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本文介绍了船用氢燃料电池推进技术发展的必要性、国内外现状、问题及技术需求。与国外先进国家相比存在差距: 船用氢燃料电池推进装置的战略与目标亟待确立;氢燃料电池船舶领域法规规范研究不足;船用氢燃料电池推进技术工程化 的部分关键技术有待突破;船用氢燃料电池配套基础设施建设缺乏。最后提出了我国船用氢燃料电池推进技术发展思路与建 议,分析了船用氢燃料电池推进技术的应用前景。
一、前言
船舶是为航运业、海洋开发及国防建设提供技 术装备的综合性产业,对钢铁、石化、纺织、装备 制造、电子信息等重点产业发展和扩大出口具有较 强的带动作用,是国家实施海洋强国和制造强国战略的重要支撑。《中国制造 2025》已将高技术船舶 列为十大重点发展领域之一。
船舶的传统动力推进装置,如柴油机、蒸汽轮 机、燃气轮机等,通过消耗柴油来产生动力,存在 如下主要问题:燃料能量转换效率低(约 35%); 柴油机的振动噪声等级高,极大降低了船舶的舒适度;燃料燃烧产生大量温室气体、氮氧化物、硫氧 化物和颗粒物,造成严重的生态环境污染;化石能 源是非可再生能源,而且现有的化石能源储量有限, 不能支撑人类的持久发展 [1~5]。因此,研究清洁、 高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为 绿色船舶的重要发展方向。
氢燃料电池是 21 世纪绿色动力能源技术制高 点,是一种将自身携带氢燃料与氧化剂中的化学能 经电化学反应直接转化为电能的发电装置,具有能 量转化效率高、能量密度高、振动噪声低和零排放 等优点 [6~8]。此外,氢是可再生能源,可通过太 阳能、风能、水势能、生物能等绿色能源制氢获得。 因此,氢燃料电池推进技术在船舶上应用可实现能 源高效、零排放和船舶舒适度提升,是绿色船舶的 理想动力推进装置,适应绿色船舶市场需求。
二、国外船用氢燃料电池推进技术的应用现状
(一)规划与标准
北美、日本、韩国等先进国家和地区已将船用 氢燃料电池推进技术作为政府重点支持方向,相继 颁布一系列规划与标准,引导并支持氢燃料电池船 舶产业发展。
北美:对氢能的研发始于 1973 年的石油危机, 当时成立了国际氢能协会,并在美国迈阿密海滩召 开了有关该主题的第一界国际会议,美国能源研究 开发署(ERDA)对氢能研究计划加以扶持,作为 对美国政府能源自给不成功计划部分的一种弥补。 2015 年,美国能源局向国会提交了《2015 年美国 燃料电池和氢能技术发展报告》,大力投资发展先 进氢燃料电池技术。2016 年,美国能源部报告称,正联合制定环境、安全、许可等方面的船用氢燃料 电池和加氢站行业规范。
日本:2009 年国土交通省制定的《对于船舶行 业中长期科研计划》中便提到将燃料电池作为船舶 电力推进系统来减少排放。得益于日本燃料电池领 域的技术优势,其在船用领域虽起步晚但发展较快。 2017 年,日本船级社发布液氢运输船安全建造运营 导则,填补了目前海事规则规范在氢燃料动力领域 的空白。
韩国:知识经济部在 2010 年制定的《造船产 业中长期发展战略规划》中便提到将燃料电池等绿 色能源应用到船舶行业中。2015 年,政府推出的 燃料电池船舶项目共投入 160 亿韩元,由韩国船级 社牵头进行相应的研发。韩国的大型船厂与企业如 大宇造船海洋(山东)有限公司、浦项制铁电力公 司(POSCO Power)、三星重工有限公司、System Technology Excellence(STX)造船集团都参加了政 府牵头的船用燃料电池研发项目或自主研发。
(二)示范与应用现状
