基于對氫能及燃料電池技術(shù)的長期規(guī)劃布局，加拿大巴拉德、瑞典PowerCell、日本松下、韓國斗山等國外知名公司均研發(fā)出燃料電池產(chǎn)品，并在船用大功率燃料電池系統(tǒng)研發(fā)以及應(yīng)用推廣方面處于領(lǐng)先地位。其中，加拿大巴拉德是全球質(zhì)子交換膜燃料電池龍頭企業(yè)。該公司掌握了燃料電池系統(tǒng)、膜電極、雙極板等核心技術(shù)，其燃料電池產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于氫燃料電池車領(lǐng)域。近年來，巴拉德開始布局卡車、火車和海運(yùn)等中重型動力市場，燃料電池產(chǎn)品不斷推陳出新。2020年，巴拉德推出大功率船用氫燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)由200千瓦的基本電池系統(tǒng)模塊組成，這些模塊可以連接成更大功率的電池系統(tǒng)模塊組，滿足船舶大功率應(yīng)用需求。瑞典PowerCell是全球領(lǐng)先的固定和移動式燃料電池電堆和系統(tǒng)開發(fā)制造商。該公司的燃料電池電堆系統(tǒng)緊湊且采用模塊化設(shè)計，在目前燃料電池車市場擁有較高的競爭力。2021年，PowerCell公司推出一款專為船舶設(shè)計的氫燃料電池模塊系系統(tǒng)。該系統(tǒng)中每個模塊的功率為200千瓦，可以通過并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)兆瓦級的功率。除此之外，日本松下、韓國斗山也正在開展大功率船用氫燃料電池項(xiàng)目。

 

總體來看，目前船用氫燃料電池功率不高，僅可作為船舶的輔助動力源而非主動力源。對于萬噸級船舶，其動力功率需求為兆瓦級別，比車用系統(tǒng)千瓦級別需求高很多。在目前單個電池功率有限情況下，需要大量電池單體，考慮到船上空間有限，船用高緊湊型大功率氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)仍有待突破。

 

（二）應(yīng)用方面，歐美日韓已實(shí)現(xiàn)氫燃料電池在小型船舶上的示范推廣，但尚無大型遠(yuǎn)洋船舶的示范案例

 

2003年起，世界主要國家已開始?xì)淙剂想姵卮把芯俊Ｆ渲校瑲W洲在該領(lǐng)域的研究示范最為領(lǐng)先，匯集多個氫燃料船舶項(xiàng)目，日本和美國得益于車用和電站用氫燃料電池技術(shù)優(yōu)勢，船用氫燃料電池產(chǎn)業(yè)正在加速崛起。目前，法國、德國、比利時、日本、韓國等國家已實(shí)現(xiàn)船用氫燃料電池系統(tǒng)試點(diǎn)及應(yīng)用，推出多款氫燃料電池船舶，比較有代表性的是法國“Energy Observer”號、德國“Alsterwasser”號、比利時“Hydroville”號。從表2可以看出，各國推出的氫燃料船舶多數(shù)是由氫燃料電池與柴油機(jī)、蓄電池、太陽能等混合提供動力，單獨(dú)使用氫燃料電池的較少。此外，目前推出的氫燃料電池船舶多數(shù)為客船，燃料電池技術(shù)在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶或其他大型船舶上的示范應(yīng)用幾乎沒有。這是因?yàn)槟壳暗娜剂想姵丶夹g(shù)還尚未達(dá)到大型遠(yuǎn)洋船舶對電池輸出功率、續(xù)航里程以及使用壽命的要求。綜上可以看出，目前氫燃料電池船舶尚處于初期發(fā)展階段，距離大規(guī)模、大范圍應(yīng)用于船舶領(lǐng)域仍有很長的路要走。但不可否認(rèn)的是，這些已建成的氫燃料電池船舶將為后續(xù)氫燃料電池船舶的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

 

（三）標(biāo)準(zhǔn)方面，氫燃料電池船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范比較欠缺，美歐日韓加緊布局該領(lǐng)域

 

氫燃料電池船舶尚處于發(fā)展初期，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較為欠缺。目前，國內(nèi)外氫燃料電池方面的標(biāo)準(zhǔn)主要以車用燃料電池為主，針對船舶的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范只有美國船級社發(fā)布的《船舶與近海燃料電池動力系統(tǒng)應(yīng)用指南》和挪威船級社發(fā)布的《氫燃料船舶手冊》。其中，《船舶與近海燃料電池動力系統(tǒng)應(yīng)用指南》于2019年推出，涵蓋了所有類型的燃料電池，重點(diǎn)是在新建和改造船舶中使用燃料電池系統(tǒng)，同時制定安全原則。《氫燃料船舶手冊》于2021年推出，由歐洲26家機(jī)構(gòu)與公司聯(lián)合制定，旨在為船舶安全使用氫能提供路線圖，將為歐洲未來在國際氫能規(guī)則制訂、氫加注和標(biāo)準(zhǔn)化等方面奠定基礎(chǔ)。

