研发布局燃料电池动力船舶已十分紧迫？

2022-09-09中国船舶工业行业协会

船舶经济贸易 2022年8期

关键词：船用燃料电池燃料

中国船舶工业行业协会

船舶能效、替代燃料及船舶动力形式等三大领域的技术变革是当前全球海事业最重要的创新高地。面对极具可能性的2050年海运碳中和要求，替代燃料和新动力形式的应用，已经成为未来30年海事业最急迫的任务。

船舶动力形式的变革以能量转换方式（如内燃机、燃料电池、动力电池等）为主要关注点，这一领域的技术发展和应用前景最具不确定性，也最可能出现颠覆性创新。其中，燃料电池因其技术的快速迭代和在车辆上的推广应用，正在引起海事业的极大关注。

虽然业界讨论未来动力时，把燃料电池更多归为内河和短途运输船舶的可能选择，但就未来的发展趋势看，燃料电池动力船舶有对传统内燃机船舶实现颠覆性替代的可能性，进而可能完全改变船舶动力形式和产业竞争赛道。

关注并超前15年至20年研究和布局这一重要领域，是中国工业在船舶动力领域实现颠覆性创新的关键。

商业化研发处于初期但研发活动逐渐聚焦

过去很长一段时期，燃料电池技术一直缓慢发展，多数成果处于技术验证阶段。近10年来，燃料电池技术的突破及其在汽车工业的快速应用，吸引了更多投资，推动了商业化进程，技术转化节奏明显加快。

从船用燃料电池专利方面看，据中国船协知识产权分会统计，截至2022年4月，全球船用燃料电池相关专利申请量累计达3409件、专利授权达1786件。其中1999—2008年是船舶燃料电池专利申请的高峰期。2010年以来，船用燃料电池专利申请量呈现下滑趋势。

这一方面说明船用燃料电池的商业化应用依然处于发展初期，另一方面也说明，经过前期大规模研发尝试之后，船用燃料电池技术路线逐渐聚焦，研发活动也逐渐集中在少数头部科技企业。

考虑到船用燃料电池技术的进一步发展和外部环境的利好，以及近期车用燃料电池风口的到来，船用燃料电池有可能掀起新一轮研发热潮。

燃料电池基本属性决定其巨大潜力

燃料电池是一种把化学能转换成电能的能量转换装置，并不是人们传统认识上的“电池”，而是一种化学“发电机”，且具备极高的能量转换效率和燃料灵活性。燃料电池是实现运输工具“全电化”原动机的重要选择之一。

燃料电池的转换效率高于低速机热效率，并可以使用当前低速机的主要替代燃料。

目前各国大力推进的燃料电池技术路线主要为低温运行的质子交换膜燃料电池(PEMFC)和高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

PEMFC功率密度相对较高，电化学效率在60%左右，辅以燃料重整装置，可以使用氨、甲烷、甲醇等富氢燃料。

SOFC的电化学效率在60%左右，运行温度高达650℃以上，可以使用氢、氨、甲烷、甲醇、柴油等多种燃料，且不需要贵金属催化剂，在热电联产情况下，总效率可以达到90%，远远高于当前船用低速机50%左右的热效率。

此外，燃料电池还具有工况越低、效率越高的特性，在船舶经济航速工况下，其发电效率还可以进一步提升。

燃料电池为船舶的能效提升和温室气体减排提供了极具吸引力的解决方案。

欧洲一些机构的相关研究表明，在使用同一种燃料时，与船用低速机相比，由燃料电池提供船舶电力推进和辅助电力，在当前技术水平下，能够降低10%以上的燃料成本。同样使用液化天然气（LNG）作为燃料，低速机能够降低20%左右的温室气体排放，SOFC能够降低34%的温室气体排放，甲烷逃逸问题也得到更好解决。

燃料电池模块化和直流输出有利于全船电力化、智能化发展

燃料电池以电堆为功率输出的基本单位，通过模块化组合，可以实现数百兆瓦的功率输出，能够满足远洋船舶的功率需求。燃料电池输出的为直流电，与当前船舶直流组网技术有着巨大结合空间。

一是有望实现船舶主动力装置的标准化、大批量生产。

船用低速机体积庞大，设计、生产极为复杂。如果燃料电池大规模应用于近海甚至大型远洋船舶，可以实现不同吨位、不同船型的动力系统使用同一标准的燃料电池模块进行组装，将极大降低船舶动力设备设计、生产的复杂性，也为船舶设计提供更加灵活的总布置选择。