欧盟、德国、美国、挪威、日本等先进国家 和地区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,进入推广应用阶段。国外主要船用燃料电池 推进技术示范项目如表 1 所示。
欧盟:在 2007 年资助世界上第一个商业客轮 ZEMships 项目,该船采用混合动力推进方式,整 合了两个峰值功率 48 kW 的氢燃料电池和 560 V 的 铅蓄电池,可运送 100 名乘客。
德国:在 2008 年研制出 100 客“Alsterwasser” 号氢燃料电池游船,其采用氢燃料电池动力推进装置作为主推进动力,功率达到 100 kW,最高航速 可达到 14 km/h,目前实现载客共 14 000 余名。
法 国: 在 2017 年建成氢 – 风 – 光动力船 “Energy Observer”号,该船长 30 m,重 20 t,采 用氢燃料电池系统 22 kW。
荷 兰: 在 2009 年建成 100 客“Fuel Cell Boat Amsterdam”用于运河旅游事业,该船配备 60~70 kW 氢燃料电池系统,采用高压氢气提供氢燃 料,能够以 7 节(1 节 =1 n mile/h)航速航行 9 h。
美国:在 2018 年 6 月 25 日宣布,将在海湾地 区建造第一艘氢燃料电池渡轮。该渡轮载客 84 名, 电力推进动力功率是 2×300 kW,长 21 m,铝质船 体,航速为 22 节。
挪威:在 2009 年与瓦锡兰集团、MTU 船级社 合作研制出著名的氢燃料电池海面补给船“Viking Lady”号,该氢燃料电池系统功率为 320 kW,燃 料为液化天然气,是全球第一艘投入运营的氢燃料 电池工程船舶。
日本:在 2015 年下水试航首款氢燃料电池 渔船,该渔船全长 12.5 m,可乘坐 12 人,可搭载 450 L 氢燃料,最高速度可达 37 km/h。
三、我国船用氢燃料电池推进技术的应用现状
氢燃料电池推进技术可作为推进动力和辅助动 力装置,应用于内河、内湖和近海的游船和游艇, 满足该类型船舶对节能减排、绿色环保和提升船舶 舒适度的需求;作为推进动力和辅助动力装置,应 用于科考船,满足该类型船舶对噪声振动及废气排 放的需求;作为辅助动力装置,应用于频繁进出港 口的散货船和客船,满足该类型船舶对降低港口环 境保护的需求。
近年来,车用氢燃料电池技术及其配套设施投 入不断加大,上海汽车集团股份有限公司、上汽大 通汽车有限公司、郑州宇通集团有限公等国内知名 车企先后推出各型号燃料电池作为发动机的新能源 汽车。中国船舶重工集团第七一二研究所通过承担 科学技术部新能源汽车重点专项“快速动态响应燃 料电池发动机研发”,已攻克 30 kW 级物流车用燃 料电池发动机的工程化核心技术。总体而言,在车 用领域,氢燃料电池系统的开发和应用已具备较好 的技术基础与投资环境。相比而言,国内船用氢燃料电池推进技术研究工作刚起步。
国内对船用氢燃料电池推进技术的规范研究工 作主要集中在中国船级社(CCS)。2017 年 12 月, CCS 的《船舶应用替代燃料指南》第 2 篇燃料电池 推进系统中规定了燃料电池船舶的各项设计与检验 要求。 国内对船用氢燃料电池推进技术的工程化研 究工作主要集中在中国船舶重工集团第七一二研究 所,通过承担国家政府科研项目,在舰船和水下装 备领域的氢燃料电池动力系统的技术攻关工作中积 累了丰富的研制经验,在氢燃料电池电堆、氢源技 术、控制与能量管理、系统集成等方面取得关键技 术突破,在船用氢燃料电池推进技术领域处于国内 领先地位,具备较好的技术基础储备。
