摘要：減少碳排放應(yīng)對全球氣候變化符合全人類的利益，我國進(jìn)入工業(yè)化后期，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)與生態(tài)文明理念相契合。“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略意義深遠(yuǎn)，能源轉(zhuǎn)型勢在必行，氫能源電池在船舶產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，是航運(yùn)業(yè)、造船業(yè)加速碳減排、實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的路徑之一。本文結(jié)合現(xiàn)場建造檢驗(yàn)的氫燃料電池動(dòng)力船（“三峽氫舟1”），簡述氫燃料電池在船舶上的應(yīng)用，并著重從氫燃料電池系統(tǒng)敘述建造質(zhì)量控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：新能源；氫燃料電池；船舶應(yīng)用；建造質(zhì)量控制

中圖分類號：U664.1""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""nbsp;"""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04-0022-04

Application of Hydrogen Fuel Cells in Ships and Key Points of Construction Quality Control

YUAN Zhengyan， FU Shumu， LI Jun， YANG Wanyu

（Wuhan Branch of China Classification Society， Wuhan Hubei 430030， China）

Abstract： Reducing carbon emissions to cope with global climate change is in line with the interests of all mankind. In the late stage of industrialization， the goal of \"carbon peak， carbon neutrality\" is in line with the concept of ecological civilization in China. The strategy of \"carbon peak and carbon neutrality\" is of far?reaching significance and energy transformation is imperative. The application of hydrogen energy battery in the shipping industry is one of the ways to accelerate carbon emission reduction and realize low?carbon transformation in the shipping industry and shipbuilding industry. Combined with the hydrogen fuel cell power ship （\"San Xia Qing Zhou 1\"） constructed and tested on site， the application of hydrogen fuel cell in ship is briefly described， and the key points of construction quality control are emphatically described from the hydrogen fuel cell system.

Key words： new energy; hydrogen fuel cell; marine applications; construction quality control

0 引言

2018年4月國際海事組織（IMO）制定了海運(yùn)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略：2030年船舶二氧化碳排放量比2008年至少降低40%，到2050年降低50%以上。近年來，為滿足國際海事組織日益嚴(yán)格的溫室氣體排放要求，世界主要國家開始重視發(fā)展綠色船舶，積極推進(jìn)新能源在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。為應(yīng)對嚴(yán)格的碳排放標(biāo)準(zhǔn)，國家頒布一系列規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)并支持氫燃料動(dòng)力船發(fā)展布局。如今，布局氫燃料動(dòng)力船領(lǐng)域的行動(dòng)愈演愈烈。

中國船級社（CCS）發(fā)布了《氫燃料電池》《氫氣瓶》《重整裝置》等3份涉及氫燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)品檢驗(yàn)指南，成為CCS落實(shí)國家新能源戰(zhàn)略的又一標(biāo)志性成果。3份《指南》已于2022年4月14日生效，分別對氫燃料電池相關(guān)的氫氣生成、氫氣儲(chǔ)存、燃料電池3個(gè)關(guān)鍵部件的材料選取、設(shè)計(jì)及技術(shù)要求、試驗(yàn)測試等做出詳細(xì)要求，確保了船用氫燃料電池產(chǎn)品的安全性和可靠性。自3份《指南》發(fā)布以來，已經(jīng)為3家國內(nèi)企業(yè)認(rèn)可服務(wù)提供了依據(jù)。2021年，中國船舶集團(tuán)有限公司第712研究所燃料電池發(fā)電模塊取得中國船級社頒發(fā)的型式認(rèn)可證書，該型模塊是全國首款符合最新《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》的船用燃料電池產(chǎn)品。

2022年中國海事局和中國船級社先后出臺《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則》《E23氫燃料電池》《B07氫氣瓶》《M28重整裝置》和《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南2022》，上述法規(guī)、產(chǎn)品檢驗(yàn)指南和規(guī)范的頒布標(biāo)志著國內(nèi)氫燃料電池動(dòng)力船舶將正式進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。

1 氫燃料電池動(dòng)力船簡介

長江三峽通航局等5家單位為響應(yīng)國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)區(qū)域交通航運(yùn)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，加快推進(jìn)長江三峽通航“碳達(dá)峰、碳中和”先行示范區(qū)建設(shè)，共同開展氫燃料電池動(dòng)力示范船研發(fā)建造工作。712研究所自主研發(fā)的發(fā)電模塊和發(fā)電系統(tǒng)搭載在氫燃料電池動(dòng)力示范船上。

