本刊記者 趙 博

日前，由長(zhǎng)江三峽通航管理局、中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所和中國(guó)船級(jí)社（CCS）共同參與設(shè)計(jì)建造的氫燃料電池動(dòng)力船“三峽氫舟1”號(hào)通過(guò)方案設(shè)計(jì)審查。這是一艘以氫燃料電池為主動(dòng)力的雙體船，船長(zhǎng)約49.9米，型深3.2米，設(shè)計(jì)吃水約1.75米，最高航速達(dá)28公里/小時(shí)，由2臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)，氫燃料電池額定輸出功率500kw，將獲FC-POWER1、綠色船舶－3、i-ship（M）等附加標(biāo)志。此次氫燃料電池動(dòng)力船項(xiàng)目的實(shí)施促進(jìn)了氫能在船應(yīng)用，是對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展路徑的積極探索。

電解水制氫是發(fā)展重點(diǎn)

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)成為實(shí)現(xiàn)船舶綠色化的重要趨勢(shì)，而將氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船舶，則被普遍視為一種有效的解決方案。目前，國(guó)外氫能項(xiàng)目不乏用于海工船、汽車滾裝船、超過(guò)百人的客船等，并作為發(fā)電裝置使用。而現(xiàn)階段，氫燃料動(dòng)力船對(duì)標(biāo)的主要對(duì)象應(yīng)該是純電池動(dòng)力船舶。船舶電動(dòng)化是全球公認(rèn)的趨勢(shì)，氫燃料電池船舶作為路線之一，除具備船舶電動(dòng)化優(yōu)勢(shì)外，其較高的能量密度和快速補(bǔ)給能量的特性加之船舶本身特質(zhì)，決定了氫燃料電池船可以行駛得更遠(yuǎn)、行得更久，有機(jī)會(huì)被應(yīng)用于更長(zhǎng)航程的場(chǎng)合。

從技術(shù)層面來(lái)看，氫燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用具有三大優(yōu)勢(shì)。第一，燃料電池是真正的清潔能源，使用氫氣作為燃料時(shí)，不產(chǎn)生任何有害氣體，即使使用甲烷、甲醇等富氫燃料，也會(huì)大幅降低氮氧化物排放，且二氧化碳更易于收集。第二，氫氣的能量密度比鋰電池高，燃料電池動(dòng)力船舶可在再次加氫前運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)于有一定航程需要的經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)更實(shí)用。第三，氫燃料的加注速度顯著高于鋰電池充電速度，在長(zhǎng)航程的應(yīng)用場(chǎng)合這一優(yōu)勢(shì)尤為突出。

由于氫能在綠色船舶應(yīng)用領(lǐng)域有著難以替代的優(yōu)勢(shì)和效果，一場(chǎng)氫能船舶革命正蓄勢(shì)待發(fā)。當(dāng)前制氫方式主要有四種：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫?；剂现茪渑c工業(yè)副產(chǎn)物制氫憑借較低的成本占據(jù)制氫結(jié)構(gòu)的主體地位。天然氣制氫是我國(guó)最主要的制氫來(lái)源，占總制氫量48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當(dāng)大比重，電解水制氫量則占比4%。隨著化石燃料產(chǎn)量下降、可持續(xù)發(fā)展理念深化，樂(lè)觀估計(jì)氫能市場(chǎng)在2050年前后將形成以可再生能源為主體、煤制氫+碳捕獲與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。

電解水制氫是一種環(huán)保的制氫手段，其優(yōu)勢(shì)不必贅述。但客觀來(lái)講，目前的電解水制氫成本遠(yuǎn)高于化石能源制氫，電費(fèi)占整個(gè)水電解制氫生產(chǎn)費(fèi)用的80%左右。也就是說(shuō)，過(guò)程能耗是左右水電解制氫成本的關(guān)鍵。一是降低電解過(guò)程中的能耗，這可通過(guò)開(kāi)發(fā)質(zhì)子交換膜電解（PEM）及固體氧化物電解（SOEC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。堿性電解水制氫雖然是最成熟、產(chǎn)業(yè)化程度最廣的制氫技術(shù)，但電解效率僅為60%～75%，而質(zhì)子交換膜電解和固體氧化物電解技術(shù)則可有效提高電解效率。二是以低成本的電價(jià)作為制氫原料。與其它國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)電價(jià)位于中低水平，相對(duì)較低的電價(jià)為我國(guó)發(fā)展電解水制氫提供了有利條件。我國(guó)正大力推進(jìn)可再生能源，由大量棄風(fēng)、棄水產(chǎn)生的棄電是發(fā)展電解水制氫的有利條件，而放眼長(zhǎng)期，風(fēng)電和光伏則是電解水制氫企業(yè)獲得低成本電力的主要來(lái)源，且光伏系統(tǒng)發(fā)電成本未來(lái)仍有一定的下降空間，與風(fēng)電、光伏等可再生能源耦合制氫，從而實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模生產(chǎn)。

