，不能支撐人類的持久發(fā)展[1～5]。因此，研究清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為綠色船舶的重要發(fā)展方向。

氫燃料電池是21 世紀(jì)綠色動(dòng)力能源技術(shù)制高點(diǎn)，是一種將自身攜帶氫燃料與氧化劑中的化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、振動(dòng)噪聲低和零排放等優(yōu)點(diǎn)[6～8]。此外，氫是可再生能源，可通過太陽能、風(fēng)能、水勢(shì)能、生物能等綠色能源制氫獲得。因此，氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)在船舶上應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)能源高效、零排放和船舶舒適度提升，是綠色船舶的理想動(dòng)力推進(jìn)裝置，適應(yīng)綠色船舶市場(chǎng)需求。

二、國(guó)外船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)

北美、日本、韓國(guó)等先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)已將船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)作為政府重點(diǎn)支持方向，相繼頒布一系列規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)并支持氫燃料電池船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

北美：對(duì)氫能的研發(fā)始于1973年的石油危機(jī)，當(dāng)時(shí)成立了國(guó)際氫能協(xié)會(huì)，并在美國(guó)邁阿密海灘召開了有關(guān)該主題的第一界國(guó)際會(huì)議，美國(guó)能源研究開發(fā)署（ERDA）對(duì)氫能研究計(jì)劃加以扶持，作為對(duì)美國(guó)政府能源自給不成功計(jì)劃部分的一種彌補(bǔ)。2015年，美國(guó)能源局向國(guó)會(huì)提交了《2015年美國(guó)燃料電池和氫能技術(shù)發(fā)展報(bào)告》，大力投資發(fā)展先進(jìn)氫燃料電池技術(shù)。2016年，美國(guó)能源部報(bào)告稱，正聯(lián)合制定環(huán)境、安全、許可等方面的船用氫燃料電池和加氫站行業(yè)規(guī)范。

日本：2009年國(guó)土交通省制定的《對(duì)于船舶行業(yè)中長(zhǎng)期科研計(jì)劃》中便提到將燃料電池作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)來減少排放。得益于日本燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在船用領(lǐng)域雖起步晚但發(fā)展較快。2017年，日本船級(jí)社發(fā)布液氫運(yùn)輸船安全建造運(yùn)營(yíng)導(dǎo)則，填補(bǔ)了目前海事規(guī)則規(guī)范在氫燃料動(dòng)力領(lǐng)域的空白。

韓國(guó)：知識(shí)經(jīng)濟(jì)部在2010年制定的《造船產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》中便提到將燃料電池等綠色能源應(yīng)用到船舶行業(yè)中。2015年，政府推出的燃料電池船舶項(xiàng)目共投入160 億韓元，由韓國(guó)船級(jí)社牽頭進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)。韓國(guó)的大型船廠與企業(yè)如大宇造船海洋（山東）有限公司、浦項(xiàng)制鐵電力公司（POSCO Power）、三星重工有限公司、System Technology Excellence（STX）造船集團(tuán)都參加了政府牽頭的船用燃料電池研發(fā)項(xiàng)目或自主研發(fā)。

（二）示范與應(yīng)用現(xiàn)狀

歐盟、德國(guó)、美國(guó)、挪威、日本等先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)在船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，已實(shí)現(xiàn)船用氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)裝置的示范及應(yīng)用，進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。國(guó)外主要船用燃料電池推進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目如表1 所示。

表1 國(guó)外主要船用燃料電池推進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目

歐盟：在2007年資助世界上第一個(gè)商業(yè)客輪ZEMships 項(xiàng)目，該船采用混合動(dòng)力推進(jìn)方式，整合了兩個(gè)峰值功率48 kW 的氫燃料電池和560 V 的鉛蓄電池，可運(yùn)送100 名乘客。

德國(guó)：在2008年研制出100 客“Alsterwasser”號(hào)氫燃料電池游船，其采用氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)裝置作為主推進(jìn)動(dòng)力，功率達(dá)到100 kW，最高航速可達(dá)到14 km/h，目前實(shí)現(xiàn)載客共14 000 余名。

法國(guó)：在2017年建成氫- 風(fēng)- 光動(dòng)力船“Energy Observer”號(hào)，該船長(zhǎng)30 m，重20 t，采用氫燃料電池系統(tǒng)22 kW。

