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(jìn)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(jìn)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(dá)國家新造船舶的30%都是使用的電力推進(jìn)系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)，21世紀(jì)將是船舶電力推進(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(dá)峰碳中和工作的意見》[7]、《2030年前碳達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?？?、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(dá)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(jìn)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(kuò)大示范效應(yīng)，加速氫能船舶領(lǐng)域市場應(yīng)用進(jìn)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(dá)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(dá)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(jì)和科技促進(jìn)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