船用燃料电池技术的现状和发展

航运是全球温室气体、挥发性有机化合物、颗粒物、有害空气污染物、氮氧化物和硫氧化物排放的主要来源。据估计，航运活动占全球二氧化碳排放量的 35 %，占全球 SOX 排放量的 5 %以上，2019 年仅 5000 吨以上的船舶就排放了 6.14 吨二氧化碳[1]。根据国际海事组织(IMO)的当前目标，到 2030 全球海运二氧化碳排放量降低到 2008 年的 60 %。同时在其《国际防止船舶造成污染公约》中也对船舶燃料的含硫量和 NOX 量进行了明确规定。为了达成上述碳减排目标，需要对运营船舶进行技术能效提升，加大减排技术研发的投资。

氢能作为一种来源途径广、转化能效高、应用场景泛、清洁无碳的二次能源载体，在各国都取得了突破性地发展。在美国、日本、欧洲等国家，更是将氢能产业的发展作为国家能源发展战略之一，并制定了详细的发展规划，并在氢能源基础设施建设、燃料电池关键技术研究、燃料电池产业化应用等方面取得了较好的发展。从在世界各国不断推动氢能相关技术发展的趋势下，我国也不断出台推动氢能发展的政策引导和经费支持，各地级市也不断出台相应的氢能扶持政策，大批氢能产业项目也已建成或建设中。氢能产业链主要涉及制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节。目前制氢、储氢、加氢站等还在发展中，而用氢发展较为成熟的是燃料电池，在汽车领域已得到示范应用。随着燃料电池技术的发展，氢燃料动力船舶也因其高效、无污染、设备运行噪音低等特点，也成为船舶业实现绿色转型的主要技术路线，全国多地已出台相应的氢能政策，推动氢燃料电池在船舶领域的应用。海南省、浙江舟山、青岛等沿海城市均发布了氢能船舶相关的规划与建议，推动了“氢能上船”产业发展的布局。

船用氢燃料电池动力系统主要包括燃料电池系统和动力电池系统、氢燃料储存系统等。（欢迎先关注氢电邦公众号，了解更多干货资讯，需要获取资料麻烦添加qdbang11）氢燃料电池利用氢在电池内进行氧化反应转变为电能，从而带动电动机运转，为船舶提供动力。动力电池系统用于缓冲燃料电池的工作负荷。

2.1 船用燃料电池技术

船用燃料电池主要包括低温和高温聚合物电解质燃料电池(LT/HT-PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池，不同类型的燃料电池的特征如表1所示[2]。LT-PEMFC在过去几十年得到快速发展，技术日趋成熟，正在向产业化、规模化发展，但其传导质子的膜由湿润固体聚合物组成 ，膜润湿的必要性决定了 其65~85 ℃的操作温度，并使水管理变得复杂。而低工作温度也使得对燃料杂质的耐受性有限，特别是一氧化碳(CO)会使催化剂失活[3]。高温 PEM 燃料电池技术能很好地弥补上述不足，具有高功率、高效率、氢气纯度要求低等优势，更适合在船舶上应用，是未来大型船舶应用的发展方向。PAFC 的膜是由液态磷酸饱和的碳化硅基质组成，其较高的工作温度(140~200 ℃)降低了所需的铂载量，并提高了对燃料中 CO 的耐受性。在更高温的燃料电池中(工作温度大于 500 ℃)，铂可以用更廉价的镍等催化剂代替，且 CO 不再是燃料电池的污染物。MCFC 是一种相对成熟的高温燃料电池技术，其工作温度可以达到 650 ℃以上，但存在高成本、耐久性差和低功率密度等不足。SOFC 具有燃料适应性好(氢气、燃气、氨、液化天然气等)、高效率、余热品质高等优势，可与燃汽轮机联合运行，效率可超过 70 %，可作为船舶的辅助动力或者主动力，适用于远距离和需要热电联供的中大型船舶，但目前该技术的成熟度较低，国内刚刚起步，系统功率和关键组件性能与国外还有不小的差距。

