氢燃料电池发电装置海上应用可行性分析

刘 彪，吴鹏飞，赵云杰，张海波，王 振

应用研究

氢燃料电池发电装置海上应用可行性分析

刘 彪1，吴鹏飞2，赵云杰1，张海波1，王 振1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司，武汉 430000）

本文从氢燃料电池发电装置海上应用的角度，论述了其在孤岛微电网、船用电源等场景下的国内外技术对比、市场前景、关键技术难点及解决思路分析，对我国氢燃料电池发电装置海上应用可行性具有一定参考价值。

氢燃料电池发电装置 孤岛微电网 船用电源

0 引言

海洋占地球表面积约70%，理论能量总量约为766亿千瓦，海洋能作为可再生能源的代表是名副其实的“蓝色煤海”。近年来，加快海洋能开发利用、推进海洋能技术产业化已成为世界各国的普遍共识和一致行动。然而，海洋能具有不稳定性，必须将其转化成电能或者化学能储存起来才能满足人类持续的能源需求。众所周知，氢能是一种来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的二次能源[1]，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。海洋氢能将是未来远离大陆孤岛能源利用、航运清洁能源选择的最佳解决方案之一。

据统计，我国面积达500平方米以上的岛屿为6536个，总面积72800多平方公里，岛屿岸线长14217.8公里，其中有人居住的岛屿为450个。偏远孤岛远离电厂、人口稀少，远距离架设输电网络不符合经济效益，铺设海底电缆的前期投入和后期维护费用巨大。因此，目前有人岛的供电多由柴油发电机提供。随着岛屿用电负荷越来越大，传统的柴油发电机的柴油消耗量越来越大，靠远程运输获得燃料的方式越来越捉襟见肘。同时，柴油发电机也会带来环境污染的问题。对于孤岛而言，可再生能源丰富，但存在许多不稳定因素，其难点主要在于发电的波动性。波动的可再生能源使发电高峰和用电高峰产生错配。比方说当海风活跃时，风力发电产生的电能可以直接传递给用户。但是当海岛处于弱风期时，风力发电无法满足用户的日常用电需求。因此，在远离大陆的孤岛组建孤岛微电网，采用“风力（太阳能）发电+储能+发电系统”恰好能解决这一难题。

在海洋船舶领域，目前国内外大部分船舶由柴油发动机驱动，船用电源基于柴油发动机发电机组进行储能。现如今，国外主流船用电源有酸性蓄电池、碱性蓄电池和锂电池。虽然酸性蓄电池和碱性蓄电池技术成熟度高、得到广泛应用，但其生产过程中会带来环境污染。在全球“节能减排、绿色智能”的大背景下，正逐渐由“柴油发动机+蓄电池”模式向新能源纯电动船舶、柴电混合动力船舶转型。目前，新能源纯电动船舶普遍使用锂离子电池作为动力能源系统，其运营和建造市场主要集中在欧洲和中国市场。根据Maritime Battery Forum的统计，全球范围内有超过300艘船舶已经在使用锂电池。然而，锂电池因比能量较低使得其只适合于游船、渡船、公务船等，对于一些长距离航行、大批量运送货物的沿海及远洋传输的货船无法满足动力需求。

氢燃料电池是21世纪绿色能源技术的制高点，可将自身携带的氢燃料与氧化剂（空气、纯氧）中的化学能经电化学反应直接转化为电能供人们日常使用[2]。其优点包括能量密度高、能量转化效率高、振动噪声低、红外特征低、零排放等。目前，燃料电池在车用发动机、电站、船用动力系统等领域已得到充分验证。由此可见，对于远离大陆的孤岛采用“风力（太阳能）发电制氢+燃料电池系统”的模式，可以有效地解决岛上能源供应不稳定性、环保等问题。对于船用动力系统而言，氢燃料电池系统可用于包括游艇、公务船、货轮、远洋船等各种类型船舶。

本文将从氢燃料电池发电装置海上应用的角度，论述其在孤岛微电网、船用电源等场景下的国内外技术对比、市场前景、关键技术难点及解决思路，为我国燃料电池发电装置海上应用可行性提供了一定参考价值。