二是有望为全船电力化提供更高效的解决方案。

当前动力设备和工业设备领域均呈现出明显的电动化浪潮，交通运输设备的电动化也从高铁、汽车等向船舶领域延伸。在锂电池能量密度难以满足大型船舶能量需求的背景下，燃料电池已经成为船舶电动化的主要方向。

燃料电池的直流输出也为船舶直流组网和电力推进在船舶上的广泛应用提供了更加有利条件。船舶直流组网技术作为一种新兴的船舶电力系统技术，能够进一步降低船舶能耗，节省配电设备空间，与燃料电池的模块化特点相结合，将为船舶动力系统的设计提供巨大灵活性。

此外，基于燃料电池实现的船舶电动化，将对智能船舶的发展起到极大促进作用。燃料电池和直流系统的应用，也将为船员提供静音、低震动的工作和生活环境，同时也能够为应对未来关于水下噪声控制的国际海事法规提供技术解决方案。

技术加速迭代使船用燃料电池商业化应用成为可能

长期以来，阻碍燃料电池在船舶上应用的主要因素是燃料电池系统占用体积大、使用寿命短、燃料获取难度大、投资成本高等问题。

然而，随着近些年燃料电池技术的发展和燃料电池产业发展环境的巨大变化，船用燃料电池的商业化逐步成为可能。

一是燃料电池系统的空间占用已经接近气体燃料低速机及其燃料系统。

燃料电池系统占用空间大的主要原因是燃料能量密度低或电池功率密度低。其中，PEMFC使用氢作为燃料，导致燃料罐体积较大；SOFC可以直接采用氨、LNG等燃料，但电池功率密度低、体积较大。

为解决上述问题，PEMFC可以通过加装燃料重整装置，进而可以采用氨、LNG等其他燃料，能够较大程度减小整体体积。SOFC则主要依靠技术研发，进一步减小电池体积；近10年来，国际领先的SOFC企业已经将功率密度提升了10倍以上。

2020年韩国企业开展的一项研究显示，使用液氨作为燃料，为一艘2500TEU集装箱船提供全部推进和辅助电力，在充分考虑功率冗余和空间冗余的情况下，PEMFC及其燃料系统和SOFC及其燃料系统的体积，仅比氨燃料低速机及其燃料系统分别大25%和47%。

未来，随着燃料电池功率密度的进一步提升以及系统集成技术的应用，船用燃料电池及其燃料系统的体积有望进一步快速减小。

二是船用燃料电池寿命已达数年并仍在不断增长之中。

目前国内汽车PEMFC寿命约为5000小时，最新研究成果已将其提升至20000小时。船舶运行不会出现频繁的负载变化，电池系统能够得到较好维护，寿命也较长。欧洲已经开展的船用PEMFC项目中，电池寿命最长达到35000小时（4年）。

美国公司推出的SOFC产品寿命已经超过5年，部分固定式SOFC持续运行了90000小时（10年）以上。

目前一些国家从能源战略角度出发，加快更高寿命燃料电池的研发。日本提出了将PEMFC寿命延长至15年的研发目标，我国科技部也在展开高效率、长寿命燃料电池关键技术的科技攻关。

三是燃料供应问题已经不再是制约船用燃料电池发展的障碍。

当前各国积极推动氢能产业链建设和氢燃料电池研发应用推广，特别是随着航运业温室气体减排战略的深入推进，全球正在加快建设LNG、甲醇、氨/氢等替代燃料供应链，基本扫清了长期制约船用燃料电池发展的富氢燃料供应障碍。

四是燃料电池成本加速下降。

船用燃料电池市场尚未形成，近年来相关燃料电池示范船项目中，船用PEMFC平均价格约1000美元/千瓦，最低价格仅为45美元/千瓦；船用SOFC平均价格约为2000美元/千瓦，最低价格为558美元/千瓦（已经接近低速机的功率单价）。

燃料电池的价格与规模化生产息息相关。过去10年，车用燃料电池价格下降了60%。随着燃料电池汽车产业规模的不断增长，特别是中国企业大规模进入这一领域，业内普遍预计，未来5年PEMFC价格有望进一步下降70%左右。SOFC主要应用于分布式发电，目前商业化项目不断增多，SOFC价格也有望继续下跌

主要造船国加快燃料电池动力船舶研发

燃料电池的众多优点使得欧美及日韩海事业界对其十分关注并不断探索。尤其是2018年以来，在国际海事组织（IMO）颇具雄心的温室气体减排目标的推动下，燃料电池凭借其极高的能量转换效率和燃料类型的巨大灵活性，成为企业开展低碳/零碳船舶研发的重要方向。