如今，我國(guó)支持氫能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策和標(biāo)準(zhǔn)正在醞釀，《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確新能源船舶運(yùn)輸、氫能基礎(chǔ)建設(shè)、城市物流電動(dòng)化發(fā)展，《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》則提出探索發(fā)展燃料電池動(dòng)力、純電力船舶，研究推進(jìn)氫能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源在行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵問(wèn)題正得到解決

氫燃料電池是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)。但不可否認(rèn)，氫燃料電池未來(lái)在船舶上大規(guī)模應(yīng)用還要解決安全、存儲(chǔ)和加注等諸多問(wèn)題。

氫氣屬于易燃易爆氣體，在空氣中燃燒范圍較寬（4%～75%）、點(diǎn)火能較小（0.017mJ）、火焰速度較快（2.7m/s），法蘭、閥門等處如發(fā)生泄漏，與空氣混合形成爆炸混合物，遇到明火、高熱、電氣（靜電）火花等點(diǎn)火源就會(huì)引起燃燒爆炸。氫氣燃燒下限低意味著微量泄漏即可帶來(lái)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，點(diǎn)火能量小則為滅火后氫氣發(fā)生二次燃燒帶來(lái)了隱患，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤鞎?huì)加劇氫氣火災(zāi)擴(kuò)散蔓延的風(fēng)險(xiǎn)，另外當(dāng)氫氣燃燒時(shí)，肉眼在白天幾乎看不見(jiàn)火光、熱輻射小，火災(zāi)探測(cè)較為困難。就氫燃料電池船而言，其重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)安全區(qū)域主要包括高壓氫氣加注站（含充裝接頭、高壓氣相管路、控制閥件及附件等），氫氣瓶間（氫氣瓶組、氫氣管路氮?dú)庀到y(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、相關(guān)附件等），燃料電池處所（燃料電池模塊、氫氣管路、處所通風(fēng)系統(tǒng)、相關(guān)附件等），鋰電池與機(jī)電設(shè)備間(鋰電池組，電池管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備等)。

CCS圍繞氫燃料電池船舶關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了一系列應(yīng)用研究和工程實(shí)踐，在船舶總體安全設(shè)計(jì)、儲(chǔ)氫、加氫和用氫等方面取得了大量研究進(jìn)展，為我國(guó)后續(xù)氫燃料電池實(shí)船建造提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。今年以來(lái)，在CCS武漢規(guī)范研究所羅肖鋒所長(zhǎng)部署下，組建了氫能應(yīng)用研發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合燃料電池船舶的實(shí)際需求和國(guó)際規(guī)則最新研究成果，按照安全性、合理性和可操作性的原則，對(duì)燃料電池船舶總體設(shè)計(jì)、布置要求、安全防護(hù)和檢驗(yàn)等方面開(kāi)展了研究。在對(duì)燃料電池船舶相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，課題組制定了《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》，采用與IMO《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置安全臨時(shí)導(dǎo)則》一致的安全原則，為燃料電池船舶的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)提供了有效依據(jù)，將對(duì)此類船舶的安全發(fā)展和清潔能源應(yīng)用具有積極的促進(jìn)作用。

在2020年已結(jié)題的“船舶氫燃料儲(chǔ)存及應(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目中，CCS對(duì)氫燃料加注技術(shù)、船用氫氣管路連接方式、燃料電池處所安全防護(hù)技術(shù)開(kāi)展了深入分析，解決了陸上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與船舶環(huán)境條件差異性問(wèn)題。該項(xiàng)目旨在為船舶儲(chǔ)存及應(yīng)用氫燃料的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度等方面進(jìn)行研究，目標(biāo)在于研究掌握不同形式的氫燃料儲(chǔ)存、加注、供給等相關(guān)系統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)，包括船用氫氣管路連接方式和燃料電池處所安全防護(hù)技術(shù)，在《船舶替代燃料應(yīng)用指南》（2017版）的相關(guān)要求基礎(chǔ)上，形成船舶氫燃料儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用方面的技術(shù)建議，對(duì)現(xiàn)有指南進(jìn)行補(bǔ)充完善，拓展CCS對(duì)于氫燃料儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用的技術(shù)服務(wù)能力。

CCS還研究了液體有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)的在船應(yīng)用，有針對(duì)性地提出船舶儲(chǔ)存、布置、脫氫、材料等方面的技術(shù)要求建議，另結(jié)合陸上液化氫儲(chǔ)罐技術(shù)，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析等研究方式，從材料、液貨艙、管系、壓力釋放系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、消防等方面提出了船舶儲(chǔ)存液化氫的補(bǔ)充規(guī)定建議，為后續(xù)開(kāi)展高密度儲(chǔ)氫技術(shù)研究、拓展船舶氫燃料適用面奠定基礎(chǔ)。氫氣可儲(chǔ)存在大型液體儲(chǔ)存設(shè)施中，但船舶加氫技術(shù)尚不成熟?！澳壳?，陸上車用加氫設(shè)備主要采用加氫槍，加注時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。而與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此，加注設(shè)備不應(yīng)簡(jiǎn)單的采用陸用加氫槍，應(yīng)采用更加可靠的加注連接方式，并考慮船岸之間的緊急切斷的聯(lián)動(dòng)功能，以及緊急脫開(kāi)的需要。”