1 国内外技术发展现状

1.1 国外技术发展现状

1.1.1 孤岛微电网

希腊在基斯诺斯岛上建设孤岛微电网为十二户居民日常用电供电。采用400 V配网，包含6台光伏发电单元，共11 kW，1台5 kW柴油机，1台3.3 kW/50 kWh蓄电池/逆变器系统。苏美达能源公司为菲律宾莱特省南部的利马萨瓦岛设计并建设了光伏发电+柴油机发电的混合能源智能孤岛微电网系统，实现了利马萨瓦岛7×24小时不间断稳定电力供应。该项目每年可以发电175000 kWh，不仅可以保障海岛的常规用电不受恶劣天气影响，更产生良好的节能环保效果。

日本由于国土面积有限、石油等化石能源匮乏，发展集成可再生能源的孤岛微电网成为日本能源发展的特点。2009年，日本启动岛屿新能源独立电网实证项目，在鹿儿岛县和冲绳县地区的10个海岛上完成了孤岛微电网示范工程的建设，比方说宫古岛的大型孤岛微电网。2011年，日本大地震及其诱发的海啸引发了严重的大范围停电。震灾期间，仙台市微电网在大电网失电的情况下，独立运行60余个小时内通过储能设备和燃气发电实现了关键负荷的不间断供电，有力保障了微电网内关键设备的正常运行。灾害过后，日本更加重视微电网的研究和建设，以提高其电力供应的抗灾害能力及缺口。

燃料电池因技术成熟度较低虽在孤岛微电网场景下尚无应用案例，但近年来国外已开始布局孤岛微电网制氢示范运行。2020年，西歌与丹麦电解设备供应商计划将在丹麦建设一个直接在风机附近制氢的风电制氢示范项目“Brande Hydrogen”。该项目使用“孤岛模式”在一台3 MW陆上风机旁放置一套400 kW电解设备，就地电解制氢。

1.1.2 船用电源

目前，欧洲、日本、美国等先进国家在船用燃料电池技术领域处于领先地位，已实现燃料电池船舶示范及应用，正步入推广应用阶段[3]。燃料电池发电装置可为船舶推进动力和日常负荷提供电能，应用于公务船、客船、游船、游艇等船型。2008年，德国研制出100客“Alsterwasser”号燃料电池游船，其采用燃料电池系统作为主推进动力，功率达到100 kW，最高航速可到14 km/h。2008年，冰岛建成150名乘客的125吨观鲸船，该船辅助供电系统由10 kW氢燃料电池构成。2015年，日本下水试航首款氢燃料电池渔船，搭载450 L氢燃料，最高航速可达37 km/h。2021年，美国首艘氢燃料电池船“Sea Change”号在加利福尼亚州旧金山湾投入运营。船长70英尺，可搭载75名乘客，最高时速可达22海里/小时。该船电力系统由360 kW燃料电池和容量为246 kg的储氢罐组成，同时集成了100 kWh锂离子电池。

1.2 国内技术发展现状

1.2.1 孤岛微电网

近年来，国内开始布局孤岛微电网的建设和示范运行。2011年，浙江东福山岛微电网项目建成投运，采用“可再生清洁能源为主电源+柴油发电为辅”的供电方案为岛上居民供电。该项目配置100 kWp光伏、210 kW风电、200 kW柴油机和960 kWh铅酸电池，电压400，总装机容量510 kW。

2012年，浙江省南麂岛微电网项目开工建设。该项目配置1000 kW风力发电、545 kW光伏发电、30 kW海流能发电、1000 kWh蓄电池储能以及柴油发电系统，满足建设生态海岛、环保海岛的需要。同时，今后岛上的所有汽车将成为储能系统的一部分。

2014年，浙江北麂岛微电网项目采用“光伏发电+储能为主电源，柴油发电机为备用电源”的供电方案，大大降低了岛内对柴油发电的依赖，有效解决了岛上居民的用电难、用电贵、环境污染严重等问题。

