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        船用燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

        2022-07-04 11:51:16彭元亭李紅享
        船電技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:船級社氫能燃料電池

        彭元亭,李紅享, 2,王 振, 2

        船用燃料電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

        彭元亭1,李紅享1, 2,王 振1, 2

        (1. 武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064;2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)研究中心,武漢 430064)

        本文介紹了國內(nèi)外燃料電池船舶的應(yīng)用現(xiàn)狀和部分船級社關(guān)于船舶燃料電池動力裝置的規(guī)范與指南,解讀了國家和地方政府對于燃料電池船舶的支持政策,最后分析了目前主流船舶燃料電池方案的優(yōu)缺點,并對未來的發(fā)展方向及趨勢提供了思路。

        燃料電池 船舶 船級社規(guī)范 政府政策

        0 引言

        高技術(shù)船舶是國家重點發(fā)展領(lǐng)域,是國家實施海洋強國和制造強國戰(zhàn)略的重要支撐。有關(guān)船舶排氣污染法律、法規(guī)的密集出臺,揭示“綠色航運”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念,已成為當(dāng)今高新技術(shù)船舶設(shè)計的重要標(biāo)準(zhǔn)和占領(lǐng)船舶市場的關(guān)鍵要素。

        與傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)比較起來,電力推進系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動力大、安裝方便、布局靈活、環(huán)保、振動和噪音小等優(yōu)點。國外發(fā)達國家新造船舶的30%都是使用的電力推進系統(tǒng),在全球范圍內(nèi),21世紀(jì)將是船舶電力推進系統(tǒng)發(fā)展的黃金時代。相比傳統(tǒng)船舶動力系統(tǒng),氫燃料電池系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、振動噪聲低、零排放、無污染等優(yōu)勢,是綠色船舶電力推進系統(tǒng)理想的發(fā)電裝置[1]。

        1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

        1.1 國外現(xiàn)狀

        歐洲最早開始燃料電池船舶的示范運行,從21世紀(jì)初就陸續(xù)推出世界上最早的燃料電池客船、游輪等。近5年來,日本和美國得益于其在車用和電站用燃料電池的技術(shù)優(yōu)勢,船舶燃料電池產(chǎn)業(yè)正在加速崛起。

        表1 國外燃料電池船舶

        圖1 美國商業(yè)化運營的燃料電池渡輪“Sea Change”

        1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

        目前我國尚無取得船級社認(rèn)證的氫燃料動力船舶,只有高校和企業(yè)推出了用于試驗和測試的氫能船舶,主要案例如表2和圖2。

        表2 國內(nèi)燃料電池船舶

        圖2 中船712所的燃料電池試驗船

        2 船用燃料電池法規(guī)

        國際海事組織和各國船級社都非常重視船用燃料電池的規(guī)范研究,目前國內(nèi)外已發(fā)布的規(guī)范指南有:

        1)國際IGF規(guī)則:《國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規(guī)則》

        2)挪威船級社規(guī)范:《Fuel Cell Installations》

        3)美國船級社:《Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications》-2019

        4)中國船級社(CCS):《船舶應(yīng)用替代燃料指南》-2017、《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南(征求意見稿)》-2021

        2.1 《國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規(guī)則》-2017

        本規(guī)則規(guī)定了使用低閃點燃料的船舶在機械、設(shè)備、系統(tǒng)等方面的布置、安裝、控制和監(jiān)測等相關(guān)的技術(shù)要求[2],旨在通過實施這些要求來降低船舶、船員和環(huán)境的風(fēng)險,是船舶設(shè)計、建造和營運的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)分為A部分、A-1部分、B-1部分、C-1部分和D部分,包括總則、一般要求、船舶設(shè)計與布置、燃料圍護系統(tǒng)、材料和通用管路設(shè)計、燃料加注、動力裝置、消防安全等。

        2.2 《Fuel Cell Installations》

        本規(guī)范內(nèi)容涉及燃料電池動力裝置的設(shè)計和布置要求、以及布置這些裝置的區(qū)域[3]。它涵蓋了安裝的所有方面,包括燃料供應(yīng)和廢氣系統(tǒng)。此外還包括以下內(nèi)容:將液體或氣體燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的重整器;控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng);制造、工藝和測試。

