船用氫燃料電池推進技術發展研究

彭元亭，徐增師

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

一、前言

船舶是為航運業、海洋開發及國防建設提供技術裝備的綜合性產業，對鋼鐵、石化、紡織、裝備制造、電子信息等重點產業發展和擴大出口具有較強的帶動作用，是國家實施海洋強國和制造強國戰略的重要支撐。《中國制造2025》已將高技術船舶列為十大重點發展領域之一。

船舶的傳統動力推進裝置，如柴油機、蒸汽輪機、燃氣輪機等，通過消耗柴油來產生動力，存在如下主要問題：燃料能量轉換效率低（約35%）；柴油機的振動噪聲等級高，極大降低了船舶的舒適度；燃料燃燒產生大量溫室氣體、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物，造成嚴重的生態環境污染；化石能源是非可再生能源，而且現有的化石能源儲量有限，不能支撐人類的持久發展[1～5]。因此，研究清潔、高效、可持續發展的新能源動力推進技術已經成為綠色船舶的重要發展方向。

氫燃料電池是21 世紀綠色動力能源技術制高點，是一種將自身攜帶氫燃料與氧化劑中的化學能經電化學反應直接轉化為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高、能量密度高、振動噪聲低和零排放等優點[6～8]。此外，氫是可再生能源，可通過太陽能、風能、水勢能、生物能等綠色能源制氫獲得。因此，氫燃料電池推進技術在船舶上應用可實現能源高效、零排放和船舶舒適度提升，是綠色船舶的理想動力推進裝置，適應綠色船舶市場需求。

二、國外船用氫燃料電池推進技術的應用現狀

（一）規劃與標準

北美、日本、韓國等先進國家和地區已將船用氫燃料電池推進技術作為政府重點支持方向，相繼頒布一系列規劃與標準，引導并支持氫燃料電池船舶產業發展。

北美：對氫能的研發始于1973年的石油危機，當時成立了國際氫能協會，并在美國邁阿密海灘召開了有關該主題的第一界國際會議，美國能源研究開發署（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。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發展報告》，大力投資發展先進氫燃料電池技術。2016年，美國能源部報告稱，正聯合制定環境、安全、許可等方面的船用氫燃料電池和加氫站行業規范。

日本：2009年國土交通省制定的《對于船舶行業中長期科研計劃》中便提到將燃料電池作為船舶電力推進系統來減少排放。得益于日本燃料電池領域的技術優勢，其在船用領域雖起步晚但發展較快。2017年，日本船級社發布液氫運輸船安全建造運營導則，填補了目前海事規則規范在氫燃料動力領域的空白。

韓國：知識經濟部在2010年制定的《造船產業中長期發展戰略規劃》中便提到將燃料電池等綠色能源應用到船舶行業中。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行相應的研發。韓國的大型船廠與企業如大宇造船海洋（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）造船集團都參加了政府牽頭的船用燃料電池研發項目或自主研發。

（二）示范與應用現狀

歐盟、德國、美國、挪威、日本等先進國家和地區在船用氫燃料電池推進技術領域處于領先地位，已實現船用氫燃料電池動力推進裝置的示范及應用，進入推廣應用階段。國外主要船用燃料電池推進技術示范項目如表1 所示。

表1 國外主要船用燃料電池推進技術示范項目

歐盟：在2007年資助世界上第一個商業客輪ZEMships 項目，該船采用混合動力推進方式，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裝置作為主推進動力，功率達到100 kW，最高航速可達到14 km/h，目前實現載客共14 000 余名。

法國：在2017年建成氫- 風- 光動力船“Energy Observer”號，該船長30 m，重20 t，采用氫燃料電池系統22 kW。

荷 蘭： 在2009年 建 成100 客“Fuel Cell Boat Amsterdam”用于運河旅游事業，該船配備60～70 kW 氫燃料電池系統，采用高壓氫氣提供氫燃料，能夠以7 節（1 節=1 n mile/h）航速航行9 h。

美國：在2018年6 月25 日宣布，將在海灣地區建造第一艘氫燃料電池渡輪。該渡輪載客84 名，電力推進動力功率是2×300 kW，長21 m，鋁質船體，航速為22 節。

挪威：在2009年與瓦錫蘭集團、MTU 船級社合作研制出著名的氫燃料電池海面補給船“Viking Lady”號，該氫燃料電池系統功率為320 kW，燃料為液化天然氣，是全球第一艘投入運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37 km/h。

三、我國船用氫燃料電池推進技術的應用現狀

氫燃料電池推進技術可作為推進動力和輔助動力裝置，應用于內河、內湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對節能減排、綠色環保和提升船舶舒適度的需求；作為推進動力和輔助動力裝置，應用于科考船，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，應用于頻繁進出港口的散貨船和客船，滿足該類型船舶對降低港口環境保護的需求。