1.2.2 船用电源

国内在船用燃料电池发电装置领域尚处于小规模试验和测试阶段。2005年11月，上海海事大学研制了“天翔一号”燃料电池小艇，燃料电池功率为2 kW[4]。2021年1月，大连海事大学研发了“蠡湖”号燃料电池游艇，采用70 kW燃料电池及86 kWh的锂电池组成混合动力。2019年，中船712所在国内首次展出500 kW船用燃料电池系统解决方案和140 kW标准船用燃料电池发电模块。2020年，中船712所完成一型氢燃料电池扬州试验船改造研发，采用2×70 kW燃料电池及150 kWh的锂电池组成混合动力。同年，中船712所牵头承研工信部高技术船舶科研项目“氢燃料动力船舶关键技术研究”，开展500 kW级船用燃料电池系统的工程化研制，重点针对三峡公务船、珠江散货船等船型进行产品设计开发与示范应用。

1.3 国内外技术对比分析

总体来看，国内外在孤岛微电网领域均未见燃料电池应用案例，但已开始布局孤岛可再生能源发电制氢。在船用电源领域已基本实现燃料电池船舶示范及应用，并不断走向实践。我国在各个领域与欧洲等国家存在不小的差距，尚处于前期探索阶段，积累较少。具体如下：

1）孤岛可再生能源发电制氢示范运营尚处空白

我国虽然在部分岛屿开展孤岛微电网示范运营，但大都采用风力（太阳能）发电+柴油机发电+蓄电池储能的模式。然而，蓄电池储能能力有限，同时也会带来一定的环境问题。孤岛风力（太阳能）发电制氢+燃料电池储能的模式既可以解决储能的问题，又满足绿色环保的要求。然而，我国在孤岛可再生能源发电制氢领域尚处空白，亟需相关技术和关键装备研制攻关。

2）燃料电池发电装置技术成熟度较低

我国燃料电池起步较晚，整体技术成熟度水平偏低。燃料电池电堆、氢气循环泵等关键零部件耐久性较差。据相关资料表明，国外车用燃料电池电堆的使用寿命超过3万小时，家用小型电站电堆寿命超过10万小时。然而，国内氢空燃料电池电堆的寿命一般不超过1万小时，氢气循环泵的寿命一般不超过5千小时，与国外差距较大亟待进一步提高。

3）船用燃料电池发电装置产品谱系严重不全

国外现阶段船用燃料电池功率一般在500 kW以内，功率覆盖面广，正在向500 ～1000 kW的燃料电池系统发展。我国船用燃料电池研发起步较晚，预计2023年可实现500 kW级高压储氢燃料电池船舶示范运行，产品谱系单一，亟需进一步扩展开发。

2 氢燃料电池发电装置海上应用前景

2.1 氢燃料电池发电装置海上应用市场规模分析

中国岛屿众多，对于孤岛微电网的建设运行需求迫切。通过建设光伏发电、风力发电、潮汐能发电等可再生新能源，可为岛屿提供源源不断的无污染的能源供应。采用“风力（太阳能）发电制氢+燃料电池系统”方案，在可用输出过剩的时候，通过电解将水分解为氢气和氧气将能量存储起来；低风或无风时，通过燃料电池将存储起来的能量转换回电能以满足日常需求，减少环境污染和碳排放。

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。根据德国劳氏船级社和汉堡城市发展与环境管理局的市场研究报告表明：全世界范围内，船舶用燃料电池的市场容量大约有160 GW[5]。随着船用氢燃料电池发电装置进一步发展，原油价格攀升和污染排放交易配额的引入，更多的燃料电池发电装置海上应用市场如集装箱船等将会被开放，市场容量有望进一步扩大。

由此可见，在国家双碳目标的加持下，未来我国燃料电池发电装置在孤岛微电网、船舶电源等领域市场规模将呈现井喷式，对燃料电池发电装置的需求量将逐年剧增。同时，燃料电池发电装置海上应用的发展将形成一条崭新的产业链条，涉及上下游众多领域，其必将带动材料、电机、控制系统、氢能设备等产业的共同发展。随着研发力度的增大，未来燃料电池发电装置的产品型谱覆盖面也将更广。