氫燃料電池動(dòng)力示范船是一艘以氫燃料和磷酸鐵鋰電池為船舶動(dòng)力，航行于長江三峽庫區(qū)水域的雙體交通船，為雙體、單底、單甲板，主船體鋼質(zhì)、上層建筑鋁合金的鋼鋁混合全焊接結(jié)構(gòu)船型，由2臺交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺全回轉(zhuǎn)舵槳。主要用于三峽庫區(qū)及兩壩間交通、庫區(qū)巡查、應(yīng)急等工作，可通過三峽升船?機(jī)。

船級符號及附加標(biāo)志如下：

★CSAD交通船；B級航區(qū)、J2級航段；智能船舶（智能機(jī)艙）。

★CSMD燃料電池?動(dòng)力1；電力推進(jìn)系統(tǒng)；綠色船舶?3；能效設(shè)計(jì)?3。

主尺度及主要性能如下：

最大船長為49.90m；設(shè)計(jì)航速為28km/h；水線長43.50m；乘客80 人；型寬10.40m；推進(jìn)電機(jī)功率為500kW × 2；片體寬3.30m；燃料電池總功率約560kW；型深3.20m；鋰電池總?cè)萘考s1800kW? h；設(shè)計(jì)吃水1.85m；氫氣儲(chǔ)量35MPa，? 240kg；肋距0.50m；總噸位749t。

2 氫燃料電池動(dòng)力船設(shè)計(jì)依據(jù)

氫燃料電池動(dòng)力與常規(guī)的柴油機(jī)動(dòng)力、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及新能源LNG、甲醇、鋰電池動(dòng)力等存在一定的差異。中國海事局公布發(fā)行的《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則》（以下簡稱“暫行規(guī)則”），從氫燃料布置、脫險(xiǎn)通道、氫燃料管系、氫燃料電池的供電與配電系統(tǒng)、危險(xiǎn)區(qū)域劃分、監(jiān)測和控制、氣體的探測、探火和滅火、氫燃料儲(chǔ)存、氫燃料加注等方面進(jìn)行了明確要求，船舶圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、審查、建造、檢驗(yàn)均以該暫行規(guī)則作為主要依據(jù)，同時(shí)滿足表1所列舉規(guī)范、法規(guī)等技術(shù)文件。

3 氫燃料電池動(dòng)力船建造質(zhì)量控制要點(diǎn)

船舶建造涉及船體結(jié)構(gòu)、舾裝、涂裝、內(nèi)裝、輪機(jī)設(shè)備、管系、電氣設(shè)備等諸多方面，按照現(xiàn)代造船模式“殼舾涂”一體化的工序，現(xiàn)場檢驗(yàn)驗(yàn)船師根據(jù)認(rèn)可的檢驗(yàn)項(xiàng)目表驗(yàn)收。針對示范船的特點(diǎn)，主要從以下幾方面進(jìn)行敘述。

3.1 項(xiàng)目管理策劃

鑒于氫燃料電池系統(tǒng)作為船舶動(dòng)力的新穎推進(jìn)技術(shù)，中國船級社要求按照重要項(xiàng)目管理進(jìn)行策劃、檢驗(yàn)。項(xiàng)目檢驗(yàn)前期，項(xiàng)目經(jīng)理及項(xiàng)目組成員按照《新造船項(xiàng)目管理指南》從項(xiàng)目策劃、組織實(shí)施、技術(shù)管理、項(xiàng)目特色服務(wù)等方面編制項(xiàng)目管理實(shí)施方案。項(xiàng)目組在項(xiàng)目進(jìn)度、文件管理、風(fēng)險(xiǎn)評估、項(xiàng)目信息溝通、生產(chǎn)設(shè)計(jì)審查、技術(shù)問題處理和分析、技術(shù)工藝專項(xiàng)管理等具體工作上作出了規(guī)定，一定程度上提高了建造檢驗(yàn)的質(zhì)量控制。

3.2 現(xiàn)場檢驗(yàn)質(zhì)量控制

氫燃料電池系統(tǒng)建造檢驗(yàn)項(xiàng)目包括[1]：

（１）氫燃料電池發(fā)電裝置的安裝和試驗(yàn)，應(yīng)對整個(gè)裝置和系統(tǒng)不同負(fù)荷狀態(tài)（例如啟動(dòng)、正常運(yùn)行、滿負(fù)荷、受控關(guān)閉和緊急關(guān)閉）進(jìn)行試驗(yàn)；

