船用燃料电池技术应用现状与发展前景

2022-07-04彭元亭李红享

船电技术 2022年6期

关键词：船级社氢能燃料电池

彭元亭，李红享, 2，王振, 2

船用燃料电池技术应用现状与发展前景

彭元亭1，李红享1, 2，王振1, 2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉市氢燃料电池工程技术研究中心，武汉 430064）

本文介绍了国内外燃料电池船舶的应用现状和部分船级社关于船舶燃料电池动力装置的规范与指南，解读了国家和地方政府对于燃料电池船舶的支持政策，最后分析了目前主流船舶燃料电池方案的优缺点，并对未来的发展方向及趋势提供了思路。

燃料电池船舶船级社规范政府政策

0 引言

高技术船舶是国家重点发展领域，是国家实施海洋强国和制造强国战略的重要支撑。有关船舶排气污染法律、法规的密集出台，揭示“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，已成为当今高新技术船舶设计的重要标准和占领船舶市场的关键要素。

与传统的船舶动力系统比较起来，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、安装方便、布局灵活、环保、振动和噪音小等优点。国外发达国家新造船舶的30%都是使用的电力推进系统，在全球范围内，21世纪将是船舶电力推进系统发展的黄金时代。相比传统船舶动力系统，氢燃料电池系统具有能量转化效率高、振动噪声低、零排放、无污染等优势，是绿色船舶电力推进系统理想的发电装置[1]。

1 国内外现状

1.1 国外现状

欧洲最早开始燃料电池船舶的示范运行，从21世纪初就陆续推出世界上最早的燃料电池客船、游轮等。近5年来，日本和美国得益于其在车用和电站用燃料电池的技术优势，船舶燃料电池产业正在加速崛起。

表1 国外燃料电池船舶

图1 美国商业化运营的燃料电池渡轮“Sea Change”

1.2 国内现状

目前我国尚无取得船级社认证的氢燃料动力船舶，只有高校和企业推出了用于试验和测试的氢能船舶，主要案例如表2和图2。

表2 国内燃料电池船舶

图2 中船712所的燃料电池试验船

2 船用燃料电池法规

国际海事组织和各国船级社都非常重视船用燃料电池的规范研究，目前国内外已发布的规范指南有：

1）国际IGF规则：《国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则》

2）挪威船级社规范：《Fuel Cell Installations》

3）美国船级社:《Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications》-2019

4）中国船级社（CCS）:《船舶应用替代燃料指南》-2017、《船舶应用燃料电池发电装置指南（征求意见稿）》-2021

2.1 《国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则》-2017

本规则规定了使用低闪点燃料的船舶在机械、设备、系统等方面的布置、安装、控制和监测等相关的技术要求[2]，旨在通过实施这些要求来降低船舶、船员和环境的风险，是船舶设计、建造和营运的基础。标准分为A部分、A-1部分、B-1部分、C-1部分和D部分，包括总则、一般要求、船舶设计与布置、燃料围护系统、材料和通用管路设计、燃料加注、动力装置、消防安全等。

2.2 《Fuel Cell Installations》

本规范内容涉及燃料电池动力装置的设计和布置要求、以及布置这些装置的区域[3]。它涵盖了安装的所有方面，包括燃料供应和废气系统。此外还包括以下内容：将液体或气体燃料转化为富氢气体的重整器；控制、监测和安全系统；制造、工艺和测试。

2.3 《Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications》-2019

本指南旨在为船舶燃料电池系统的设计、评估和建造提供指导，并可适用于所有类型的船舶，着重于燃料电池系统的安全使用、推进和辅助系统的布置[4]。本指南适用于使用气体燃料和液体燃料的海洋燃料电池系统设计、建造或改装。安装燃料电池系统的装备要符合本指南的要求，并由ABS进行验证；同时适用于在船舶、浮式生产装置等装备上作为辅助和主要电能源的燃料电池系统。

2.4 《船舶应用替代燃料指南》-2017

本指南第2篇“燃料电池系统”主要内容如下[5]：

1）通则方面，规定了燃料电池系统相关的一般规定、定义、附加标志、图纸和资料等内容。材料方面，规定了燃料电池系统相关的一般要求、不同燃料供给系统的特殊要求、燃料电池等内容。

2）船舶布置方面，规定了燃料电池系统相关的燃料罐、燃料电池处所、燃料压缩机/泵舱室、围蔽处所入口和其他开口、空气闸等内容。

3）系统与管路设计方面，规定了燃料电池系统相关的一般要求、管系设计与布置、压缩机、燃料电池处所内的燃料供应管路、机器处所外的燃料分配系统、氢气管路的附加要求等内容。