荷 蘭： 在2009年 建 成100 客“Fuel Cell Boat Amsterdam”用于運(yùn)河旅游事業(yè)，該船配備60～70 kW 氫燃料電池系統(tǒng)，采用高壓氫氣提供氫燃料，能夠以7 節(jié)（1 節(jié)=1 n mile/h）航速航行9 h。

美國(guó)：在2018年6 月25 日宣布，將在海灣地區(qū)建造第一艘氫燃料電池渡輪。該渡輪載客84 名，電力推進(jìn)動(dòng)力功率是2×300 kW，長(zhǎng)21 m，鋁質(zhì)船體，航速為22 節(jié)。

挪威：在2009年與瓦錫蘭集團(tuán)、MTU 船級(jí)社合作研制出著名的氫燃料電池海面補(bǔ)給船“Viking Lady”號(hào)，該氫燃料電池系統(tǒng)功率為320 kW，燃料為液化天然氣，是全球第一艘投入運(yùn)營(yíng)的氫燃料電池工程船舶。

日本：在2015年下水試航首款氫燃料電池漁船，該漁船全長(zhǎng)12.5 m，可乘坐12 人，可搭載450 L 氫燃料，最高速度可達(dá)37 km/h。

三、我國(guó)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)可作為推進(jìn)動(dòng)力和輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于內(nèi)河、內(nèi)湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對(duì)節(jié)能減排、綠色環(huán)保和提升船舶舒適度的需求；作為推進(jìn)動(dòng)力和輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于科考船，滿足該類型船舶對(duì)噪聲振動(dòng)及廢氣排放的需求；作為輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于頻繁進(jìn)出港口的散貨船和客船，滿足該類型船舶對(duì)降低港口環(huán)境保護(hù)的需求。

近年來，車用氫燃料電池技術(shù)及其配套設(shè)施投入不斷加大，上海汽車集團(tuán)股份有限公司、上汽大通汽車有限公司、鄭州宇通集團(tuán)有限公等國(guó)內(nèi)知名車企先后推出各型號(hào)燃料電池作為發(fā)動(dòng)機(jī)的新能源汽車。中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一二研究所通過承擔(dān)科學(xué)技術(shù)部新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)“快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)”，已攻克30 kW 級(jí)物流車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工程化核心技術(shù)。總體而言，在車用領(lǐng)域，氫燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)與投資環(huán)境。相比而言，國(guó)內(nèi)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)研究工作剛起步。

國(guó)內(nèi)對(duì)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的規(guī)范研究工作主要集中在中國(guó)船級(jí)社（CCS）。2017年12 月，CCS 的《船舶應(yīng)用替代燃料指南》第2 篇燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)中規(guī)定了燃料電池船舶的各項(xiàng)設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)要求。

國(guó)內(nèi)對(duì)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的工程化研究工作主要集中在中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一二研究所，通過承擔(dān)國(guó)家政府科研項(xiàng)目，在艦船和水下裝備領(lǐng)域的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)工作中積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，在氫燃料電池電堆、氫源技術(shù)、控制與能量管理、系統(tǒng)集成等方面取得關(guān)鍵技術(shù)突破，在船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)儲(chǔ)備。

此外，中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一二研究所在電力推進(jìn)系統(tǒng)方面，承擔(dān)了工業(yè)和信息化部“船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)”和“船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)工程化技術(shù)研究” 項(xiàng)目、科學(xué)技術(shù)部“船用電力推進(jìn)系統(tǒng)”項(xiàng)目等。完成了救援船、液化天然氣（LNG）船、散貨船、水聲測(cè)量船、太陽能游船、蘇州環(huán)城河游船、三亞環(huán)島游船、新疆天池游船、武漢輪渡、挖泥船、海上風(fēng)電安裝船等船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)集成工作。目前，正在承擔(dān)國(guó)內(nèi)首艘300 客位全電動(dòng)客船研制項(xiàng)目，采用高性能鋰電池作為全船動(dòng)力推進(jìn)裝置，后續(xù)將采用氫燃料電池替換鋰電池作為全船動(dòng)力裝置，是國(guó)內(nèi)率先推出的“零排放”“環(huán)境友好”綠色動(dòng)力客船。

