近日，我國(guó)首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)在湖北宜昌完成首航。這是國(guó)內(nèi)首艘入級(jí)中國(guó)船級(jí)社氫燃料電池動(dòng)力船，首航成功標(biāo)志著氫燃料電池技術(shù)在內(nèi)河船舶應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破，對(duì)加快內(nèi)河航運(yùn)綠色低碳發(fā)展具有示范意義。

　　目前，氫燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用迎來(lái)巨大機(jī)遇，中國(guó)船舶、國(guó)氫科技、大連物化所等企業(yè)先后主導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了船用燃料電池認(rèn)證、氫燃料電池?zé)o人船試航等項(xiàng)目。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，隨著燃料電池技術(shù)持續(xù)突破和相關(guān)配套設(shè)施不斷完善，國(guó)內(nèi)氫能船舶時(shí)代即將到來(lái)。

　　■■ 船運(yùn)減排突破口

　　近年來(lái)，新能源動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用成為綠色船舶的重要發(fā)展方向。氫燃料電池技術(shù)在船舶上應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)能源高效、零排放和船舶舒適度提升，是綠色船舶的理想動(dòng)力推進(jìn)裝置。據(jù)測(cè)算，“三峽氫舟1”號(hào)相比傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶，每年可替代燃油103.16噸，減少二氧化碳排放343.67噸。

　　根據(jù)國(guó)際海事組織的數(shù)據(jù)，全球航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放量約占世界總排放量的2.5%，航運(yùn)業(yè)污染治理和向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的壓力越來(lái)越大。運(yùn)輸船舶作為污染排放大戶，也加快轉(zhuǎn)型步伐，選擇燃料電池船作為突破口。

　　中國(guó)船級(jí)社武漢分社處長(zhǎng)賈思慶介紹，2018年4月，國(guó)際海事組織通過(guò)全球首個(gè)航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，計(jì)劃到2030年碳排放強(qiáng)度降低40%，到2050年降低70%，碳排放總量降低50%，于本世紀(jì)內(nèi)盡快逐步停止海運(yùn)溫室氣體排放。

　　“我國(guó)航運(yùn)減排總體發(fā)展思路是以清潔能源為核心，以動(dòng)力技術(shù)、能效技術(shù)為輔助措施的綜合減排路徑。”中船第七一二研究所燃料電池事業(yè)部副主任葉東浩指出，相比傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)，氫燃料電池系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、噪聲低、零排放等優(yōu)勢(shì)，契合船舶低碳轉(zhuǎn)型需求。

　　“目前，我國(guó)關(guān)于氫能船舶的規(guī)范法規(guī)已陸續(xù)發(fā)布，包括技術(shù)法規(guī)、船舶應(yīng)用指南、產(chǎn)品檢驗(yàn)指南等，為燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用提供了全面的技術(shù)支持和服務(wù)。”賈思慶說(shuō)。

　　■■ 系統(tǒng)性能要求高

　　值得關(guān)注的是，與氫能車輛相比，氫能船舶面臨不同的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)提出了更高要求。

　　未勢(shì)能源科技有限公司技術(shù)中心燃料電池系統(tǒng)部總監(jiān)崔天宇表示，在功率方面，一般100千瓦-300千瓦級(jí)就可以滿足氫能車輛整車動(dòng)力要求，而根據(jù)不同氫能船舶的規(guī)格，一般在200千瓦-1000千瓦級(jí)才能滿足船舶動(dòng)力要求，兆瓦級(jí)別氫能船舶是未來(lái)發(fā)展方向。

　　“在應(yīng)用場(chǎng)景上，氫能船舶應(yīng)用在高濕、高鹽度的環(huán)境中，相比于車輛，氫能船舶對(duì)燃料電池系統(tǒng)的耐腐蝕性要求更高，同時(shí)要求有更高的安全性和可靠性；另外，氫能船舶的傾斜搖擺角度比氫車要求更高，這要求船舶燃料電池系統(tǒng)能夠在多角度下保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。”崔天宇指出，燃料電池系統(tǒng)的布置需求也不一致。“氫能汽車布置空間有限，要求燃料電池系統(tǒng)有更高的集成度；而氫能船舶布置空間大，對(duì)集成度要求不高，但要求系統(tǒng)布置能夠便于維修和維護(hù)。”