2.2 船用燃料电池发电装置的应用场景及燃料形式

据统计，目前全电动标准船舶可分为微型船、小型船、中型船和大型船四类。针对微型船、小型船等，采用锂离子动力电池基本可以满足要求。但是针对中大型甚至巨型船舶而言，锂离子动力电池由于比能受限，不能满足续航力的需求，必须发展氢燃料发电技术。以大型船为例，其主尺度为50～100 m，排水量大于700吨，推进功率约为2×5000 kW，典型船用电源容量为7000 kWh。根据目前国内外燃料电池发电装置的技术水平及功率覆盖范围，未来燃料电池发电装置完全可作为推进动力和日常负荷应用于该类船型。另外，氢气因其自身特点很难被高密度地储存，安全、高效储运是氢能在海上领域应用的关键。目前，氢源的燃料形式主要包括高压气态储氢、液氢、合金储氢、有机液体储氢、含氢燃料制氢等方式。不同的应用场景对氢燃料的形式也有不同的要求。

2.3 燃料电池发电装置国产化能力分析

1）燃料电池电堆

国内燃料电池电堆正处于蓬勃发展阶段，电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级快速提升，但总体与国外技术存在不小差距，特别是在核心材料及组件国产化方面亟需持续追赶。目前国内电堆厂商主要分为两种类型，一种以自主研发为主，如北京亿华通采用传统石墨机加方式，生产的燃料电池电堆寿命约5000 h左右。另一种以国外电堆技术引进合作，如广东国鸿在膨胀石墨电堆产品方面通过与巴拉德公司的技术引进取得较大的进步。但其膜电极为巴拉德专供，核心技术国产化仍需突破。

2）燃料电池关键辅助部件

近年来，国内关于燃料电池关键辅助部件研发生产厂家逐渐增多，但大都集中在车用燃料电池领域。比方说，森萨塔的氢气压力传感器、势加透博的空气压缩机等。但国内燃料电池关键辅助部件产品存在体积/重量大、效率低、耐久性差、可靠性差、密封性不足、精度等级低、缺乏船级社认证等问题，尚不能完全满足燃料电池系统实际应用需求。随着燃料电池的迅速发展，国内厂商纷纷已布局启动高精度、高耐久性、高可靠性的燃料电池关键辅助部件的研制工作。

综上所述，国内在燃料电池发电装置国产化方面处于初级阶段，仍需投入大量的资金和科研人员进行技术攻关，但其市场前景广阔。

3 技术难点及解决思路分析

3.1 氢燃料电池发电装置技术研究

1）技术难点

目前国内燃料电池电堆研发相关企业繁多，其中也不乏多个龙头企业，但电堆应用场景主要集中在车用领域，针对的环境条件主要为低温、高海拔、多变工况等，系统功率为数十到百千瓦级，与海上应用需求有显著区别。孤岛微电网、船用电源等对大功率系统、抗盐雾腐蚀、可靠性和安全性要求更高。针对车用环境开发的电堆和系统不能完全满足海上氢燃料电池发电装置的研制需求。

2）解决思路

（1）开展氢燃料电池发电模块海上应用设计技术研究

针对氢燃料电池发电模块海上应用需求，研究氢燃料电池发电模块在离线和在线状态下的抗盐雾腐蚀、倾斜摇摆、湿热等环境适应性研究以及应对大功率电堆的模块化集成设计，形成氢燃料电池发电模块工程化解决方案。

（2）开展氢燃料电池发电装置封装结构设计技术研究

研究电堆各零部件材料在海洋环境下的各向异性以及在温度场、气体压力、应力场及水气环境下的形变特性，根据材料特性和不同零部件之间的匹配关系开展电堆零部件的材料研究和结构设计。研究最优密封结构和密封方式，分析多种密封材料在海洋氢燃料电池环境下的密封性能，筛选出可靠性高的密封材料，从而明确氢燃料电池各个组件设计要求，形成氢燃料电池发电装置封装结构设计方案。