        2.3 《Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications》-2019

        本指南旨在為船舶燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計、評估和建造提供指導(dǎo),并可適用于所有類型的船舶,著重于燃料電池系統(tǒng)的安全使用、推進和輔助系統(tǒng)的布置[4]。本指南適用于使用氣體燃料和液體燃料的海洋燃料電池系統(tǒng)設(shè)計、建造或改裝。安裝燃料電池系統(tǒng)的裝備要符合本指南的要求,并由ABS進行驗證;同時適用于在船舶、浮式生產(chǎn)裝置等裝備上作為輔助和主要電能源的燃料電池系統(tǒng)。

        2.4 《船舶應(yīng)用替代燃料指南》-2017

        本指南第2篇“燃料電池系統(tǒng)”主要內(nèi)容如下[5]:

        1)通則方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般規(guī)定、定義、附加標(biāo)志、圖紙和資料等內(nèi)容。材料方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般要求、不同燃料供給系統(tǒng)的特殊要求、燃料電池等內(nèi)容。

        2)船舶布置方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的燃料罐、燃料電池處所、燃料壓縮機/泵艙室、圍蔽處所入口和其他開口、空氣閘等內(nèi)容。

        3)系統(tǒng)與管路設(shè)計方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般要求、管系設(shè)計與布置、壓縮機、燃料電池處所內(nèi)的燃料供應(yīng)管路、機器處所外的燃料分配系統(tǒng)、氫氣管路的附加要求等內(nèi)容。

        燃料儲存方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般規(guī)定、氫氣瓶等內(nèi)容。

        4)燃料加注方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般要求、加注站、加注總管、加注系統(tǒng)等內(nèi)容。

        通風(fēng)方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般規(guī)定、氣體安全處所、燃料罐處所、泵艙和壓縮機艙、加注站、包含有氫燃料管路的處所、排氣系統(tǒng)等內(nèi)容。

        消防方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般規(guī)定、防火、滅火、探火和失火報警系統(tǒng)等內(nèi)容。

        電氣設(shè)備方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般要求、危險區(qū)域劃分、燃料電池、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等內(nèi)容。

        5)控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般要求、監(jiān)控、氣體探測及火災(zāi)探測、供氣系統(tǒng)的安全功能等內(nèi)容。

        6)檢驗與試驗方面,規(guī)定了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的一般規(guī)定、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品檢驗、建造中檢驗、建造后檢驗等內(nèi)容。

        3 相關(guān)政策

        3.1 國家政策

        “雙碳戰(zhàn)略”目標(biāo)的提出要求我國加快向清潔、綠色能源轉(zhuǎn)型。2021年10月,國務(wù)院相繼頒布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹心法理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[7]、《2030年前碳達峰行動方案》[8]。兩大文件多處提及氫能,其中明確提出要統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。后文還明確要求“加快老舊船舶更新改造,發(fā)展電動、液化天然氣動力船舶,深入推進船舶靠港使用岸電,因地制宜開展沿海、內(nèi)河綠色智能船舶示范應(yīng)用”。

        針對船舶行業(yè),國家環(huán)保部、交通運輸部等部委近年也相繼推出多項航運減排政策。其中交通運輸部在2020年5月頒布的《內(nèi)河航運發(fā)展綱要》中明確提出“加大新能源清潔能源推廣應(yīng)用力度[9],推廣LNG節(jié)能環(huán)保船舶,探索發(fā)展純電力、燃料電池等動力船舶,研究推進太陽能、風(fēng)能、氫能等在行業(yè)的應(yīng)用”。

        3.2 地方政策

        為滿足上述國家政策和航運業(yè)碳排放要求,地方政府也積極推出相應(yīng)的船舶領(lǐng)域氫能政策,部分政策如下:

        4 技術(shù)路線對比

        目前適用于船舶應(yīng)用的燃料電池主要是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC),國內(nèi)外的示范船舶也主要采用這兩類燃料電池。

