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燃料電池是高效清潔利用氫能的最佳工具，近年來(lái)該技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)已經(jīng)取得了重大突破。在車用領(lǐng)域，氫燃料電池系統(tǒng)歷經(jīng)10年左右的研發(fā)應(yīng)用，已具備較好技術(shù)基礎(chǔ)與投資環(huán)境。氫燃料電池在船舶上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外均處于研究測(cè)試階段，2003年開始，部分國(guó)家先后開展了部分船用氫燃料電池系統(tǒng)研究測(cè)試項(xiàng)目，積累了一定的船舶應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。相較而言，氫燃料電池上船應(yīng)用在我國(guó)尚無(wú)先例，國(guó)外氫燃料電池在船舶上應(yīng)用的技術(shù)成熟度仍未進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用階段，主要體現(xiàn)在以下方面：
船用儲(chǔ)氫技術(shù)
目前，國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)均處于快速發(fā)展期，但對(duì)于氫能的儲(chǔ)存，特別是高密度儲(chǔ)氫技術(shù)仍不成熟，技術(shù)路線仍呈現(xiàn)出“百家爭(zhēng)鳴”的態(tài)勢(shì)，包含超高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、液體有機(jī)化合物儲(chǔ)氫等多種儲(chǔ)氫技術(shù)路線可供選擇。儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可概括為“低儲(chǔ)氫密度——高儲(chǔ)氫密度”的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段我國(guó)35MPa高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已十分成熟，陸上氫燃料電池汽車多采用35MPa高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，對(duì)于船舶應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也將首先采用35MPa高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫方式。
此外，我國(guó)部分儲(chǔ)氫企業(yè)正在開展70MPa級(jí)高壓氣瓶研發(fā)工作，即將邁入商業(yè)應(yīng)用階段，國(guó)外方面70MPa高壓儲(chǔ)氫技術(shù)已成功商用。但高壓儲(chǔ)氫技術(shù)儲(chǔ)氫密度較低，無(wú)法滿足常規(guī)船舶對(duì)于燃料續(xù)航力的要求，未來(lái)船舶儲(chǔ)氫將向能量密度更高的液化儲(chǔ)氫方向發(fā)展，金屬氫化物儲(chǔ)氫、液體有機(jī)化合物儲(chǔ)氫等其他高能量密度儲(chǔ)氫技術(shù)均是潛在的船用儲(chǔ)氫方式，也是未來(lái)船舶行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用氫能亟需打破的技術(shù)瓶頸。
船用加氫技術(shù)
目前陸上車用加氫設(shè)備已十分成熟，主要采用快速加氫槍，加注時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，加注設(shè)備不應(yīng)簡(jiǎn)單的采用陸用加氫槍，應(yīng)采用更加可靠的加注連接方式，且還應(yīng)考慮船岸之間的緊急切斷的聯(lián)動(dòng)功能，以及緊急脫開的需要。此外，出于氫安全方面的考慮，陸上燃料電池汽車加氫時(shí)，駕駛員通常需要熄火關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并下車。而船舶在碼頭進(jìn)行燃料加注時(shí)一般不允許船舶斷電，因此如何既保證加氫時(shí)燃料電池系統(tǒng)正常工作供電，以及裝卸貨等同步操作(SIMOPs)的需要，又保障氫燃料加注操作的安全性，是亟需解決的問(wèn)題。
船舶氫燃料加注
船用燃料電池
船用燃料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可概括為“小功率——大功率”的發(fā)展趨勢(shì)。燃料電池主要分為以質(zhì)子交換膜(PEM)為代表的低溫燃料電池，以及以熔融碳酸鹽(MCFC)和固體氧化物(SOFC)為代表的高溫燃料電池。PEM燃料電池技術(shù)已十分成熟，行業(yè)正在向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虬l(fā)展，以實(shí)現(xiàn)PEM燃料電池的更低價(jià)格、更長(zhǎng)壽命和更高功率。高溫燃料電池在國(guó)外發(fā)展較為領(lǐng)先，具有一定的船舶測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，但在我國(guó)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，相比于PEM燃料電池，其高功率、高效率、氫氣純度要求低等優(yōu)勢(shì)更適合在船舶上應(yīng)用，是未來(lái)大型船舶的發(fā)展方向。
氫燃料電池車用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工程經(jīng)驗(yàn)日趨完善，船舶應(yīng)用可有所借鑒，但船用環(huán)境條件與車用環(huán)境條件存在較大差異，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)船舶內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)理念，其可行性、可靠性和安全性仍有待評(píng)估。目前適用于船舶主動(dòng)力源的大功率燃料電池技術(shù)還有待驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)船用產(chǎn)品?，F(xiàn)階段，我國(guó)陸上車用工業(yè)領(lǐng)域成熟的產(chǎn)品單模塊最大功率為110kW左右，無(wú)法滿足大型船舶功率需求。且車用燃料電池通風(fēng)環(huán)境較好，對(duì)燃料電池自身的防爆性要求不高，而船用燃料電池一般布置在密閉艙室內(nèi)，需要企業(yè)改變傳統(tǒng)車用設(shè)計(jì)，遵循固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)制造船用燃料電池。