攻關(guān)背后的細(xì)致工作

武漢規(guī)范研究所開(kāi)展進(jìn)行的大量細(xì)致工作，則推動(dòng)了我國(guó)氫燃料電池技術(shù)可以更早地邁出實(shí)驗(yàn)室，走向產(chǎn)業(yè)化。

CCS代表中國(guó)參與國(guó)際低閃點(diǎn)燃料通訊組技術(shù)規(guī)則的制定與討論，近幾年的一項(xiàng)重點(diǎn)工作是編寫(xiě)制定《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置安全臨時(shí)導(dǎo)則》。武漢規(guī)范研究所派員參與了此臨時(shí)導(dǎo)則的制定工作，目前已經(jīng)完成大部分核心章節(jié)討論，預(yù)計(jì)在貨物與集裝箱運(yùn)輸分委會(huì)第七次會(huì)議（CCC7）上確定大部分內(nèi)容。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還將自主研發(fā)和編寫(xiě)的《船舶應(yīng)用替代燃料指南》中關(guān)于燃料電池監(jiān)控的有關(guān)內(nèi)容作為參考文本進(jìn)行了提案，目前已被討論組接受并納入到這本國(guó)際規(guī)則的臨時(shí)導(dǎo)則中。

武漢規(guī)范研究所還編寫(xiě)了“船載燃料電池國(guó)際海事規(guī)范研究”技術(shù)報(bào)告，系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展環(huán)境，結(jié)合國(guó)際低閃點(diǎn)燃料通訊組對(duì)于燃料電池動(dòng)力船舶領(lǐng)域最新技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)的討論制定情況，梳理燃料電池動(dòng)力船舶安全臨時(shí)導(dǎo)則在歷時(shí)兩年的討論中，對(duì)于燃料電池處所設(shè)計(jì)原則、危險(xiǎn)區(qū)域劃分、通風(fēng)要求、惰化要求、防火與滅火、監(jiān)控和安全等各章節(jié)條款的演變過(guò)程，進(jìn)行了詳細(xì)整理和論述。

航運(yùn)能源低碳轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)長(zhǎng)期性、復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，氫燃料電池被認(rèn)為是零排放解決方案的重點(diǎn)發(fā)展方向。圍繞航運(yùn)能源低碳轉(zhuǎn)型和氫能應(yīng)用這一前沿科學(xué)問(wèn)題，武漢規(guī)范研究所研究了符合IEC62282-2標(biāo)準(zhǔn)的船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全原則，參與了多個(gè)燃料電池樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)與型式認(rèn)可驗(yàn)證，制定和完善了產(chǎn)品認(rèn)可方案，協(xié)助完成了多個(gè)CCS燃料電池產(chǎn)品認(rèn)可項(xiàng)目，其中就包括“氫舟1號(hào)”氫燃料電池船舶總體方案設(shè)計(jì)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還完成了氫泄漏、擴(kuò)散災(zāi)害后果仿真分析，開(kāi)展氫燃料加注安全及監(jiān)管專項(xiàng)研究，發(fā)表了《燃料電池船舶儲(chǔ)氫處所高壓氫氣泄漏模擬仿真分析》和《氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)安全性分析及風(fēng)險(xiǎn)控制研究》?！盎谶@些工作，我們圍繞氫燃料電池船舶關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了一系列應(yīng)用研究和工程實(shí)踐，在船舶總體安全設(shè)計(jì)、儲(chǔ)氫、加氫和用氫等環(huán)節(jié)上取得了大量研究進(jìn)展，攻克了船舶應(yīng)用氫燃料在總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備制造、標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等技術(shù)難題，獲得了大量的實(shí)測(cè)資料。為我國(guó)后續(xù)氫燃料電池實(shí)船建造提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，也為我國(guó)氫燃料電池船舶測(cè)試與驗(yàn)證搭建了重要的試驗(yàn)平臺(tái)，標(biāo)志著我國(guó)氫燃料電池船舶關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用水平邁上了新臺(tái)階?！?/p>

在法規(guī)及監(jiān)管方面，應(yīng)關(guān)注水上氫氣加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制和試驗(yàn)驗(yàn)證?！芭c陸上氫氣加注相比，特別是水上的加注環(huán)境條件更復(fù)雜（船舶在水上存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)）、水上事故后果影響涉及面廣（對(duì)航道通航環(huán)境、對(duì)水域污染和社會(huì)負(fù)面影響等）、水上加注發(fā)生事故后的應(yīng)急救援困難。目前，對(duì)于氫燃料水上加注設(shè)施的設(shè)計(jì)和建造，國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有專門技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可借鑒，氫燃料水上加注設(shè)施及加注作業(yè)亦屬新生事物，可參考適用的監(jiān)管要求分散于各類法規(guī)之中，有待梳理整合，針對(duì)這一新生事物的監(jiān)管主體亦不明，需考慮出臺(tái)具體的監(jiān)管要求?！?/p>