【分享】全球氢能船舶的发展形势

船舶行业每年的碳排放量为11.2亿吨以上，约占世界二氧化碳排放总量的4.5%，并仍处于继续增加的趋势。而减少碳排放是社会发展的基本要求。近几年国家和行业机构出台多个政策以减少船舶行业的碳排放，因此绿色船舶是未来船舶发展的主要方向。
 

燃料电池作为一种清洁、高效、无排放的能量转换设备在绿色船舶的发展中备受重视。三峡决定引入一艘以500kW额定输出功率氢燃料电池为主并辅以磷酸铁锂电池动力的双体交通船，主要用于三峡库区及两坝间交通、库区巡查、应急等工作。未势能源与大连海事大学新能源船舶动力技术研究院签署了战略合作协议，共同开展氢燃料电池动力船舶的技术研究、标准制定、检验检测、产品定型、市场推广等方面的合作。

国内首家专注氢能船艇动力系统公司—ExploMar也在10月份宣布获得了由险峰长青领投的美元基金种子轮融资，并率先启动国内商业化游艇项目，首艘搭载自主研发氢能动力系统的60尺游艇将于明年初投放市场。

多年来，美国、英国、德国、韩国、日本等多个国家一直都将燃料电池作为一种船舶技术储备在不断地发展。如表1所示，早在二十世纪八十年代，质子交换膜燃料电池因为低红外、运行噪音低、无需空气供给（AIP）、运行里程长等优点得到了德国海军的重视，并率先运用于212潜艇，该燃料电池系统由西门子提供，配备由2组120kW的燃料电池模块。美国也在SSFC项目中构造了一个MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）和PEMFC（质子交换膜燃料电池）相结合的燃料重整系统，该系统额定功率有625kW，运用于军舰。

美国推出了世界上第一条燃料电池船用渡轮，系统功率100kW，能够搭乘84名乘客，装载有242kg氢气，能够连续运行两天。欧盟在FELICITAS投资了约800万欧元打造能量利用效率超过60%的高效SOFC系统（综合热效率超过60%），并运用于大型邮轮的辅助动力。近年，日本邮船、川崎重工、日本船级社等5家日本企业将合作进行了日本首个燃料电池商业化船舶项目开发。该项目预计打造一艘150吨级大功率燃料电池船舶，可容纳约1000名乘客，并计划于2024年开始示范运行。

甲醇燃料电池因为功率密度太低，除了日本运用过一次之后，便没有发现其余的项目示范。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是在固体电解质膜研发成功后发展迅速的燃料电池技术，由于其具有良好的动态响应能力、低温运行特性和高功率密度等显著优点，不仅在车用燃料电池领域受到了高度的重视，而且在船用燃料电池领域也得到了广泛的运用。但质子交换膜燃料电池的最佳输出功率范围一般在300kW以下，当输出功率进一步增大时，如运用于远洋航轮，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池便是更好的选择，它们具有更高的运行温度，一般在600-700℃，故而可以提供高品质热量，不仅可以满足远距离航海时乘员的热水需求，还可以结合燃气轮机等做功设备进一步提升燃料的综合利用效率。

目前，氢能主要以两种动力装置应用于船舶：一是应用于传统热机，包括直接应用的纯氢内燃机和间接应用的以氨/甲醇形式储存的内燃机；二是应用于新型动力装置——燃料电池。

氢内燃机

使用氢内燃机作为船舶动力，可大幅减少船用发动机的碳排放。由于对船体结构的改变很小，耐久性高，对氢气纯度要求低，且制造产业链成熟，生产成本低，因此更易实现产业化。

然而由于氢内燃机输出特性偏软，瞬态响应较慢，不适合单独作为船舶的主推进动力，更适合作为船舶电站的发电机组或用于与储能电池匹配的混合动力推进系统。

氢燃料电池

氢燃料电池是一种将燃料化学能经电化学反应直接转化为电能的装置，不受卡诺循环限制，效率可达50%~80%(船用内燃机的热效率仅为40%左右)，振动噪声低，生成物只有水，可真正实现零碳排放。燃料电池按电解质种类可分为五类，其中固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子膜燃料电池(PEMFC)较适合作为船舶动力使用。

由表可知，虽然氢燃料电池动力船舶的初始成本、运营成本、配套设施建设投资均较高，但随着原材料及关键零部件、系统的国产化及规模化效应，其成本会大幅降低。氢燃料电池具有零碳排放、安全性能好和能源利用效率高等特点，从可持续发展的角度来看，无疑是船舶减排的终极方案。

在国内，将氢能燃料电池系统作为船舶动力仍处于探索阶段。目前，我国已有多家燃料电池头部企业、船舶制造企业、院校和科研机构投入到氢燃料电池船舶的研发和制造中，氢燃料电池游艇“蠡湖”号、游船“仙湖1号”（联悦为其提供氢气），高温甲醇燃料电池“嘉鸿01”等纷纷下水航行。

对比国内，欧盟、德国、美国、挪威、日本等国际组织和国家在船用氢燃料电池推进技术领域处于领先地位，已实现船用氢燃料电池动力推进装置的示范及应用，并已进入推广应用阶段。

氢能在船舶动力上的应用趋势要从制氢、储氢和终端应用三个环节分析。如图所示，无论是哪种氢燃料动力船舶，都需要面对氢气的制储运问题。

目前，高压气态储氢技术产业链较为成熟，但由于储氢密度较低，只适合功率小、航程短的游览船和摆渡船，故使用场景有限。大部分船舶功率需求大、航程远，需要采用高密度储氢方式，如以生物质富氢燃料储存重整制氢和液态储氢，尤其是液态储氢更容易做到标准化、统一化管理，是未来船用氢能储存的必然趋势。对此，联悦未来也将在沿海城市布局液氢工厂，积极推进氢能在船舶方面的应用。

在终端应用方面，质子膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和氢/氨内燃机各有优劣势，需要针对不同船型和应用场景配置不同的储氢方式和动力形式。

氢燃料电池既可作为船舶的推进动力，又可用于船舶电源，适用于渡船、供给船、巡逻船、货运船和观光船等船舶。相比于其它能源方案，氢燃料电池具有高效、无污染、噪音低等特点，其优势吸引着世界各国和各大船舶企业的关注。

据克拉克森预测，到2050年，氢燃料船舶占替代能源船舶的比例会达到40%。由此可见，未来氢燃料船舶应用前景广阔。随着世界石油价格的不断上涨和环保要求的提高，以及氢燃料的成本降低，氢燃料电池广泛应用于船舶产业领域指日可待，将引领船舶动力系统的换代革命。

来源：燃料电池与混合动力船舶