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氢能上船面临哪些难题?

北极星氢能网 来源:中国船检  作者:秦傲寒 陈立剑  2021/6/17 10:10:04 我要投稿

北极星氢能网讯:燃料电池是高效清洁利用氢能的最佳工具,近年来该技术在国际范围内已经取得了重大突破。在车用领域,氢燃料电池系统历经10年左右的研发应用,已具备较好技术基础与投资环境。氢燃料电池在船舶上的应用,国内外均处于研究测试阶段,2003年开始,部分国家先后开展了部分船用氢燃料电池系统研究测试项目,积累了一定的船舶应用经验。相较而言,氢燃料电池上船应用在我国尚无先例,国外氢燃料电池在船舶上应用的技术成熟度仍未进入大规模商业应用阶段,主要体现在以下方面:

(来源:微信公众号“中国船检” ID:cssp1999 作者:秦傲寒 陈立剑)

船用储氢技术

目前,国内外氢能产业均处于快速发展期,但对于氢能的储存,特别是高密度储氢技术仍不成熟,技术路线仍呈现出“百家争鸣”的态势,包含超高压气态储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、液体有机化合物储氢等多种储氢技术路线可供选择。储氢技术发展趋势可概括为“低储氢密度——高储氢密度”的发展趋势。现阶段我国35MPa高压储氢瓶技术标准已十分成熟,陆上氢燃料电池汽车多采用35MPa高压储氢技术,对于船舶应用来说,也将首先采用35MPa高压气瓶储氢方式。

此外,我国部分储氢企业正在开展70MPa级高压气瓶研发工作,即将迈入商业应用阶段,国外方面70MPa高压储氢技术已成功商用。但高压储氢技术储氢密度较低,无法满足常规船舶对于燃料续航力的要求,未来船舶储氢将向能量密度更高的液化储氢方向发展,金属氢化物储氢、液体有机化合物储氢等其他高能量密度储氢技术均是潜在的船用储氢方式,也是未来船舶行业大规模应用氢能亟需打破的技术瓶颈。

船用加氢技术

目前陆上车用加氢设备已十分成熟,主要采用快速加氢枪,加注时间一般不超过10分钟。与车用加氢相比,船舶加氢具有加注量大,持续时间长的特点,加注设备不应简单的采用陆用加氢枪,应采用更加可靠的加注连接方式,且还应考虑船岸之间的紧急切断的联动功能,以及紧急脱开的需要。此外,出于氢安全方面的考虑,陆上燃料电池汽车加氢时,驾驶员通常需要熄火关闭发动机并下车。而船舶在码头进行燃料加注时一般不允许船舶断电,因此如何既保证加氢时燃料电池系统正常工作供电,以及装卸货等同步操作(SIMOPs)的需要,又保障氢燃料加注操作的安全性,是亟需解决的问题。

船舶氢燃料加注

船用燃料电池

船用燃料技术发展趋势可概括为“小功率——大功率”的发展趋势。燃料电池主要分为以质子交换膜(PEM)为代表的低温燃料电池,以及以熔融碳酸盐(MCFC)和固体氧化物(SOFC)为代表的高温燃料电池。PEM燃料电池技术已十分成熟,行业正在向产业化、规模化方向发展,以实现PEM燃料电池的更低价格、更长寿命和更高功率。高温燃料电池在国外发展较为领先,具有一定的船舶测试经验,但在我国仍处于实验室研发阶段,相比于PEM燃料电池,其高功率、高效率、氢气纯度要求低等优势更适合在船舶上应用,是未来大型船舶的发展方向。

氢燃料电池车用技术标准与工程经验日趋完善,船舶应用可有所借鉴,但船用环境条件与车用环境条件存在较大差异,氢燃料电池动力系统改变了传统船舶内燃机推进理念,其可行性、可靠性和安全性仍有待评估。目前适用于船舶主动力源的大功率燃料电池技术还有待验证,国内暂无相关船用产品。现阶段,我国陆上车用工业领域成熟的产品单模块最大功率为110kW左右,无法满足大型船舶功率需求。且车用燃料电池通风环境较好,对燃料电池自身的防爆性要求不高,而船用燃料电池一般布置在密闭舱室内,需要企业改变传统车用设计,遵循固定式燃料电池发电系统的设计理念设计制造船用燃料电池。