        PEMFC具有溫度低、啟停快、高比功率、技術(shù)成熟度較高,在一些領(lǐng)域已有較多典型應(yīng)用等優(yōu)點,但也存在需要貴金屬催化劑、燃料適應(yīng)性差(氫氣純度要求高,硫、CO容忍性差、水管理復(fù)雜和部分原材料受國外限制)等缺點,且目前主流儲氫方案,如高壓儲氫、金屬合金儲氫、甲醇重整制氫等都存在儲氫、制氫效率不高的問題,降低了PEMFC系統(tǒng)的比能量。

        SOFC具有燃料性適應(yīng)好(氫氣、碳?xì)?、燃油等)、壽命長、余熱品質(zhì)高,可與燃?xì)廨啓C或蒸汽輪機等聯(lián)用,燃料綜合利用率達80%~95%,、原材料以國內(nèi)稀土為主、催化劑材料采用鎳和氧化鋯等優(yōu)點,但也有工作溫度高(500~800℃)、啟停慢和耐熱沖擊性差等缺點,國外SOFC技術(shù)已布局發(fā)展二三十年,國內(nèi)剛剛起步,技術(shù)成熟度較低。

        表3 地方政府氫燃料電池船舶政策

        圖3 柴油/空氣SOFC發(fā)電系統(tǒng)原理圖

        在船用發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域,受限于現(xiàn)有裝置儲氫密度不足,PEMFC技術(shù)適用于以純氫為燃料、零排放、中短航程、頻繁啟停運行的內(nèi)河/近海中小型船舶,作為主動力。SOFC技術(shù)則因兼顧氫、氨、LNG、LPG等多種燃料、發(fā)電效率更高,適用于清潔排放、遠(yuǎn)航程、需要熱電聯(lián)供的內(nèi)河/近海/遠(yuǎn)洋等中大型船舶,作為輔助動力或主動力。

        5 結(jié)論與展望

        在雙碳戰(zhàn)略的大背景下,氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。隨著氫燃料電池技術(shù)日漸成熟,相關(guān)法規(guī)和規(guī)范填補空白,國內(nèi)氫燃料電池船舶示范運營蓄勢待發(fā),同時也推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。

        為了推動氫能船舶領(lǐng)域的發(fā)展,未來要開展國家層面在氫能船舶領(lǐng)域的中長期規(guī)劃;進一步完善氫能船舶領(lǐng)域的法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);通過提高核心零部件的自主化率,形成批量化產(chǎn)能,降低產(chǎn)品成本;利用國家項目、地方政府補貼政策和國企的氫能規(guī)劃等助力落實氫能示范船舶運行,完善配套設(shè)施,擴大示范效應(yīng),加速氫能船舶領(lǐng)域市場應(yīng)用進程。

        [1] 衣寶廉. 燃料電池-原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

        [2] IMO. 國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規(guī)則[Z]. 英國: 海上安全委員會, 2017.

        [3] NDV. Fuel Cell Installations[Z]. 挪威: 挪威船級社.

        [4] ABS: Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications[Z]. 美國: 美國船級社, 2019.

        [5] CCS. 船舶應(yīng)用替代燃料指南[Z]. 2017.

        [6] CCS. 船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南(征求意見稿)[Z]. 2021.

        [7] 國務(wù)院. 關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613. htm.

        [8] 國務(wù)院. 2030年前碳達峰行動方案[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2021-10/26/content_5644984. htm.

        [9] 交通運輸部. 內(nèi)河航運發(fā)展綱要[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/04/content_5517185. htm.

        [10] 廣州市發(fā)改委. 廣州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[DB/OL].http: //fgw.gz.gov.cn/tzgg/content/post_6477212.html.

        [11] 佛山市高明區(qū)經(jīng)濟和科技促進局. 佛山市高明區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[DB/OL].http: //www.gaoming. gov. cn/zwgk/zwgg/content/post_3252886. html.

        [12] 舟山市政府. 加快培育舟山市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[DB/OL].http://xxgk.zhoushan.gov.cn/art/2020/12/25/art_1229433794_41509. html.

        Application situation and development prospect of marine fuel cell

        Peng Yuanting1,2, Li Hongxiang1,2, Wang Zhen1,2

        (1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

        TM911.4

        A

        1003-4862(2022)06-0041-04

        2021-11-29

        彭元亭(1965-),男,碩士。研究方向:化學(xué)電源/燃料電池。E-mail: kingowang@163.com

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