此外,中国船舶重工集团第七一二研究所在电 力推进系统方面,承担了工业和信息化部“船舶综 合电力推进技术”和“船舶综合电力推进系统工程 化技术研究”项目、科学技术部“船用电力推进系 统”项目等。完成了救援船、液化天然气(LNG)船、 散货船、水声测量船、太阳能游船、苏州环城河游 船、三亚环岛游船、新疆天池游船、武汉轮渡、挖 泥船、海上风电安装船等船舶的电力推进系统集成 工作。目前,正在承担国内首艘 300 客位全电动客 船研制项目,采用高性能锂电池作为全船动力推进 装置,后续将采用氢燃料电池替换锂电池作为全船 动力装置,是国内率先推出的“零排放”“环境友好” 绿色动力客船。
虽然,近年来我国船用氢燃料电池推进技术取 得了长足的进步,但与国外先进国家相比仍存在差 距:①船用氢燃料电池推进装置的战略与目标亟待 确立;②氢燃料电池船舶领域法规规范研究不足; ③船用氢燃料电池推进技术工程化的部分关键技 术(氢燃料电池电堆船用化技术,船用高安全、 高储氢密度氢源技术,船用氢燃料电池系统集成 技术)有待突破;④船用氢燃料电池配套基础设 施建设缺乏。
四、我国船用氢燃料电池推进技术的发展思路与建议
(一)基本思路
按照《中国制造 2025》对高技术船舶在 2025 年实现船舶工业制造强国的要求,围绕氢燃料电池推 进技术在节能、环保、安全、高效船舶推进装置领 域的市场需求和发展趋势,以突破具有自主知识产 权的船用氢燃料电池推进技术工程化为目标,通过 政策引导、关键技术攻关和绿色环保技术应用,实 现船用氢燃料电池推进装置自主化和工程化,加快 推进船舶工业转型升级,以适应高性能绿色船舶在 内河、近海、远洋船舶领域的市场需求。
(二)发展建议
1. 加强统筹规划,建立国家推动机制
明确氢燃料电池船舶的发展思路和技术路线, 制定国家发展氢燃料电池推进装置的战略与目标。 根据战略定位与发展目标制定船用氢燃料电池推进 技术发展政策与统筹规划,建立国家推动机制。引 导行业、企业,科研院所、高校及各地方政府的发 展方向,加强组织管理,实现资源共享,减少资源、 投资的浪费。
2. 加大对关键核心技术的研发力度,提高自主创新能力
加大国家及各级地方政府科研投入,重点加强 对船用氢燃料电池推进技术工程化的关键核心技术 研发:高效率、高可靠和长寿命的氢燃料电池电堆 船用化技术;高安全性、高储氢密度、高存储释放 可逆、补给便捷的船用氢源技术;高紧凑、智能化 的大功率氢燃料电池系统集成技术。此外,在以企 业自主创新为核心的基础上,强化产学研合作,整 合行业的优势技术资源和产业链资源,打造技术一 流的研发团队和技术领军人才,提高自主创新能力。
3. 开展法规规范的符合性研究,建立燃料电池 船舶法规规范
以国家相关规定为准绳,联合国家海事局相关 部门,重点开展储氢设备上船的合规性分析研究、 船用氢源及氢燃料电池推进技术的安全性分析研究 和氢燃料电池船舶风险评估规范研究,逐步建立和 完善氢燃料电池船舶法规规范。
4. 开展示范运行,推广市场应用进程
以生态优先绿色发展为引领,实现内河–近海– 远洋的逐步示范推广。在示范运行中,对装置可靠 性、安全性、环境适应性等进行系统考核,推广自主研发的装置,加快氢燃料存储、补给配套设施建 设。为在全国范围的示范积累经验,尽快推动船用 氢燃料电池推进技术向产业化方向迈进。
5. 开展国际合作,推进我国技术核心竞争力
围绕船用氢燃料电池推进装置技术战略定位 与发展目标,积极开展和各相关国际机构、组织、 企业的合作,积极开展双边或多边国家政府间的 合作。全面提升国际科技合作的质量,增强我国 在船用氢燃料电池推进装置的科技创新能力和核心 竞争力。
参考文献
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