2.2 船用储氢技术

船用燃料电池必须首先解决的问题之一是氢的储存技术。目前的氢气存储主要包括超高压气态储氢、液化储氢、金属氢化物储氢和液体有机化合物储氢。相比于其它技术，压缩 H2储存技术更简单、更经济。对于压缩氢气，广泛使用 35~70 MPa的储罐[4]。2020 年，中国船级社(CCS)公布了“船舶氢燃料储存及应用技术”研究结果，对高压气瓶储氢技术在船舶上的应用等技术开展了深入分析，为后续开展船用燃料电池研究奠定了基础。35 MPa 高压储氢瓶技术标准在我国已十分成熟且已经应用于氢燃料电池汽车。（欢迎先关注氢电邦公众号，了解更多干货资讯，需要获取资料麻烦添加qdbang11）在我国部分省市，70 MPa 级高压气瓶正在建设/部分项目已完成建设，即将迈入商业应用阶段。因此对于船舶氢能应用，采用高压气瓶储氢方式是目前一种可行的方案。高能量密度液化储氢和建设更多的码头加氢站是解决船舶面临燃料续航力不足的发展方向，也是未来氢能船舶大规模商业化应用急需解决的技术瓶颈。另外，为了适应船运氢燃料电池的氢供给，建立移动式高压氢或液氢运输船是一个比较好的方案。通过使用大型储罐来适配高速船型，在保证运输经济实用性的前提下，提高运输效率，实现绿色、安全、高效、低成本的运输要求进行多目标优化设计。

船运氢燃料电池的氢商业储存与运输也是制约氢燃料电池在船舶领域产业化应用的瓶颈之一，目前尚未形成较为成熟的技术，是我国突破高压氢或液氢商业运输的核心产业链的较好的时间窗口，需集中行业内的技术资源和技术力量，重点进行攻关，解决我国储氢技术在燃料电池船舶应用领域的技术瓶颈，形成独具我国船舶产业特色的高压氢或液氢商业运输及储存的产业链。

总之，目前船用燃料电池领域的储氢方式较多，在储氢密度、安全性、燃料补给及成本等方面应综合衡量，需要针对不同的船型、排放要求、水域和应用周边的燃料补给保障环境，选择适宜的氢源存储方式，以满足船舶产业领域的要求。

2.3 船用燃料电池相关标准规范

国内外氢燃料电池方面的标准主要以车用燃料电池为主，并已在汽车领域进行应用和验证。目前，船用燃料电池相关标准存在较大缺口，主要参考氢能燃料电池通用类标准，如 IEC、ISO 等国际组织制定的相关标准。欧美日韩等国在大力发展氢能产业链的同时，都在布局氢能标准的制定，并通过国际间的合作将本国氢能相关标准推向国际化。截至目前，它们通过ISO、IEC、及各国国标等发布了涵盖氢能整个产业链的一系列标准，以引领全球氢能产业链的发展。

我国十分重视氢能技术的标准化工作，国家标准委成立了全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309)、全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC342)等机构，组织开展氢能产业链相关技术标准的编制，相继发布了制氢、储氢、加氢站等基础设施标准、燃料电池技术及应用等标准。目前，我国氢燃料电池相关的行业和国家标准已初具规模。现有国内外氢能相关标准有效地指导了氢能技术在汽车领域的应用，对于其在船上的应用虽有较大的借鉴意义。但是海洋工况较为复杂，现有标准并不能直接应用于船舶领域，需要进一步试验研究。目前国内船用氢燃料动力相关标准体系尚处于空白阶段，建立船用氢燃料电池储运、性能测试与评估等相关标准体系弥补行业标准空白迫在眉睫。

目前，氢燃料电池车用技术标准与整车工艺、工程经验已基本完善和初具规模，应用于船舶时可以部分借鉴其成果的经验。但是，我们也应清楚地看到船舶营运条件与车用环境条件各自有其特点，有非常大的不同，存在许多技术障碍还需要突破。如需要更高的氢燃料电池功率，船用燃料电池的功率约为500~1000 kW 左右，有的需要可能更高的电池功率。此种情况下，船用燃料电池不能将多个车用燃料电池简单叠加，对单电池间的配伍性、水热管理系统、散热、防爆设计等进行必要的研究。另外，船舶处于潮湿的海上环境，需要重点考虑高湿、盐雾的海洋环境对燃料电池性能带来的影响，船舶多维态运行场景也对燃料电池系统的安全性提出了更大的挑战。