欧美国家长期关注和持续开展燃料电池船舶的研发试验。2000年以来，在欧盟、德国、美国等相关科研项目的持续支持下，欧美相关机构和企业开展的燃料电池实船应用案例超过30项。上述项目中，船用PEMFC超过20项，应用方式包括作为船舶的辅助发电单元、辅助推进和主推进等多个方面，积累了大量工程试验数据，形成了可观的燃料电池船舶设计和系统集成成果。

欧洲SOFC项目近年来明显增多，地中海邮轮为一艘正在建造的20万总吨豪华邮轮安装美国Bloom Energy提供的以LNG为燃料的SOFC发电系统，并将SOFC作为其未来零碳战略的重要方向；阿法拉伐正在参与由丹麦支持的SOFC4 Maritime项目，探索SOFC完全替代船舶内燃机的可行性。

日本拥有较好的燃料电池技术基础，近期开始加快燃料电池船舶的研发。日本企业长期深耕燃料电池领域，尤其是在车用PEMFC技术方面处于世界领先地位，SOFC在家庭热电联产领域也形成了较大的市场规模，但在燃料电池船舶方面发展相对缓慢。2018年以来，日本政府和企业开始加快燃料电池船舶的研发。2019年日本洋马使用丰田燃料电池汽车的组件，在试验船上开发和测试船用氢燃料电池系统。

2020年，日本邮船、东芝能源系统公司、川崎重工、日本海事协会（NK）和ENEOS宣布合作开发氢燃料电池船舶。2021年，该项目获得日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)管理的日本政府绿色创新基金的支持。该项目计划于2023年建造一艘150吨级试验船，重点验证大功率船舶燃料电池系统的实现与操作技术，并解决燃料电池与蓄电池相结合的能源管理系统（EMS）等工程技术问题。

韩国三大造船企业掀起了SOFC替代低速机的研发竞赛。2018年以来，韩国三大船企不约而同开展了SOFC替代内燃机的船舶研发项目。

三星重工选择与Bloom Energy合作，先后开发了SOFC替代发电机的阿芙拉型原油船，SOFC完全替代内燃机的 LNG 船初步设计，均获得DNV船级社的原则性批复；Bloom Energy的船用SOFC产品还获得了美国船级社（ABS）概念验证成熟度声明。

现代重工和大宇造船海洋则选择与斗山燃料电池公司及英国Ceres Power合作，开发了SOFC替代发电机的超大型油船（VLCC），相关SOFC系统获得ABS原则性批复。

韩国船企在燃料电池船舶动力标准化方面展开了布局。2021年，三星重工在其SOFC动力LNG运输船初步设计获DNV原则认可时明确表示，该公司将引领燃料电池对船用内燃机的完全替代和燃料电池推进系统的国际标准化。

2022年2月，大宇造船海洋与韩国船级社（KR）、STX Engine签署协议，联合开展“固体氧化物燃料电池的技术标准化和商业化”项目，旨在通过共享技术资源，促进未来船舶动力系统的变革。

中国船企对燃料电池动力船舶研发亟待加强

当前国际海事业在探讨航运去碳化的解决方案时，迫于紧迫的公约制定与履约时间限制，不得不从最易实现的方案中进行选择，并且主要依托成熟的供应体系和工业基础，因此未来5年以氨、甲醇等为替代燃料的新型内燃机将会接续原来的柴油发动机成为船舶的主动力选择。

但在去碳化背景下，叠加航运智能化、水下噪声治理等要求，航运全电化将呈现出新的生命力，燃料电池发展应用具有极大的想象空间。

目前，我国已经掀起了PEMFC研发热潮，目标市场仍主要集中在汽车领域，整体技术水平与国外企业存在一定差距；SOFC目前研究尚处于起步阶段。

我国燃料电池动力船舶的研发进度相较欧美也存在明显落后的情况，目前仅中国船舶集团七一二所推出了500千瓦级船用PEM燃料电池系统，全行业在燃料电池动力船舶方面的研发工作亟待加强。

一是加快大型燃料电池动力船舶的设计研发和专利布局。

大型燃料电池动力船舶设计的关键是电池系统集成和动力系统布置。国外船企已在开展相关标准和专利布局。一旦燃料电池动力船舶市场成熟，我国船舶工业将可能处于被动的局面。

二是加快燃料电池船舶动力系统设备的合作研发。

大型燃料电池动力船舶涉及PEMFC技术、SOFC技术、直流组网技术、直流电驱技术以及相关用电设备、转换设备、控制系统、储能单元等，船舶工业企业在上述多数领域与国外均存在较大差距，亟需进一步联合燃料电池企业、电机企业、电力系统相关企业（如国网、中车等）以及高校等研究机构开展合作研发，促进各设备间协同优化，并逐步形成自主品牌。