近年來，車用氫燃料電池技術及其配套設施投入不斷加大，上海汽車集團股份有限公司、上汽大通汽車有限公司、鄭州宇通集團有限公等國內知名車企先后推出各型號燃料電池作為發動機的新能源汽車。中國船舶重工集團第七一二研究所通過承擔科學技術部新能源汽車重點專項“快速動態響應燃料電池發動機研發”，已攻克30 kW 級物流車用燃料電池發動機的工程化核心技術。總體而言，在車用領域，氫燃料電池系統的開發和應用已具備較好的技術基礎與投資環境。相比而言，國內船用氫燃料電池推進技術研究工作剛起步。

國內對船用氫燃料電池推進技術的規范研究工作主要集中在中國船級社（CCS）。2017年12 月，CCS 的《船舶應用替代燃料指南》第2 篇燃料電池推進系統中規定了燃料電池船舶的各項設計與檢驗要求。

國內對船用氫燃料電池推進技術的工程化研究工作主要集中在中國船舶重工集團第七一二研究所，通過承擔國家政府科研項目，在艦船和水下裝備領域的氫燃料電池動力系統的技術攻關工作中積累了豐富的研制經驗，在氫燃料電池電堆、氫源技術、控制與能量管理、系統集成等方面取得關鍵技術突破，在船用氫燃料電池推進技術領域處于國內領先地位，具備較好的技術基礎儲備。

此外，中國船舶重工集團第七一二研究所在電力推進系統方面，承擔了工業和信息化部“船舶綜合電力推進技術”和“船舶綜合電力推進系統工程化技術研究” 項目、科學技術部“船用電力推進系統”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、蘇州環城河游船、三亞環島游船、新疆天池游船、武漢輪渡、挖泥船、海上風電安裝船等船舶的電力推進系統集成工作。目前，正在承擔國內首艘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裝置，后續將采用氫燃料電池替換鋰電池作為全船動力裝置，是國內率先推出的“零排放”“環境友好”綠色動力客船。

雖然，近年來我國船用氫燃料電池推進技術取得了長足的進步，但與國外先進國家相比仍存在差距：①船用氫燃料電池推進裝置的戰略與目標亟待確立；②氫燃料電池船舶領域法規規范研究不足；③船用氫燃料電池推進技術工程化的部分關鍵技術（氫燃料電池電堆船用化技術，船用高安全、高儲氫密度氫源技術，船用氫燃料電池系統集成技術）有待突破；④船用氫燃料電池配套基礎設施建設缺乏。

四、 我國船用氫燃料電池推進技術的發展思路與建議

（一）基本思路

按照《中國制造2025》對高技術船舶在2025年實現船舶工業制造強國的要求，圍繞氫燃料電池推進技術在節能、環保、安全、高效船舶推進裝置領域的市場需求和發展趨勢，以突破具有自主知識產權的船用氫燃料電池推進技術工程化為目標，通過政策引導、關鍵技術攻關和綠色環保技術應用，實現船用氫燃料電池推進裝置自主化和工程化，加快推進船舶工業轉型升級，以適應高性能綠色船舶在內河、近海、遠洋船舶領域的市場需求。

（二）發展建議

1.加強統籌規劃，建立國家推動機制

明確氫燃料電池船舶的發展思路和技術路線，制定國家發展氫燃料電池推進裝置的戰略與目標。根據戰略定位與發展目標制定船用氫燃料電池推進技術發展政策與統籌規劃，建立國家推動機制。引導行業、企業，科研院所、高校及各地方政府的發展方向，加強組織管理，實現資源共享，減少資源、投資的浪費。

2.加大對關鍵核心技術的研發力度，提高自主創新能力

加大國家及各級地方政府科研投入，重點加強對船用氫燃料電池推進技術工程化的關鍵核心技術研發：高效率、高可靠和長壽命的氫燃料電池電堆船用化技術；高安全性、高儲氫密度、高存儲釋放可逆、補給便捷的船用氫源技術；高緊湊、智能化的大功率氫燃料電池系統集成技術。此外，在以企業自主創新為核心的基礎上，強化產學研合作，整合行業的優勢技術資源和產業鏈資源，打造技術一流的研發團隊和技術領軍人才，提高自主創新能力。

3.開展法規規范的符合性研究，建立燃料電池船舶法規規范

以國家相關規定為準繩，聯合國家海事局相關部門，重點開展儲氫設備上船的合規性分析研究、船用氫源及氫燃料電池推進技術的安全性分析研究和氫燃料電池船舶風險評估規范研究，逐步建立和完善氫燃料電池船舶法規規范。

4.開展示范運行，推廣市場應用進程

以生態優先綠色發展為引領，實現內河-近海-遠洋的逐步示范推廣。在示范運行中，對裝置可靠性、安全性、環境適應性等進行系統考核，推廣自主研發的裝置，加快氫燃料存儲、補給配套設施建設。為在全國范圍的示范積累經驗，盡快推動船用氫燃料電池推進技術向產業化方向邁進。

5.開展國際合作，推進我國技術核心競爭力

圍繞船用氫燃料電池推進裝置技術戰略定位與發展目標，積極開展和各相關國際機構、組織、企業的合作，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量，增強我國在船用氫燃料電池推進裝置的科技創新能力和核心競爭力。