船用燃料電池技術應用現狀與發展前景

彭元亭，李紅享, 2，王 振, 2

船用燃料電池技術應用現狀與發展前景

彭元亭1，李紅享1, 2，王 振1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術研究中心，武漢 430064）

本文介紹了國內外燃料電池船舶的應用現狀和部分船級社關于船舶燃料電池動力裝置的規范與指南，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缺點，并對未來的發展方向及趨勢提供了思路。

燃料電池 船舶 船級社規范 政府政策

0 引言

高技術船舶是國家重點發展領域，是國家實施海洋強國和制造強國戰略的重要支撐。有關船舶排氣污染法律、法規的密集出臺，揭示“綠色航運”和“綠色船舶”的環保節能理念，已成為當今高新技術船舶設計的重要標準和占領船舶市場的關鍵要素。

與傳統的船舶動力系統比較起來，電力推進系統具有調速范圍廣、驅動力大、安裝方便、布局靈活、環保、振動和噪音小等優點。國外發達國家新造船舶的30%都是使用的電力推進系統，在全球范圍內，21世紀將是船舶電力推進系統發展的黃金時代。相比傳統船舶動力系統，氫燃料電池系統具有能量轉化效率高、振動噪聲低、零排放、無污染等優勢，是綠色船舶電力推進系統理想的發電裝置[1]。

1 國內外現狀

1.1 國外現狀

歐洲最早開始燃料電池船舶的示范運行，從21世紀初就陸續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優勢，船舶燃料電池產業正在加速崛起。

表1 國外燃料電池船舶

圖1 美國商業化運營的燃料電池渡輪“Sea Change”

1.2 國內現狀

目前我國尚無取得船級社認證的氫燃料動力船舶，只有高校和企業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

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范研究，目前國內外已發布的規范指南有：

1）國際IGF規則：《國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規則》

2）挪威船級社規范：《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）:《船舶應用替代燃料指南》-2017、《船舶應用燃料電池發電裝置指南（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則》-2017

本規則規定了使用低閃點燃料的船舶在機械、設備、系統等方面的布置、安裝、控制和監測等相關的技術要求[2]，旨在通過實施這些要求來降低船舶、船員和環境的風險，是船舶設計、建造和營運的基礎。標準分為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、船舶設計與布置、燃料圍護系統、材料和通用管路設計、燃料加注、動力裝置、消防安全等。

2.2 《Fuel Cell Installations》

本規范內容涉及燃料電池動力裝置的設計和布置要求、以及布置這些裝置的區域[3]。它涵蓋了安裝的所有方面，包括燃料供應和廢氣系統。此外還包括以下內容：將液體或氣體燃料轉化為富氫氣體的重整器；控制、監測和安全系統；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的設計、評估和建造提供指導，并可適用于所有類型的船舶，著重于燃料電池系統的安全使用、推進和輔助系統的布置[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設計、建造或改裝。安裝燃料電池系統的裝備要符合本指南的要求，并由ABS進行驗證；同時適用于在船舶、浮式生產裝置等裝備上作為輔助和主要電能源的燃料電池系統。

2.4 《船舶應用替代燃料指南》-2017

本指南第2篇“燃料電池系統”主要內容如下[5]：

1）通則方面，規定了燃料電池系統相關的一般規定、定義、附加標志、圖紙和資料等內容。材料方面，規定了燃料電池系統相關的一般要求、不同燃料供給系統的特殊要求、燃料電池等內容。

2）船舶布置方面，規定了燃料電池系統相關的燃料罐、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、空氣閘等內容。

3）系統與管路設計方面，規定了燃料電池系統相關的一般要求、管系設計與布置、壓縮機、燃料電池處所內的燃料供應管路、機器處所外的燃料分配系統、氫氣管路的附加要求等內容。

燃料儲存方面，規定了燃料電池系統相關的一般規定、氫氣瓶等內容。

4）燃料加注方面，規定了燃料電池系統相關的一般要求、加注站、加注總管、加注系統等內容。

通風方面，規定了燃料電池系統相關的一般規定、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、排氣系統等內容。