CCS助力水上氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展
針對(duì)上述問(wèn)題與困難，為推動(dòng)氫燃料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，助力水運(yùn)行業(yè)綠色健康發(fā)展，CCS早在2015年就開展了船舶應(yīng)用燃料電池相關(guān)研究工作，重點(diǎn)研究了氫燃料儲(chǔ)存、加注與供氣，燃料電池系統(tǒng)故障模式及后果，供電可靠性，滅火，通風(fēng)及廢氣排放，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，探測(cè)與監(jiān)控等方面?；谘芯砍晒珻CS于2017年發(fā)布了《船舶應(yīng)用替代燃料指南》，其中第2篇燃料電池系統(tǒng)根據(jù)氫燃料電池系統(tǒng)主要構(gòu)成及各系統(tǒng)設(shè)備在船舶上的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了燃料電池船舶布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、燃料儲(chǔ)存、加注輔助系統(tǒng)等方面的安全技術(shù)指標(biāo)。
2018年8月，交通運(yùn)輸部黨組書記楊傳堂會(huì)見時(shí)任中國(guó)船舶集團(tuán)黨組書記、董事長(zhǎng)雷凡培一行時(shí)要求，部屬單位要加強(qiáng)與中船集團(tuán)的戰(zhàn)略合作，提升船舶的綠色化水平。按照交通運(yùn)輸部的部署，CCS積極參加中國(guó)船舶集團(tuán)“綠色珠江”氫燃料電池示范船舶重大科技專項(xiàng)，確定將“內(nèi)河500kW級(jí)氫燃料電池動(dòng)力散貨船”作為氫燃料電池動(dòng)力示范船船型。2019年12月，在第20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間，CCS向中國(guó)船舶集團(tuán)頒發(fā)了我國(guó)首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案的原理認(rèn)可(AiP)證書。該船為2100噸級(jí)定點(diǎn)航線內(nèi)河自卸貨船，采用4x135kW質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為船舶主動(dòng)力源，輔以4x250kWh鋰電池組進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償，同時(shí)船舶載有35MPa高壓氫氣瓶組儲(chǔ)存氫氣燃料，續(xù)航力約為140公里。目前該船的總體技術(shù)設(shè)計(jì)和氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)工作已基本完成，中國(guó)船舶集團(tuán)605院正聯(lián)合中船動(dòng)力院、廣船國(guó)際等單位開展該船的研制工作，未來(lái)計(jì)劃在珠江水域示范運(yùn)營(yíng)。
“綠色珠江”500kW氫燃料電池動(dòng)力示范船
2020年6月，CCS完成了社內(nèi)課題“船舶氫燃料儲(chǔ)存及應(yīng)用技術(shù)”的研究工作。在已有指南基礎(chǔ)上，對(duì)高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫技術(shù)在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)氫燃料加注技術(shù)、船用氫氣管路連接方式、燃料電池處所安全防護(hù)技術(shù)開展了深入分析，解決了陸上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與船舶環(huán)境條件差異性問(wèn)題，提出了相應(yīng)的船用技術(shù)要求，為氫燃料在船舶上的安全應(yīng)用提供技術(shù)支撐。此外，CCS還創(chuàng)新性地研究了液體有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)在船舶上的應(yīng)用技術(shù)，針對(duì)性地提出了船舶儲(chǔ)存、布置、脫氫、材料等方面的技術(shù)要求建議；在IGC液化氫散裝運(yùn)輸臨時(shí)導(dǎo)則的基礎(chǔ)上，結(jié)合陸上液化氫儲(chǔ)罐技術(shù)，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析等研究方式，從材料、液貨艙、管系、壓力釋放系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、消防等方面，提出了船舶儲(chǔ)存液化氫的補(bǔ)充規(guī)定建議，為后續(xù)開展高密度儲(chǔ)氫技術(shù)研究、拓展船舶氫燃料適用面奠定基礎(chǔ)。
現(xiàn)階段，由于國(guó)內(nèi)暫未出臺(tái)氫燃料電池船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則及相應(yīng)的管理辦法，CCS受部海事局委托正在開展氫燃料船舶應(yīng)用技術(shù)的專項(xiàng)研究工作，以及《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)定》編制工作。其中，專項(xiàng)研究課題聚焦業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，涵蓋7大方面的研究?jī)?nèi)容，包括：(1)船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)專項(xiàng)研究驗(yàn)證；(2)船用儲(chǔ)氫和加氫系統(tǒng)專項(xiàng)研究驗(yàn)證；(3)船用氫氣管路連接方式專項(xiàng)研究驗(yàn)證；(4)船用燃料電池及其處所安全防護(hù)專項(xiàng)研究驗(yàn)證；(5)船舶氫燃料加注方式、安全操作規(guī)程和監(jiān)管方式研究；(6)氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析；(7)氫燃料電池動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析。同時(shí)，中國(guó)船舶集團(tuán)712所與CCS也正在聯(lián)合開展“氫燃料電池動(dòng)力船舶”工信部研制項(xiàng)目，為船舶氫燃料的應(yīng)用推廣將提供更大推動(dòng)力。
