挑起氫燃料電池技術重擔

本刊記者 趙 博

日前，由長江三峽通航管理局、中國長江電力股份有限公司、中國船舶重工集團公司第七一二研究所和中國船級社（CCS）共同參與設計建造的氫燃料電池動力船“三峽氫舟1”號通過方案設計審查。這是一艘以氫燃料電池為主動力的雙體船，船長約49.9米，型深3.2米，設計吃水約1.75米，最高航速達28公里/小時，由2臺交流電機驅動2臺全回轉舵槳推進，氫燃料電池額定輸出功率500kw，將獲FC-POWER1、綠色船舶－3、i-ship（M）等附加標志。此次氫燃料電池動力船項目的實施促進了氫能在船應用，是對實現國家“碳達峰、碳中和”發展路徑的積極探索。

電解水制氫是發展重點

研究清潔、高效、可持續發展的新能源動力推進技術已經成為實現船舶綠色化的重要趨勢，而將氫燃料電池技術應用于船舶，則被普遍視為一種有效的解決方案。目前，國外氫能項目不乏用于海工船、汽車滾裝船、超過百人的客船等，并作為發電裝置使用。而現階段，氫燃料動力船對標的主要對象應該是純電池動力船舶。船舶電動化是全球公認的趨勢，氫燃料電池船舶作為路線之一，除具備船舶電動化優勢外，其較高的能量密度和快速補給能量的特性加之船舶本身特質，決定了氫燃料電池船可以行駛得更遠、行得更久，有機會被應用于更長航程的場合。

從技術層面來看，氫燃料電池在船舶領域應用具有三大優勢。第一，燃料電池是真正的清潔能源，使用氫氣作為燃料時，不產生任何有害氣體，即使使用甲烷、甲醇等富氫燃料，也會大幅降低氮氧化物排放，且二氧化碳更易于收集。第二，氫氣的能量密度比鋰電池高，燃料電池動力船舶可在再次加氫前運行更長時間，對于有一定航程需要的經營者來說，氫燃料電池動力系統更實用。第三，氫燃料的加注速度顯著高于鋰電池充電速度，在長航程的應用場合這一優勢尤為突出。

由于氫能在綠色船舶應用領域有著難以替代的優勢和效果，一場氫能船舶革命正蓄勢待發。當前制氫方式主要有四種：化石燃料制氫、工業副產物制氫、電解水制氫、生物質制氫。化石燃料制氫與工業副產物制氫憑借較低的成本占據制氫結構的主體地位。天然氣制氫是我國最主要的制氫來源，占總制氫量48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當大比重，電解水制氫量則占比4%。隨著化石燃料產量下降、可持續發展理念深化，樂觀估計氫能市場在2050年前后將形成以可再生能源為主體、煤制氫+碳捕獲與生物質制氫為補充的多元供氫格局。

電解水制氫是一種環保的制氫手段，其優勢不必贅述。但客觀來講，目前的電解水制氫成本遠高于化石能源制氫，電費占整個水電解制氫生產費用的80%左右。也就是說，過程能耗是左右水電解制氫成本的關鍵。一是降低電解過程中的能耗，這可通過開發質子交換膜電解（PEM）及固體氧化物電解（SOEC）技術實現。堿性電解水制氫雖然是最成熟、產業化程度最廣的制氫技術，但電解效率僅為60%～75%，而質子交換膜電解和固體氧化物電解技術則可有效提高電解效率。二是以低成本的電價作為制氫原料。與其它國家相比，我國工業電價位于中低水平，相對較低的電價為我國發展電解水制氫提供了有利條件。我國正大力推進可再生能源，由大量棄風、棄水產生的棄電是發展電解水制氫的有利條件，而放眼長期，風電和光伏則是電解水制氫企業獲得低成本電力的主要來源，且光伏系統發電成本未來仍有一定的下降空間，與風電、光伏等可再生能源耦合制氫，從而實現氫能大規模生產。