2003 年起，国际上已开展了船用燃料电池技术研发与船用氢燃料电池系统研究。船用氢燃料电池系统技术作为一种完全零排放解决方案，已在欧洲海运领域逐步推广并初具市场规模。2017 年，比利时公司 Cie. Maritime Belge SA(CMB)完成了全球一艘通过认证的双燃料(柴油和氢能)动力内燃机客船Hydroville 的建造[5]。2018 年，美国公司 Golden Gate ZeroEmission Marine 建 造 美 国 首 艘 氢 气 燃 料 电 池 船 Water-Go-Round 号，该船最高航速达到 22 节，载客数量为 84 名[6]。目前，氢燃料电池动力船舶的主要进展是：2 万吨 TEU 型集装箱船和 8 万吨载重型散货船，可在欧洲、中东、澳大利亚、日本和南美洲的五座主要港口加注液化氢，它们的单程巡航航程，分别为 11500 海里和 7000 海里，主机采用双燃料往复式发动机。虽然，国外许多知名企业在整个氢燃料电池船舶相关的产业链中具有一定的优势，在船用大功率燃料电池系统研发以及应用推广方面处在一定的领先地位，但国内氢能船舶的研究后起奋进，在燃料电池动力系统开发和整船的设计和认证方面已取得实质性的突破，在船用氢燃料电池领域也取得了重大突破。2019 年中国船舶 712 所发布了全国首台 500kW 级船用燃料电池系统，为我国船舶清洁低碳发展提供了新的动力解决方案。2021 年由广东中氢博创产业发展有限公司研发搭载攀业燃料电池电堆的“仙湖 1 号”游船下水。2021 年，大连海事大学牵头制造的中国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号通过试航，该船采用燃料电池和锂电池组成混合动力系统，船型及动力系统接近于国外的对标船型。2022 年 5 月，国内第一艘入级中国船级社的内河氢燃料电池动力船“三峡氢舟 1 号”在广东省中山市正式开工建造，该船搭配 712 所的 500 kW 氢燃料电池和锂电池动力系统，船身总长 49.9 米，型深 3.2 米，设计吃水 1.85 米，最高航速达 28 km/h，续航里程可达 200 公里。

国内在船用氢燃料电池电堆、系统集成、能量管理等方面取得一定的技术突破，目前已经完成了多种船型的电力推进系统的集成工作，包括液化天然气(LNG)船、海上风电安装船、太阳能游船、救援船、散货船、水声测量船、游船、武汉轮渡、挖泥船等。由于燃料电池相对成本较高，功率较小，因此早期多用于低功率船舶或辅助设备，如小型游艇等。

另外，在解决船运氢燃料电池系统大功率燃料电池过程中，还需进一步深入研究氢燃料电池存在的各类反应物和产物、热量与动量等多种传递过程，及与之化学/电化学反应强烈地耦合在一起的运行机理和内部的传热传质过程。建立相关的质量传输稳态/非稳态模型，用于模拟电池的温度分布、各种流动方式对电池性能和操作稳定性的影响，提出船运氢燃料电池系统大功率燃料电池的性能和优化结构建议，提高大功率燃料电池的使用寿命与性能。其次，需要进一步提高氢燃料电池模块的量化可靠性指标，为其设计和选型提供参考。杨敬堡等[7]通过对氢燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统配伍性的研究，在功率、输出电压、电流以及功率波动等方面能够满足设计要求，在续航时间上相比于电池有比较明显的优势，但同时氢染料船舶也面临了一些挑战，例如氢气的储存和加注站的建设、防爆的措施等。

当前全球船用燃料电池的市场容量大约为 160 GW。根据交通运输部水科院的预测，2025 年氢燃料电池动力船舶的改造和新建数量将分别达到 400 艘和 200 艘，市场规模近 200 亿元。展望未来，船用燃料电池系统随着技术的不断革新，成本、安全、寿命等多种因素影响逐步解决，并随着国际上对船舶排放要求的日益严格，势必将氢能船舶推行新的风口，改变现有船用动力系统的格局，在未来的船用应用市场将占据一席之地。因此，我们要及时做好氢燃料动力船舶推广的战略规划和顶层设计，重视水陆协同发展机制，加强通用基础设施等建设。

国内相关部门对船舶设定了一系列减排目标，对电池和燃料电池动力船舶技术推广利用具有较为积极的作用[8]。近年来我国船用氢燃料电池技术已取得明显的进步，但与国外一些先进国家相比仍有一定的差距。为加快我国氢能船舶方面的技术进步和应用推广，建议如下：