　　為滿足氫能船舶運(yùn)行需求，崔天宇指出，需要設(shè)計(jì)大功率燃料電池系統(tǒng)，并進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)“模塊化組裝”滿足不同船的動(dòng)力要求。“目前，國(guó)內(nèi)船舶全部采用氣態(tài)儲(chǔ)氫方案，存在儲(chǔ)氫量不多的問(wèn)題，不能滿足船舶長(zhǎng)續(xù)航要求，需要開(kāi)發(fā)液態(tài)儲(chǔ)氫方案，提高儲(chǔ)氫系統(tǒng)能量密度。同時(shí)，氫能船舶的安全設(shè)計(jì)也尤為重要，需要進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及自動(dòng)滅火系統(tǒng)等設(shè)計(jì)，保證氫能船舶運(yùn)行安全。”

　　除系統(tǒng)性能外，加氫基礎(chǔ)設(shè)施也需要滿足船舶大量、快速充氫需求。據(jù)了解，“三峽氫舟1”號(hào)能源補(bǔ)給站是國(guó)內(nèi)首個(gè)內(nèi)河碼頭型制氫加氫一體站，利用三峽電站發(fā)出的清潔電能進(jìn)行電解水制氫，直接供給氫能船舶。示范站包括200標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)PEM電解水制氫系統(tǒng)、500公斤/日加氫系統(tǒng)、船用氫氣加注系統(tǒng)、車用氫氣加注系統(tǒng)、8標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)氧氣充裝系統(tǒng)等相應(yīng)配套附屬設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)240公斤/小時(shí)的氫氣安全快速充裝。

　　■■ 多元技術(shù)融合發(fā)展

　　目前，適用于船舶應(yīng)用的燃料電池主要是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，此外，純氫內(nèi)燃機(jī)也有望成為氫能船舶動(dòng)力的重要選擇。

　　崔天宇表示，PEM的理論綜合效率可達(dá)到80%以上，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、工作溫度低、啟停響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但也存在需要貴金屬催化劑、氫氣純度要求高，且儲(chǔ)氫系統(tǒng)能量密度不高等缺點(diǎn)。目前，全球已建成的氫燃料動(dòng)力船舶主要以PEM動(dòng)力船為主，如“三峽氫舟1號(hào)”、“蠡湖號(hào)”等。

　　在SOFC方面，崔天宇認(rèn)為，SOFC具備發(fā)電效率高、壽命長(zhǎng)、燃料選用范圍廣、容易液化和儲(chǔ)存，且能耗更低等優(yōu)勢(shì)，但也存在工作溫度高、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差等缺點(diǎn)。

　　“總體來(lái)看，PEM和SOFC都具有創(chuàng)造長(zhǎng)距離、零排放航運(yùn)的巨大潛力。中短期內(nèi)，PEM將被廣泛應(yīng)用，而從長(zhǎng)期來(lái)看，SOFC將擁有更大應(yīng)用空間。”崔天宇說(shuō)。

　　除燃料電池外，氫內(nèi)燃機(jī)也是未來(lái)低碳、零碳海洋船舶動(dòng)力的主流選擇。“內(nèi)河船舶由于載重噸位相對(duì)較小，對(duì)動(dòng)力裝置推進(jìn)功率與能量的需求沒(méi)有遠(yuǎn)洋船舶高，因此，內(nèi)河船舶適用溫室氣體減排技術(shù)路徑相對(duì)更加多樣化。”葉東浩進(jìn)一步指出，而對(duì)于遠(yuǎn)洋船舶而言，內(nèi)燃機(jī)將成為其低碳轉(zhuǎn)型的主流選擇之一。