如今，我國支持氫能船舶產業發展的政策和標準正在醞釀，《交通強國建設綱要》明確新能源船舶運輸、氫能基礎建設、城市物流電動化發展，《內河航運發展綱要》則提出探索發展燃料電池動力、純電力船舶，研究推進氫能、風能和太陽能等新能源在行業的應用。

關鍵問題正得到解決

氫燃料電池是將自身攜帶氫燃料與氧化劑中的化學能經電化學反應直接轉化為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高、能量密度高、振動噪聲低和零排放等優點。但不可否認，氫燃料電池未來在船舶上大規模應用還要解決安全、存儲和加注等諸多問題。

氫氣屬于易燃易爆氣體，在空氣中燃燒范圍較寬（4%～75%）、點火能較小（0.017mJ）、火焰速度較快（2.7m/s），法蘭、閥門等處如發生泄漏，與空氣混合形成爆炸混合物，遇到明火、高熱、電氣（靜電）火花等點火源就會引起燃燒爆炸。氫氣燃燒下限低意味著微量泄漏即可帶來火災爆炸風險，點火能量小則為滅火后氫氣發生二次燃燒帶來了隱患，火焰傳播速度快會加劇氫氣火災擴散蔓延的風險，另外當氫氣燃燒時，肉眼在白天幾乎看不見火光、熱輻射小，火災探測較為困難。就氫燃料電池船而言，其重點風險安全區域主要包括高壓氫氣加注站（含充裝接頭、高壓氣相管路、控制閥件及附件等），氫氣瓶間（氫氣瓶組、氫氣管路氮氣系統、通風系統、相關附件等），燃料電池處所（燃料電池模塊、氫氣管路、處所通風系統、相關附件等），鋰電池與機電設備間(鋰電池組，電池管理系統、配電系統、機電設備等)。

CCS圍繞氫燃料電池船舶關鍵技術開展了一系列應用研究和工程實踐，在船舶總體安全設計、儲氫、加氫和用氫等方面取得了大量研究進展，為我國后續氫燃料電池實船建造提供了重要的理論基礎和數據支撐。今年以來，在CCS武漢規范研究所羅肖鋒所長部署下，組建了氫能應用研發團隊，結合燃料電池船舶的實際需求和國際規則最新研究成果，按照安全性、合理性和可操作性的原則，對燃料電池船舶總體設計、布置要求、安全防護和檢驗等方面開展了研究。在對燃料電池船舶相關風險進行評估的基礎上，課題組制定了《船舶應用燃料電池發電裝置指南》，采用與IMO《船舶應用燃料電池發電裝置安全臨時導則》一致的安全原則，為燃料電池船舶的設計、制造與檢驗提供了有效依據，將對此類船舶的安全發展和清潔能源應用具有積極的促進作用。

在2020年已結題的“船舶氫燃料儲存及應用技術”項目中，CCS對氫燃料加注技術、船用氫氣管路連接方式、燃料電池處所安全防護技術開展了深入分析，解決了陸上技術標準與船舶環境條件差異性問題。該項目旨在為船舶儲存及應用氫燃料的環境效益、經濟性、技術成熟度等方面進行研究，目標在于研究掌握不同形式的氫燃料儲存、加注、供給等相關系統檢驗技術，包括船用氫氣管路連接方式和燃料電池處所安全防護技術，在《船舶替代燃料應用指南》（2017版）的相關要求基礎上，形成船舶氫燃料儲運及應用方面的技術建議，對現有指南進行補充完善，拓展CCS對于氫燃料儲運及應用的技術服務能力。