（3）开展氢燃料电池发电装置水热管理技术研究

根据氢燃料电池模块结构布局，研究氢燃料电池运行工况下的水热传输模型，优化电堆内部的水热平衡以及电池组之间的水热分配，提高电池的输出效率，形成氢燃料电池发电装置水热管理技术方案。

3.2 氢燃料电池发电装置海上应用法规规范符合性研究

1）技术难点

应用氢燃料电池首要研究的问题是氢能的储存和安全，特别是目前在孤岛、船舶等场景尚无成规模的氢燃料电池和氢能的应用案例作为参照，相关法规规范亟待颁布实施。

2）解决思路

（1）储氢设施海上应用的合规性

建立相关性能指标的试验评价体系，对储氢和燃料电池发电装置的安全性进行充分试验验证，完成从燃料加注装置到氢燃料电池装置，以及随之配套的换气设备、电气设备、控制设备和安全装置等。另外，包含燃料补给，清舱换气，气体惰化等在内的气体燃料系统操作流程也在规定范围之内。

（2）海上应用氢能源及氢燃料电池的安全性

海上应用氢能源及氢燃料电池的主要安全控制方向为：在低温、火灾、爆炸的危险性下保护船员、船舶、孤岛等设施，确保使用氢气或其他富氢燃料的氢燃料电池设备拥有与现有设备同样的安全性和可信性。在充分收集、对比氢燃料电池及各构成系统的设备的应用特点后，借鉴陆上氢燃料电池的相关技术标准，重点解决电池系统故障影响及后果、储氢设备布置建议、供电可靠性、防泄漏、灭火、通风、废气排放、电力系统稳定性和探测监控等方面安全障碍，形成相关的技术要求。

3.3 氢燃料电池发电装置海上应用专利布局研究

1）技术难点

世界范围内，氢燃料电池发电装置海上应用的相关示范已陆续实施，以质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池为核心的发电模块与电控设备、辅助装置组成的独立系统，在实际应用中正逐渐增多。目前，世界氢燃料电池专利技术主要集中在日本、美国、德国等发达国家。我国氢燃料电池技术总体上落后于发达国家，专利研究的布局需要尽快展开。

2）解决思路

以国家为划分，从氢燃料电池发电模块、电控设备、辅助系统、氢燃料电池整体系统等方面多维度地分析与解读各个领域氢燃料电池专利的布局情况，以不同的维度为划分进行专利对标分析。同时，从专利中摘取并归纳出氢燃料电池核心技术点，并针对各个领域的应用进行分析与解读；针对分析与解读中发现的问题，为我国氢燃料电池技术专利领域的发展提供建议。

4 总结

氢燃料电池发电装置具备广阔的应用前景和发展必要性，既符合发电技术从化石能源向新能源发展的规律，也契合国家“双碳”战略需求。为我国海域岛礁、船用电源等提供了绿色、清洁能源的多元化选择，也能极大缓解海上能源保障压力，提升海域战略安全。

[1] 郭利. 氢能源的研究现状及展望[J]. 化工设计通讯, 2021, 47(5): 147-148.

[2] 肖飞. 氢燃料电池原理及应用[N].科学导报, 2022-09-13(B02).

[3] 彭元亭, 徐增师. 船用氢燃料电池推进技术发展研究[J]. 中国工程科学, 2019, 21(6): 18-21.

[4] 付军, 甘世红. 混合动力电动船舶现状及前景分析[J]. 科技视界, 2015(8): 133, 249.

[5] 佚名. 燃料电池系统可以替代全球160GW的船舶辅机[J]. 航海技术, 2010(6): 72.

Feasibility analysis of offshore application of hydrogen fuel cell power generator

Liu Biao1, Wu Pengfei2, Zhao Yunjie1, Zhang Haibo1, Wang Zhen1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen and Fuel Cell Industrial Technology Research Institute Co. LTD, Wuhan 430000, China)

U665

A

1003-4862（2023）09-0007-05

2023-03-01

刘彪，男（1989-），博士，研究方向：燃料电池总体设计。E-mail：biao.liu89@hotmail.com