氫燃料電池船舶動力的發(fā)展與展望

黃河 徐文珊 李明敏

摘? 要：目前船舶通常采用柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等提供動力，其排放大量的硫氧化物、氮氧化物、CO2氣體、顆粒物等大氣污染物，對大氣造成嚴(yán)重污染。為此，IMO不斷出臺限制污染物排放量的規(guī)定，航運(yùn)界也采取了相應(yīng)的措施：內(nèi)燃機(jī)技術(shù)更新、使用低硫燃油、氫燃料等。氫燃料具有可再生、無污染、熱值高等特點(diǎn)。采用氫燃料可實(shí)現(xiàn)零排放，是解決船舶對環(huán)境污染最有效的措施之一。本文將對氫燃料電池船舶動力的發(fā)展與應(yīng)用加以探討、展望。

關(guān)鍵詞：氫能;燃料電池; 船用;展望

中圖分類號：U664.14? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Diesel engines and gas turbines are widely used in ship power systems， their emissions of a large number of sulfur oxides， nitrogen oxides， CO2 gas， particulate matter and other atmospheric pollutants， will cause serious pollution to the atmosphere. For this reason， IMO regulations to limit pollutant emissions are constantly introduced and gradually upgraded， the shipping industry has also taken corresponding countermeasures： internal combustion engine technology update， using low–sulfur fuel， installing desulfurization devices， using clean energy including natural gas， electric energy， hydrogen fuel， wind energy and solar energy. Hydrogen energy has the advantages of renewable， pollution-free， high calorific value. The use of hydrogen fuel can achieve zero emission， which is one of the most effective measures to solve environmental pollution. In this paper， the development and application of hydrogen fuel cell as ship power are discussed and prospected.

Key words： Hydrogen energy; Fuel cell; Marine; Prospect

1 前言

近年來，國際公約法規(guī)對船舶排放要求日益嚴(yán)格。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)略要求：與2008年相比，在2030年船舶二氧化碳排放量至少降低40%，到2050年降低50%以上;從2020年起，全球船舶所用燃油硫含量不得超過0.5%，硫氧化物排放控制區(qū)域（SECA）硫含量不超過0.1%。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;

2018年11月，交通運(yùn)輸部頒布《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，劃定了中國境內(nèi)排放控制區(qū)域，明確規(guī)定2020年1月1日起，船舶進(jìn)入排放控制區(qū)應(yīng)使用硫含量不大于0.1%的船用燃油。

氫燃料電池是將氧氣與氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，生成物為水，具有高效、無污染、設(shè)備運(yùn)行噪音低等特點(diǎn)。氫燃料電池具有廣泛的應(yīng)用前景，船舶采用氫燃料電池推進(jìn)方案是其滿足新法規(guī)要求的主要措施之一。本文對氫燃料電池動力技術(shù)船用化發(fā)展進(jìn)行研究。

2 燃料電池原理及特點(diǎn)

燃料電池是一種將燃料與氧化劑通過電解質(zhì)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池的電極本身不包含活性儲能物質(zhì)，只是催化轉(zhuǎn)化元件。燃料電池常見的排放物為水。

目前常用的燃料電池有：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等，見表1。

燃料電池具有較高的能量轉(zhuǎn)化率，如圖1所示。各類燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%—60%，若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可達(dá)80%以上。

當(dāng)燃料電池以富氫氣體為燃料時，其二氧化碳的排放量比熱機(jī)減少40%以上;若以純氫氣為燃料，其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水。同時，由于燃料電池生成水的反應(yīng)是個放熱反應(yīng)，會產(chǎn)生大量熱水、熱蒸汽，不僅可以供電，還可以供暖。

燃料電池動力的主要特點(diǎn)如下：

（1）生成物為水，使用過程無CO2、SOx、NOx等有害物質(zhì)排放，如以氫氣為燃料的燃料電池可實(shí)現(xiàn)零排放;低溫燃料電池的工作溫度小于200℃，安全、可靠、污染甚微;