CCS還研究了液體有機化合物儲氫、金屬氫化物儲氫技術的在船應用，有針對性地提出船舶儲存、布置、脫氫、材料等方面的技術要求建議，另結合陸上液化氫儲罐技術，通過風險分析等研究方式，從材料、液貨艙、管系、壓力釋放系統、安全監控系統、消防等方面提出了船舶儲存液化氫的補充規定建議，為后續開展高密度儲氫技術研究、拓展船舶氫燃料適用面奠定基礎。氫氣可儲存在大型液體儲存設施中，但船舶加氫技術尚不成熟。“目前，陸上車用加氫設備主要采用加氫槍，加注時間一般不超過10分鐘。而與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大、持續時間長等特點，因此，加注設備不應簡單的采用陸用加氫槍，應采用更加可靠的加注連接方式，并考慮船岸之間的緊急切斷的聯動功能，以及緊急脫開的需要。”

攻關背后的細致工作

武漢規范研究所開展進行的大量細致工作，則推動了我國氫燃料電池技術可以更早地邁出實驗室，走向產業化。

CCS代表中國參與國際低閃點燃料通訊組技術規則的制定與討論，近幾年的一項重點工作是編寫制定《船舶應用燃料電池發電裝置安全臨時導則》。武漢規范研究所派員參與了此臨時導則的制定工作，目前已經完成大部分核心章節討論，預計在貨物與集裝箱運輸分委會第七次會議（CCC7）上確定大部分內容。研發團隊還將自主研發和編寫的《船舶應用替代燃料指南》中關于燃料電池監控的有關內容作為參考文本進行了提案，目前已被討論組接受并納入到這本國際規則的臨時導則中。

武漢規范研究所還編寫了“船載燃料電池國際海事規范研究”技術報告，系統分析了國內外氫燃料電池動力船舶技術發展現狀和發展環境，結合國際低閃點燃料通訊組對于燃料電池動力船舶領域最新技術發展及標準的討論制定情況，梳理燃料電池動力船舶安全臨時導則在歷時兩年的討論中，對于燃料電池處所設計原則、危險區域劃分、通風要求、惰化要求、防火與滅火、監控和安全等各章節條款的演變過程，進行了詳細整理和論述。

航運能源低碳轉型是一項長期性、復雜性的系統工程，氫燃料電池被認為是零排放解決方案的重點發展方向。圍繞航運能源低碳轉型和氫能應用這一前沿科學問題，武漢規范研究所研究了符合IEC62282-2標準的船用燃料電池發電系統設計安全原則，參與了多個燃料電池樣機臺架試驗與型式認可驗證，制定和完善了產品認可方案，協助完成了多個CCS燃料電池產品認可項目，其中就包括“氫舟1號”氫燃料電池船舶總體方案設計。此外，研究團隊還完成了氫泄漏、擴散災害后果仿真分析，開展氫燃料加注安全及監管專項研究，發表了《燃料電池船舶儲氫處所高壓氫氣泄漏模擬仿真分析》和《氫燃料動力船岸基式加注作業安全性分析及風險控制研究》。“基于這些工作，我們圍繞氫燃料電池船舶關鍵技術開展了一系列應用研究和工程實踐，在船舶總體安全設計、儲氫、加氫和用氫等環節上取得了大量研究進展，攻克了船舶應用氫燃料在總體設計、系統設計、裝備制造、標準研發和風險評估等技術難題，獲得了大量的實測資料。為我國后續氫燃料電池實船建造提供了重要的理論基礎和數據支撐，也為我國氫燃料電池船舶測試與驗證搭建了重要的試驗平臺，標志著我國氫燃料電池船舶關鍵技術領域應用水平邁上了新臺階。”

在法規及監管方面，應關注水上氫氣加注作業風險控制和試驗驗證。“與陸上氫氣加注相比，特別是水上的加注環境條件更復雜（船舶在水上存在相對運動）、水上事故后果影響涉及面廣（對航道通航環境、對水域污染和社會負面影響等）、水上加注發生事故后的應急救援困難。目前，對于氫燃料水上加注設施的設計和建造，國內外都沒有專門技術規范和標準可借鑒，氫燃料水上加注設施及加注作業亦屬新生事物，可參考適用的監管要求分散于各類法規之中，有待梳理整合，針對這一新生事物的監管主體亦不明，需考慮出臺具體的監管要求。”