船用氫燃料電池推進(jìn)的困局與破局
來源：中國工程科學(xué) 2020-06-28
本文介紹了船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的必要性、國內(nèi)外現(xiàn)狀、問題及技術(shù)需求。與國外先進(jìn)國家相比存在差距：船用氫燃料電池推進(jìn)裝置的戰(zhàn)略與目標(biāo)亟待確立；氫燃料電池船舶領(lǐng)域法規(guī)規(guī)范研究不足；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)有待突破；船用氫燃料電池配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)缺乏。最后提出了我國船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)發(fā)展思路與建 議，分析了船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用前景。
一、前言
船舶是為航運(yùn)業(yè)、海洋開發(fā)及國防建設(shè)提供技 術(shù)裝備的綜合性產(chǎn)業(yè)，對鋼鐵、石化、紡織、裝備 制造、電子信息等重點產(chǎn)業(yè)發(fā)展和擴(kuò)大出口具有較 強(qiáng)的帶動作用，是國家實施海洋強(qiáng)國和制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要支撐?！吨袊圃?2025》已將高技術(shù)船舶 列為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一。
船舶的傳統(tǒng)動力推進(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)的振動噪聲等級高，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)綠色動力能源技術(shù)制高 點，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、振動噪聲低和零排放 等優(yōu)點 [6~8]。此外，氫是可再生能源，可通過太 陽能、風(fēng)能、水勢能、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 理想動力推進(jìn)裝置，適應(yīng)綠色船舶市場需求。
二、國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、韓國等先進(jìn)國家和地區(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：對氫能的研發(fā)始于 1973 年的石油危機(jī)， 當(dāng)時成立了國際氫能協(xié)會，并在美國邁阿密海灘召 開了有關(guān)該主題的第一界國際會議，美國能源研究 開發(fā)署（ERDA）對氫能研究計劃加以扶持，作為 對美國政府能源自給不成功計劃部分的一種彌補(bǔ)。2015 年，美國能源局向國會提交了《2015 年美國 燃料電池和氫能技術(shù)發(fā)展報告》，大力投資發(fā)展先 進(jìn)氫燃料電池技術(shù)。2016 年，美國能源部報告稱，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 年國土交通省制定的《對于船舶行 業(yè)中長期科研計劃》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，其在船用領(lǐng)域雖起步晚但發(fā)展較快。2017 年，日本船級社發(fā)布液氫運(yùn)輸船安全建造運(yùn)營 導(dǎo)則，填補(bǔ)了目前海事規(guī)則規(guī)范在氫燃料動力領(lǐng)域 的空白。
韓國：知識經(jīng)濟(jì)部在 2010 年制定的《造船產(chǎn) 業(yè)中長期發(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 燃料電池船舶項目共投入 160 億韓元，由韓國船級 社牽頭進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)。韓國的大型船廠與企業(yè)如 大宇造船海洋（山東）有限公司、浦項制鐵電力公 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)項目或自主研發(fā)。
（二）示范與應(yīng)用現(xiàn)狀
歐盟、德國、美國、挪威、日本等先進(jìn)國家 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，已實現(xiàn)船用氫燃料電池動力推進(jìn)裝置的示范及 應(yīng)用，進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。國外主要船用燃料電池 推進(jìn)技術(shù)示范項目如表 1 所示。
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歐盟：在 2007 年資助世界上第一個商業(yè)客輪 ZEMships 項目，該船采用混合動力推進(jìn)方式，整 合了兩個峰值功率 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：在 2008 年研制出 100 客“Alsterwasser” 號氫燃料電池游船，其采用氫燃料電池動力推進(jìn)裝置作為主推進(jìn)動力，功率達(dá)到 100 kW，最高航速 可達(dá)到 14 km/h，目前實現(xiàn)載客共 14 000 余名。
法 國：在 2017 年建成氫 – 風(fēng) – 光動力船 “Energy Observer”號，該船長 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：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)動力功率是 2×300 kW，長 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 船級社 合作研制出著名的氫燃料電池海面補(bǔ)給船“Viking Lady”號，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 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)動力和輔助動 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)動力和輔助動力裝置，應(yīng) 用于科考船，滿足該類型船舶對噪聲振動及廢氣排 放的需求；作為輔助動力裝置，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)有限公等國內(nèi)知名 車企先后推出各型號燃料電池作為發(fā)動機(jī)的新能源 汽車。中國船舶重工集團(tuán)第七一二研究所通過承擔(dān) 科學(xué)技術(shù)部新能源汽車重點專項“快速動態(tài)響應(yīng)燃 料電池發(fā)動機(jī)研發(fā)”，已攻克 30 kW 級物流車用燃 料電池發(fā)動機(jī)的工程化核心技術(shù)?？傮w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，國內(nèi)船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)研究工作剛起步。
國內(nèi)對船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)的規(guī)范研究工 作主要集中在中國船級社（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設(shè)計與檢驗 要求。國內(nèi)對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船舶重工集團(tuán)第七一二研究 所，通過承擔(dān)國家政府科研項目，在艦船和水下裝 備領(lǐng)域的氫燃料電池動力系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)工作中積 累了豐富的研制經(jīng)驗，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)域處于國內(nèi) 領(lǐng)先地位，具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)儲備。
此外，中國船舶重工集團(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”項目、科學(xué)技術(shù)部“船用電力推進(jìn)系 統(tǒng)”項目等。完成了救援船、液化天然氣（LNG）船、 散貨船、水聲測量船、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)國內(nèi)首艘 300 客位全電動客 船研制項目，采用高性能鋰電池作為全船動力推進(jìn) 裝置，后續(xù)將采用氫燃料電池替換鋰電池作為全船 動力裝置，是國內(nèi)率先推出的“零排放”“環(huán)境友好” 綠色動力客船。
雖然，近年來我國船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)取 得了長足的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)國家相比仍存在差 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《中國制造 2025》對高技術(shù)船舶在 2025 年實現(xiàn)船舶工業(yè)制造強(qiáng)國的要求，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) 域的市場需求和發(fā)展趨勢，以突破具有自主知識產(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 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，以適應(yīng)高性能綠色船舶在 內(nèi)河、近海、遠(yuǎn)洋船舶領(lǐng)域的市場需求。
（二）發(fā)展建議
1. 加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，建立國家推動機(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，建立國家推動機(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，實現(xiàn)資源共享，減少資源、 投資的浪費。 2. 加大對關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)力度，提高自主創(chuàng)新能力
加大國家及各級地方政府科研投入，重點加強(qiáng) 對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、高可靠和長壽命的氫燃料電池電堆 船用化技術(shù)；高安全性、高儲氫密度、高存儲釋放 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
以國家相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)繩，聯(lián)合國家海事局相關(guān) 部門，重點開展儲氫設(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)險評估規(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，推廣市場應(yīng)用進(jìn)程
以生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展為引領(lǐng)，實現(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、補(bǔ)給配套設(shè)施建 設(shè)。為在全國范圍的示范積累經(jīng)驗，盡快推動船用 氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。
5. 開展國際合作，推進(jìn)我國技術(shù)核心競爭力
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)國際機(jī)構(gòu)、組織、 企業(yè)的合作，積極開展雙邊或多邊國家政府間的 合作。全面提升國際科技合作的質(zhì)量，增強(qiáng)我國 在船用氫燃料電池推進(jìn)裝置的科技創(chuàng)新能力和核心 競爭力。