（2）在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生任何機(jī)械噪音。燃料電池沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動部件，其噪聲源僅來自于空氣壓縮機(jī)與冷卻系統(tǒng)等輔助部件;

（3）能效轉(zhuǎn)換率高。普通柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的能效轉(zhuǎn)換率在25%～40%范圍內(nèi)，而燃料電池的能效轉(zhuǎn)換率在40%～50%之間，部分甚至可達(dá)到60%以上;

（4）適合批量化生產(chǎn)、模塊化配置、適用功率范圍廣。燃料電池組由不同數(shù)量的單體燃料電池串聯(lián)而成，可以根據(jù)要求配置成不同功率的電池組。

3 氫燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

3.1國外現(xiàn)狀

全球主要國家高度重視氫能與燃料電池的發(fā)展，不斷加大對氫能及燃料電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的扶持力度。美國是最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國家;歐盟將氫能作為能源安全和能源轉(zhuǎn)型的重要保障;日本提出成為全球第一個實(shí)現(xiàn)氫能社會的國家，政府先后發(fā)布了《日本復(fù)興戰(zhàn)略》、《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》、《氫能源基本戰(zhàn)略》和《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線。

目前，對于船用燃料電池系統(tǒng)及應(yīng)用的研究主要集中在歐洲。自2003年挪威平臺供應(yīng)船“Viking Lady”（見圖2）成為全球第一艘以燃料電池作為混合動力的商業(yè)運(yùn)營船舶以來，歐洲及美、日、韓等發(fā)達(dá)國家先后開展船舶氫燃料電池應(yīng)用研究，部分研究已進(jìn)入商業(yè)營運(yùn)階段。2018年7月，美國在舊金山灣區(qū)開工建造了首艘氫燃料電池客船“Water-Go-Round”（見圖3），該船長21米，最高航速可達(dá)22節(jié)，可裝載84名乘客。

3.2國內(nèi)現(xiàn)狀

中國是全球氫能利用的大國，已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）》，提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲運(yùn)及加氫站）、先進(jìn)燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電等3個戰(zhàn)略發(fā)展方向;2019年首次將推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)寫入《政府工作報(bào)告》。

我國目前已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南和東北等7個氫能產(chǎn)業(yè)集群。燃料電池技術(shù)取得了顯著的成績，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）關(guān)鍵材料和部件的開發(fā)取得了重大進(jìn)展，為氫燃料電池發(fā)展按奠定了基礎(chǔ)。

中國船舶集團(tuán)牽頭開展了國內(nèi)首艘氫燃料電池動力船研發(fā)工作，目前已完成基本設(shè)計(jì)工作（見圖4），并獲得了中國船級社的原則認(rèn)可（AIP）。

4 氫燃料電池動力船用化存在的主要問題

目前燃料電池主要應(yīng)用于車輛以及熱電等陸用裝置，而船舶與陸用裝置運(yùn)行工況存在很大的差別，見表2：

船舶由于特殊的使用條件，對燃料電池的功率需求、儲氫條件、安全、產(chǎn)品特性等要求均不同于汽車。經(jīng)分析，氫燃料電池動力船舶在應(yīng)用上主要存在以下問題：

（1）船用氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚不完善

雖然各國已有了多項(xiàng)實(shí)船應(yīng)用的案例，但目前國際海事組織尚未制定氫燃料電池動力船適用的行業(yè)準(zhǔn)則。中國船級社（CCS）頒布的《船舶應(yīng)用替代燃料指南》（2017）對氫燃料電池的使用做出了指導(dǎo)和規(guī)定，但存在諸多不完善之處，如對船用燃料電池作為主電源以及船用產(chǎn)品取證等相關(guān)要求尚未明確，亟需通過項(xiàng)目專項(xiàng)研究，完善設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以填補(bǔ)我國規(guī)范在氫燃料動力船舶領(lǐng)域的空白。