燃料储存方面，规定了燃料电池系统相关的一般规定、氢气瓶等内容。

4）燃料加注方面，规定了燃料电池系统相关的一般要求、加注站、加注总管、加注系统等内容。

通风方面，规定了燃料电池系统相关的一般规定、气体安全处所、燃料罐处所、泵舱和压缩机舱、加注站、包含有氢燃料管路的处所、排气系统等内容。

消防方面，规定了燃料电池系统相关的一般规定、防火、灭火、探火和失火报警系统等内容。

电气设备方面，规定了燃料电池系统相关的一般要求、危险区域划分、燃料电池、燃料电池发电系统等内容。

5）控制、监测和安全系统方面，规定了燃料电池系统相关的一般要求、监控、气体探测及火灾探测、供气系统的安全功能等内容。

6）检验与试验方面，规定了燃料电池系统相关的一般规定、燃料电池发电系统产品检验、建造中检验、建造后检验等内容。

3 相关政策

3.1 国家政策

“双碳战略”目标的提出要求我国加快向清洁、绿色能源转型。2021年10月，国务院相继颁布了《关于完整准确全面贯彻心法理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[7]、《2030年前碳达峰行动方案》[8]。两大文件多处提及氢能，其中明确提出要统筹推进氢能“制储输用”全产业链发展。后文还明确要求“加快老旧船舶更新改造，发展电动、液化天然气动力船舶，深入推进船舶靠港使用岸电，因地制宜开展沿海、内河绿色智能船舶示范应用”。

针对船舶行业，国家环保部、交通运输部等部委近年也相继推出多项航运减排政策。其中交通运输部在2020年5月颁布的《内河航运发展纲要》中明确提出“加大新能源清洁能源推广应用力度[9]，推广LNG节能环保船舶，探索发展纯电力、燃料电池等动力船舶，研究推进太阳能、风能、氢能等在行业的应用”。

3.2 地方政策

为满足上述国家政策和航运业碳排放要求，地方政府也积极推出相应的船舶领域氢能政策，部分政策如下：

4 技术路线对比

目前适用于船舶应用的燃料电池主要是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），国内外的示范船舶也主要采用这两类燃料电池。

PEMFC具有温度低、启停快、高比功率、技术成熟度较高，在一些领域已有较多典型应用等优点，但也存在需要贵金属催化剂、燃料适应性差（氢气纯度要求高，硫、CO容忍性差、水管理复杂和部分原材料受国外限制）等缺点，且目前主流储氢方案，如高压储氢、金属合金储氢、甲醇重整制氢等都存在储氢、制氢效率不高的问题，降低了PEMFC系统的比能量。

SOFC具有燃料性适应好（氢气、碳氢、燃油等）、寿命长、余热品质高，可与燃气轮机或蒸汽轮机等联用，燃料综合利用率达80%～95%，、原材料以国内稀土为主、催化剂材料采用镍和氧化锆等优点，但也有工作温度高（500～800℃）、启停慢和耐热冲击性差等缺点，国外SOFC技术已布局发展二三十年，国内刚刚起步，技术成熟度较低。

表3 地方政府氢燃料电池船舶政策

图3 柴油/空气SOFC发电系统原理图

在船用发电系统领域，受限于现有装置储氢密度不足，PEMFC技术适用于以纯氢为燃料、零排放、中短航程、频繁启停运行的内河/近海中小型船舶，作为主动力。SOFC技术则因兼顾氢、氨、LNG、LPG等多种燃料、发电效率更高，适用于清洁排放、远航程、需要热电联供的内河/近海/远洋等中大型船舶，作为辅助动力或主动力。

5 结论与展望

在双碳战略的大背景下，氢燃料电池在船舶领域的应用面临着巨大的机遇和挑战。随着氢燃料电池技术日渐成熟，相关法规和规范填补空白，国内氢燃料电池船舶示范运营蓄势待发，同时也推动相关产业链逐渐完善。

为了推动氢能船舶领域的发展，未来要开展国家层面在氢能船舶领域的中长期规划；进一步完善氢能船舶领域的法规、规范和标准；通过提高核心零部件的自主化率，形成批量化产能，降低产品成本；利用国家项目、地方政府补贴政策和国企的氢能规划等助力落实氢能示范船舶运行，完善配套设施，扩大示范效应，加速氢能船舶领域市场应用进程。

[1] 衣宝廉. 燃料电池-原理·技术·应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[2] IMO. 国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则[Z]. 英国: 海上安全委员会, 2017.

[3] NDV. Fuel Cell Installations[Z]. 挪威: 挪威船级社.

[4] ABS: Fuel Cell Power Systems For Marine and Offshore Applications[Z]. 美国: 美国船级社, 2019.

[5] CCS. 船舶应用替代燃料指南[Z]. 2017.

[6] CCS. 船舶应用燃料电池发电装置指南（征求意见稿）[Z]. 2021.

[7] 国务院. 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613. htm.

[8] 国务院. 2030年前碳达峰行动方案[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2021-10/26/content_5644984. htm.

[9] 交通运输部. 内河航运发展纲要[DB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/04/content_5517185. htm.

[10] 广州市发改委. 广州市氢能产业发展规划[DB/OL].http: //fgw.gz.gov.cn/tzgg/content/post_6477212.html.

[11] 佛山市高明区经济和科技促进局. 佛山市高明区氢能产业发展规划[DB/OL].http: //www.gaoming. gov. cn/zwgk/zwgg/content/post_3252886. html.

[12] 舟山市政府. 加快培育舟山市氢能产业发展的指导意见[DB/OL].http://xxgk.zhoushan.gov.cn/art/2020/12/25/art_1229433794_41509. html.