CCS助力水上氢能产业快速发展

针对上述问题与困难,为推动氢燃料在船舶领域的应用,助力水运行业绿色健康发展,CCS早在2015年就开展了船舶应用燃料电池相关研究工作,重点研究了氢燃料储存、加注与供气,燃料电池系统故障模式及后果,供电可靠性,灭火,通风及废气排放,电力系统稳定性,探测与监控等方面。基于研究成果,CCS于2017年发布了《船舶应用替代燃料指南》,其中第2篇燃料电池系统根据氢燃料电池系统主要构成及各系统设备在船舶上的应用特点,提出了燃料电池船舶布置、系统设计、燃料储存、加注辅助系统等方面的安全技术指标。

2018年8月,交通运输部党组书记杨传堂会见时任中国船舶集团党组书记、董事长雷凡培一行时要求,部属单位要加强与中船集团的战略合作,提升船舶的绿色化水平。按照交通运输部的部署,CCS积极参加中国船舶集团“绿色珠江”氢燃料电池示范船舶重大科技专项,确定将“内河500kW级氢燃料电池动力散货船”作为氢燃料电池动力示范船船型。2019年12月,在第20届中国国际海事展期间,CCS向中国船舶集团颁发了我国首艘氢燃料试点船舶设计方案的原理认可(AiP)证书。该船为2100吨级定点航线内河自卸货船,采用4x135kW质子交换膜氢燃料电池作为船舶主动力源,辅以4x250kWh锂电池组进行调峰补偿,同时船舶载有35MPa高压氢气瓶组储存氢气燃料,续航力约为140公里。目前该船的总体技术设计和氢燃料动力系统原理设计工作已基本完成,中国船舶集团605院正联合中船动力院、广船国际等单位开展该船的研制工作,未来计划在珠江水域示范运营。

2020年6月,CCS完成了社内课题“船舶氢燃料储存及应用技术”的研究工作。在已有指南基础上,对高压气瓶储氢技术在船舶上的应用进行了研究,对氢燃料加注技术、船用氢气管路连接方式、燃料电池处所安全防护技术开展了深入分析,解决了陆上技术标准与船舶环境条件差异性问题,提出了相应的船用技术要求,为氢燃料在船舶上的安全应用提供技术支撑。此外,CCS还创新性地研究了液体有机化合物储氢、金属氢化物储氢技术在船舶上的应用技术,针对性地提出了船舶储存、布置、脱氢、材料等方面的技术要求建议;在IGC液化氢散装运输临时导则的基础上,结合陆上液化氢储罐技术,通过风险分析等研究方式,从材料、液货舱、管系、压力释放系统、安全监控系统、消防等方面,提出了船舶储存液化氢的补充规定建议,为后续开展高密度储氢技术研究、拓展船舶氢燃料适用面奠定基础。

现阶段,由于国内暂未出台氢燃料电池船舶法定检验技术规则及相应的管理办法,CCS受部海事局委托正在开展氢燃料船舶应用技术的专项研究工作,以及《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规定》编制工作。其中,专项研究课题聚焦业界关注的重点,涵盖7大方面的研究内容,包括:(1)船用燃料电池动力系统专项研究验证;(2)船用储氢和加氢系统专项研究验证;(3)船用氢气管路连接方式专项研究验证;(4)船用燃料电池及其处所安全防护专项研究验证;(5)船舶氢燃料加注方式、安全操作规程和监管方式研究;(6)氢燃料电池动力船舶技术标准分析;(7)氢燃料电池动力船舶设计方案风险评估分析。同时,中国船舶集团712所与CCS也正在联合开展“氢燃料电池动力船舶”工信部研制项目,为船舶氢燃料的应用推广将提供更大推动力。

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