（2）船用氫燃料電池技術(shù)研究不足

我國船用氫燃料電池的相關(guān)研究主要集中在高校與部分科研院所，缺少工程化應(yīng)用研究。目前，燃料電池模塊和燃料電池動力系統(tǒng)主要為車用產(chǎn)品，而船舶與車輛在工作環(huán)境以及作業(yè)工況要求方面存在巨大區(qū)別，尤其在安全性上，亟需開展船用燃料電池系統(tǒng)研究工作，以推進(jìn)氫燃料船舶工程應(yīng)用進(jìn)程。

（3）船用氫氣存儲及加注技術(shù)亟待突破

船用氫氣存儲和加注是制約氫燃料電池發(fā)展的主要瓶頸之一。目前，氫氣存儲和加注技術(shù)已在車用燃料電池領(lǐng)域初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但船舶有續(xù)航力長、氫氣耗量大、環(huán)境因素復(fù)雜、安全要求高等特點(diǎn)，船用氫氣存儲和加注技術(shù)應(yīng)用尚不成熟。此外，由于燃料補(bǔ)給限制條件多，加注設(shè)施選址困難、審批難度大等問題亟待突破。

從儲氫環(huán)節(jié)來看，氫氣能夠以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)進(jìn)行儲存，為了滿足船舶的使用需求，需在儲氫密度、安全性和成本三者之間尋找平衡，對適用船舶的高性能儲氫技術(shù)進(jìn)行研究，國內(nèi)船用氫燃料加注尚無先例。目前國外采用的槽車式移動加注方式，由于存在加注作業(yè)隨意性較大，不利于安全監(jiān)管等因素，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范已禁止使用移動式加氫。因此，需要對船用氫氣加注技術(shù)進(jìn)行研究，解決我國船用氫燃料加注技術(shù)難題，并需規(guī)劃在岸邊建立、合理布置氫燃料加注站。

（4）氫燃料電池動力船舶安全性及管理技術(shù)滯后

氫燃料電池動力系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)船舶內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)理念，其可行性、可靠性和安全性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。氫氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，氫燃料上船會給船舶安全管理、船員培訓(xùn)、應(yīng)急防護(hù)處理和危險(xiǎn)品監(jiān)管等海事業(yè)務(wù)帶來較大影響。目前與之相關(guān)的船員培訓(xùn)要求、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等配套管理辦法都暫未出臺。為推進(jìn)零排放的燃料電池在我國船舶上的商業(yè)應(yīng)用，彌補(bǔ)我國燃料電池船舶應(yīng)用領(lǐng)域的空白，需要對氫燃料電池動力船舶的管理技術(shù)進(jìn)行研究，共同推進(jìn)綠色航運(yùn)的發(fā)展。

5 氫燃料電池船用化的應(yīng)用前景展望

氫能和燃料電池技術(shù)的組合是世界能源轉(zhuǎn)型和動力轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向，是應(yīng)對全球能源短缺和減少環(huán)境污染的重要戰(zhàn)略舉措。氫燃料電池既可作為船舶的推進(jìn)動力，又可用于船舶電源，適用于渡船、供給船、巡邏船、貨運(yùn)船和觀光船等船舶。相比于其它能源方案，氫燃料電池具有高效、無污染、噪音低等特點(diǎn)，其優(yōu)勢吸引著世界各國和各大船舶企業(yè)的關(guān)注，將會成為繼內(nèi)燃機(jī)之后的優(yōu)選動力源之一。

氫燃料電池動力系統(tǒng)是多個設(shè)備、部件及分系統(tǒng)的集成，涉及的產(chǎn)業(yè)范圍廣泛，不僅可以帶動船舶交通運(yùn)輸業(yè)，而且可以帶動相關(guān)裝備制造業(yè)及其它產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

隨著世界石油價(jià)格的不斷上漲和環(huán)保要求的提高，以及氫燃料的成本降低，氫燃料電池廣泛應(yīng)用于船舶產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域指日可待，將引領(lǐng)船舶動力系統(tǒng)的換代革命。