消防方面，規定了燃料電池系統相關的一般規定、防火、滅火、探火和失火報警系統等內容。

電氣設備方面，規定了燃料電池系統相關的一般要求、危險區域劃分、燃料電池、燃料電池發電系統等內容。

5）控制、監測和安全系統方面，規定了燃料電池系統相關的一般要求、監控、氣體探測及火災探測、供氣系統的安全功能等內容。

6）檢驗與試驗方面，規定了燃料電池系統相關的一般規定、燃料電池發電系統產品檢驗、建造中檢驗、建造后檢驗等內容。

3 相關政策

3.1 國家政策

“雙碳戰略”目標的提出要求我國加快向清潔、綠色能源轉型。2021年10月，國務院相繼頒布了《關于完整準確全面貫徹心法理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[7]、《2030年前碳達峰行動方案》[8]。兩大文件多處提及氫能，其中明確提出要統籌推進氫能“制儲輸用”全產業鏈發展。后文還明確要求“加快老舊船舶更新改造，發展電動、液化天然氣動力船舶，深入推進船舶靠港使用岸電，因地制宜開展沿海、內河綠色智能船舶示范應用”。

針對船舶行業，國家環保部、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《內河航運發展綱要》中明確提出“加大新能源清潔能源推廣應用力度[9]，推廣LNG節能環保船舶，探索發展純電力、燃料電池等動力船舶，研究推進太陽能、風能、氫能等在行業的應用”。

3.2 地方政策

為滿足上述國家政策和航運業碳排放要求，地方政府也積極推出相應的船舶領域氫能政策，部分政策如下：

4 技術路線對比

目前適用于船舶應用的燃料電池主要是質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），國內外的示范船舶也主要采用這兩類燃料電池。

PEMFC具有溫度低、啟停快、高比功率、技術成熟度較高，在一些領域已有較多典型應用等優點，但也存在需要貴金屬催化劑、燃料適應性差（氫氣純度要求高，硫、CO容忍性差、水管理復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系統的比能量。

SOFC具有燃料性適應好（氫氣、碳氫、燃油等）、壽命長、余熱品質高，可與燃氣輪機或蒸汽輪機等聯用，燃料綜合利用率達80%～95%，、原材料以國內稀土為主、催化劑材料采用鎳和氧化鋯等優點，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技術已布局發展二三十年，國內剛剛起步，技術成熟度較低。

表3 地方政府氫燃料電池船舶政策

圖3 柴油/空氣SOFC發電系統原理圖

在船用發電系統領域，受限于現有裝置儲氫密度不足，PEMFC技術適用于以純氫為燃料、零排放、中短航程、頻繁啟停運行的內河/近海中小型船舶，作為主動力。SOFC技術則因兼顧氫、氨、LNG、LPG等多種燃料、發電效率更高，適用于清潔排放、遠航程、需要熱電聯供的內河/近海/遠洋等中大型船舶，作為輔助動力或主動力。

5 結論與展望

在雙碳戰略的大背景下，氫燃料電池在船舶領域的應用面臨著巨大的機遇和挑戰。隨著氫燃料電池技術日漸成熟，相關法規和規范填補空白，國內氫燃料電池船舶示范運營蓄勢待發，同時也推動相關產業鏈逐漸完善。

為了推動氫能船舶領域的發展，未來要開展國家層面在氫能船舶領域的中長期規劃；進一步完善氫能船舶領域的法規、規范和標準；通過提高核心零部件的自主化率，形成批量化產能，降低產品成本；利用國家項目、地方政府補貼政策和國企的氫能規劃等助力落實氫能示范船舶運行，完善配套設施，擴大示范效應，加速氫能船舶領域市場應用進程。

[1] 衣寶廉. 燃料電池-原理·技術·應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 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. 船舶應用替代燃料指南[Z]. 2017.

[6] CCS. 船舶應用燃料電池發電裝置指南（征求意見稿）[Z]. 2021.

[7] 國務院. 關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613. htm.

[8] 國務院. 2030年前碳達峰行動方案[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2021-10/26/content_5644984. htm.

[9] 交通運輸部. 內河航運發展綱要[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/04/content_5517185. htm.

[10] 廣州市發改委. 廣州市氫能產業發展規劃[DB/OL].http: //fgw.gz.gov.cn/tzgg/content/post_6477212.html.

[11] 佛山市高明區經濟和科技促進局. 佛山市高明區氫能產業發展規劃[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業發展的指導意見[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：化學電源/燃料電池。E-mail: kingowang@163.com