（２）氫燃料圍護(hù)系統(tǒng)的安裝和試驗(yàn)；

（３）氫燃料加注系統(tǒng)的安裝和試驗(yàn)；

（４）氫燃料供應(yīng)系統(tǒng)的安裝和試驗(yàn)；

（５）管系的安裝和試驗(yàn)，應(yīng)使用合適的試驗(yàn)氣體驗(yàn)證氫燃料的管路、閥和連接件有無泄漏；

（６）燃料電池處所、氫燃料罐處所、雙壁管（如設(shè)有）、氫燃料罐接頭處所（如設(shè)有）等通風(fēng)系統(tǒng)的安裝和試驗(yàn)；

（７）可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)的安裝和試驗(yàn)；

（８）防火、探火、滅火裝置的安裝與試驗(yàn)；

（９）監(jiān)測、控制和安全系統(tǒng)的功能性試驗(yàn)；

（１０）防爆設(shè)備或防點(diǎn)燃設(shè)備的確認(rèn)和安全檢?查；

（１１）氫燃料電池發(fā)電裝置與船舶主電網(wǎng)連接的斷路器的連鎖裝置（若設(shè)有）有效性檢查；

（１２）氫燃料電池發(fā)電裝置作為主電源時(shí)，與船舶的其他系統(tǒng)的相互影響試驗(yàn)。

針對以上檢驗(yàn)項(xiàng)目要求，重點(diǎn)對以下幾方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

3.2.1 控制材料、設(shè)備采購質(zhì)量

市購產(chǎn)品質(zhì)量保障度不高，一定程度上影響了船舶安全，按照《內(nèi)河船舶入級規(guī)則》和《船用產(chǎn)品檢驗(yàn)指南》，重要船用產(chǎn)品需經(jīng)過產(chǎn)品檢驗(yàn)，產(chǎn)品檢驗(yàn)部門依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范、法規(guī)、指南，檢驗(yàn)合格后簽發(fā)船用產(chǎn)品證書，其質(zhì)量安全可信度得到保障，現(xiàn)場檢驗(yàn)人員根據(jù)氫燃料電池系統(tǒng)特點(diǎn)重點(diǎn)控制與其相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量。暫行規(guī)則要求，氫氣瓶、氫燃料電池模塊和氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)滿足公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，如《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》（GB/T 35544—2017）、《燃料電池模塊第1部分： 安全》（IEC62282?2?100： 2020）和《固定式?燃料電池發(fā)電系統(tǒng)第1部分： 安全》（IEC62282?3?100： 2019），且取得相應(yīng)的船用產(chǎn)品證書后方準(zhǔn)許在船上安裝或使用[1]。對于氫燃料用管（高壓管和雙壁管），燃料電池模塊與供氫管路連接用撓性軟管組件、燃料電池系統(tǒng)和裝置相關(guān)主要零部件（比如空壓機(jī)、節(jié)溫器、氫氣循環(huán)泵、氫氣雙壁閥、低溫傳感器、瓶口閥、減壓閥等）、加注站模塊和氣體閥件單元持船用產(chǎn)品證書要求上存在未明確或有關(guān)規(guī)范、法規(guī)矛盾的地方，中國船級社總部會(huì)議協(xié)調(diào)，并給出具體執(zhí)行方案。

3.2.2 氫燃料管系

向氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)供應(yīng)氫燃料的管系應(yīng)使得某一道屏障發(fā)生的故障不會(huì)導(dǎo)致氫燃料從管系泄漏到周邊區(qū)域從而對船上人員、環(huán)境或船舶造成危害?[1]。氫燃料管系的焊接、無損檢測尤為重要，驗(yàn)船師根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》（2021）進(jìn)行焊接工藝評定，通過調(diào)整合理的焊接參數(shù)及焊接方法對氫燃料管系進(jìn)行焊接，取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)、無損檢測，達(dá)到要求后才允許對船上安裝的管系進(jìn)行焊接?，F(xiàn)場驗(yàn)船師經(jīng)過與設(shè)備供應(yīng)商多次溝通焊接工藝計(jì)劃書（pWPS），并現(xiàn)場見證有關(guān)試驗(yàn)，合格后，簽發(fā)焊接工藝規(guī)程（WPS）。現(xiàn)場施工人員按照認(rèn)可的焊接工藝規(guī)程施工，確保供氫管系安全使用。

3.2.3 儲(chǔ)氫管系液壓試驗(yàn)

“三峽氫舟1”采用高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，一次裝載約250kg氫氣，提供4"000 電能。32個(gè)高壓氣瓶儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫壓力35MPa，管路設(shè)計(jì)壓力是38.5MPa[2]。液壓試驗(yàn)壓力在《船舶應(yīng)用天然氣燃料規(guī)范》、《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》、暫行規(guī)則中要求不盡相同，武漢分社協(xié)調(diào)武漢規(guī)范所、設(shè)備制造廠、船舶制造廠就試驗(yàn)壓力從技術(shù)要求上分析，達(dá)成一致意見，并得到實(shí)施，保障船舶氫燃料使用過程中的安全性。