雖然，近年來我國(guó)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比仍存在差距：①船用氫燃料電池推進(jìn)裝置的戰(zhàn)略與目標(biāo)亟待確立；②氫燃料電池船舶領(lǐng)域法規(guī)規(guī)范研究不足；③船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)工程化的部分關(guān)鍵技術(shù)（氫燃料電池電堆船用化技術(shù)，船用高安全、高儲(chǔ)氫密度氫源技術(shù)，船用氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)）有待突破；④船用氫燃料電池配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)缺乏。

四、 我國(guó)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展思路與建議

（一）基本思路

按照《中國(guó)制造2025》對(duì)高技術(shù)船舶在2025年實(shí)現(xiàn)船舶工業(yè)制造強(qiáng)國(guó)的要求，圍繞氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、安全、高效船舶推進(jìn)裝置領(lǐng)域的市場(chǎng)需求和發(fā)展趨勢(shì)，以突破具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)工程化為目標(biāo)，通過政策引導(dǎo)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和綠色環(huán)保技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)船用氫燃料電池推進(jìn)裝置自主化和工程化，加快推進(jìn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以適應(yīng)高性能綠色船舶在內(nèi)河、近海、遠(yuǎn)洋船舶領(lǐng)域的市場(chǎng)需求。

（二）發(fā)展建議

1.加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，建立國(guó)家推動(dòng)機(jī)制

明確氫燃料電池船舶的發(fā)展思路和技術(shù)路線，制定國(guó)家發(fā)展氫燃料電池推進(jìn)裝置的戰(zhàn)略與目標(biāo)。根據(jù)戰(zhàn)略定位與發(fā)展目標(biāo)制定船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)發(fā)展政策與統(tǒng)籌規(guī)劃，建立國(guó)家推動(dòng)機(jī)制。引導(dǎo)行業(yè)、企業(yè)，科研院所、高校及各地方政府的發(fā)展方向，加強(qiáng)組織管理，實(shí)現(xiàn)資源共享，減少資源、投資的浪費(fèi)。

2.加大對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)力度，提高自主創(chuàng)新能力

加大國(guó)家及各級(jí)地方政府科研投入，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)工程化的關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)：高效率、高可靠和長(zhǎng)壽命的氫燃料電池電堆船用化技術(shù)；高安全性、高儲(chǔ)氫密度、高存儲(chǔ)釋放可逆、補(bǔ)給便捷的船用氫源技術(shù)；高緊湊、智能化的大功率氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)。此外，在以企業(yè)自主創(chuàng)新為核心的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研合作，整合行業(yè)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)資源和產(chǎn)業(yè)鏈資源，打造技術(shù)一流的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和技術(shù)領(lǐng)軍人才，提高自主創(chuàng)新能力。

3.開展法規(guī)規(guī)范的符合性研究，建立燃料電池船舶法規(guī)規(guī)范

以國(guó)家相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)繩，聯(lián)合國(guó)家海事局相關(guān)部門，重點(diǎn)開展儲(chǔ)氫設(shè)備上船的合規(guī)性分析研究、船用氫源及氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的安全性分析研究和氫燃料電池船舶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范研究，逐步建立和完善氫燃料電池船舶法規(guī)規(guī)范。

4.開展示范運(yùn)行，推廣市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)程

以生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展為引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)河-近海-遠(yuǎn)洋的逐步示范推廣。在示范運(yùn)行中，對(duì)裝置可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行系統(tǒng)考核，推廣自主研發(fā)的裝置，加快氫燃料存儲(chǔ)、補(bǔ)給配套設(shè)施建設(shè)。為在全國(guó)范圍的示范積累經(jīng)驗(yàn)，盡快推動(dòng)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。

5.開展國(guó)際合作，推進(jìn)我國(guó)技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力

圍繞船用氫燃料電池推進(jìn)裝置技術(shù)戰(zhàn)略定位與發(fā)展目標(biāo)，積極開展和各相關(guān)國(guó)際機(jī)構(gòu)、組織、企業(yè)的合作，積極開展雙邊或多邊國(guó)家政府間的合作。全面提升國(guó)際科技合作的質(zhì)量，增強(qiáng)我國(guó)在船用氫燃料電池推進(jìn)裝置的科技創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力。