3.2.4 防火和防爆

大容量高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)對于通風(fēng)和排氣、防火和防爆等要求，相較于其他船舶更高。氫氣在空氣中的爆炸極限（體積濃度）為4%～75%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬泛于其他所有的替代燃料。氫氣無色無味，安靜燃燒時(shí)火焰幾乎透明，很難被察覺。

暫行規(guī)則中對氫燃料罐儲(chǔ)存布置，氫燃料電池處所安全，氫燃料準(zhǔn)備間防火分隔，圍蔽危險(xiǎn)處所通風(fēng)，儲(chǔ)氫、供氫、通風(fēng)、發(fā)電系統(tǒng)檢測，氣體探測等作出了明確要求，現(xiàn)場檢驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)防范意識。

3.2.5 氫燃料加注

國內(nèi)首個(gè)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力船舶及制氫加氫一體站項(xiàng)目于2022年啟動(dòng)，據(jù)悉即將完工投入使用，其部分關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到全球領(lǐng)先水平[3]。

“三峽氫舟1”加注站與岸基加注壓縮氫氣進(jìn)行對接，人員操作工作服和保護(hù)設(shè)備應(yīng)存放在合適的、有明顯標(biāo)志的和易于到達(dá)的處所或?qū)Ｓ脙?chǔ)存柜內(nèi)。加注作業(yè)人員上崗時(shí)應(yīng)穿戴阻燃、防靜電工作服和防靜電鞋，且佩戴必要的個(gè)人防護(hù)裝置。

船舶加注站布置滿足通風(fēng)、氣體探測、視野監(jiān)控，加注總管的惰化和除氣，在檢驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注加注過程中的手動(dòng)和遙控關(guān)閉等技術(shù)要求。

3.2.6 文件審查

審查系泊與航行試驗(yàn)大綱時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注與氫燃料電池發(fā)電裝置、一次燃料和重整燃料有關(guān)的試驗(yàn)程序，如氫燃料電池發(fā)電裝置、所有氫燃料管系及其閥件、附件和相關(guān)設(shè)備的功能性試驗(yàn)等。

3.2.7 船舶資料

船舶建造完成后，為避免船員在使用過程中存在的差異性而帶來的風(fēng)險(xiǎn)，對于氫燃料電池作為船舶推進(jìn)的新能源動(dòng)力，驗(yàn)船師在船舶驗(yàn)收時(shí)應(yīng)至少保存下列資料：

（１）氫燃料電池發(fā)電裝置操作手冊；

（２）氫燃料電池發(fā)電裝置維護(hù)手冊及維護(hù)或檢查記錄；

（３）潛在危害安全性說明及減輕風(fēng)險(xiǎn)的安全預(yù)防措施。

4 結(jié)語

2018年6月國務(wù)院發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，其目標(biāo)是經(jīng)過3年努力，大幅減少主要大氣污染物排放總量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國內(nèi)河船舶有20多萬艘，有數(shù)據(jù)顯示，全球貿(mào)易的90%都是通過海運(yùn)完成，在此過程中造成的污染不容小覷[4]。我國汽車行業(yè)新能源的應(yīng)用已經(jīng)先行一步，磷酸鐵鋰電池2019年已在船舶上成功應(yīng)用，氫燃料電池在船舶上的應(yīng)用剛處于起步階段。船舶與汽車在功率、儲(chǔ)能、安全性等方面的要求大不相同，這也就意味著船用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)不能直接套用車用系統(tǒng)。在船舶需求和國家政策的指引下，氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)與檢驗(yàn)規(guī)則2022年公布，在具體要求上可能存在不甚明確的地方，邊摸索邊總結(jié)，通過氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品制造、船舶建造檢驗(yàn)等方面反饋問題，力爭完善氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)與檢驗(yàn)要求，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

（１）中華人民共和國海事局. 氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則 （2022） [S].

（２）郭佳泰， 周彌. 核心動(dòng)力自主！ 這一專項(xiàng)示范船來了[N]. 中國船舶報(bào)， 2022?06?06.

（３）我國首個(gè)內(nèi)河船用加氫站項(xiàng)目啟動(dòng)[N]. 長江船舶交易市場， 2022?09?06.

（４）吳衛(wèi)國. 船舶產(chǎn)業(yè)綠色升級助力建設(shè)海洋強(qiáng)國[N]. 智匯海洋， 2023?05?05.