 

可以看出，目前針對氫燃料船舶領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較少且推出時間較晚。隨著“氫能上船”步伐加快，其他國家也開始加緊制定氫燃料電池船舶國際標(biāo)準(zhǔn)。2021年，日本川崎重工、洋馬動力和日本發(fā)動機(jī)公司宣布成立HyEng公司。該公司將致力于開發(fā)船用氫動力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、制定氫燃料供應(yīng)系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則、集成氫燃料供應(yīng)系統(tǒng)、維護(hù)和運(yùn)營氫燃料發(fā)動機(jī)示范設(shè)施等。同年，韓國現(xiàn)代重工與韓國船級社簽署了開發(fā)氫燃料船舶設(shè)計及安全規(guī)范的業(yè)務(wù)合作協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，雙方將開發(fā)制定液氫運(yùn)輸船及氫動力船的韓國及國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以提前應(yīng)對氫能時代的到來。目前，該標(biāo)準(zhǔn)已于2022年底前提交至國際海事組織。未來，隨著美歐日韓對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的深入布局，其在氫燃料電池船舶領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢將愈發(fā)明顯。

 

 

三、氫燃料電池船舶發(fā)展面臨的問題

 

雖然近年來氫燃料電池技術(shù)取得長足進(jìn)步，但其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究與發(fā)展。除上述面臨的電池功率不高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范欠缺方面的挑戰(zhàn)外，還面臨以下挑戰(zhàn)。

 

（一）船用儲氫技術(shù)亟待突破

 

儲氫系統(tǒng)所攜帶的氫氣量決定了氫燃料電池船舶的續(xù)航力。對遠(yuǎn)洋船舶而言，其對儲氫系統(tǒng)的要求更高，需要有更高的氫氣能量密度。目前，氫氣存儲方式主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液化儲氫、金屬氫化物儲氫和液體有機(jī)化合物儲氫。其中，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟，是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的儲氫技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)氫燃料電池船舶商業(yè)化的短期可行方案。現(xiàn)有的氫燃料電池船舶多數(shù)采用高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)，儲氫壓力多為35兆帕。但高壓氣態(tài)儲氫罐的容量較低，為滿足船上用氫需求，所需儲罐數(shù)量多，占據(jù)船舶空間大。例如，35兆帕儲罐壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油的1/10左右，但儲罐所占體積為燃油艙體積的數(shù)倍[3]。此外，目前高壓儲氫罐材質(zhì)以金屬為主，長期與氫氣接觸增加了材料發(fā)生氫脆的風(fēng)險。在氫加注方面，當(dāng)前全球范圍內(nèi)專用于船舶氫氣加注的港口較少，氫加注配套設(shè)施需要進(jìn)一步完善。未來，高能量密度儲氫和建設(shè)更多的港口加氫站是解決氫燃料電池船舶續(xù)航力不足的發(fā)展方向，也是未來氫燃料船舶大規(guī)模應(yīng)用急需解決的技術(shù)瓶頸。

 

（二）燃料電池電堆成本較高

 

電堆是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的核心部件，其成本占?xì)淙剂想姵乜偝杀镜?0%左右。電堆中成本較高的是催化劑和質(zhì)子交換膜，兩者成本占比和高達(dá)50%。其中，鉑是氫燃料電池中必需的催化劑，且其在氫燃料電池催化劑的地位中短期不可替代。由于鉑資源匱乏且價格昂貴，造成電堆成本較高。從目前情況來看，催化劑很難通過大規(guī)模量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本降低，只能通過技術(shù)革新進(jìn)一步降低鉑用量、開發(fā)低鉑甚至無鉑催化劑來降低對貴金屬的依賴，進(jìn)而降低成本。雖然當(dāng)前也有新型催化劑問世，但大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離大規(guī)模應(yīng)用還很遠(yuǎn)。質(zhì)子交換膜被譽(yù)為燃料電池的芯片，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。質(zhì)子交換膜類型諸多，目前商業(yè)應(yīng)用主要以全氟磺酸膜為主。但全氟磺酸膜制備工藝復(fù)雜、工藝周期長、成膜的成本高，這些因素阻礙了其進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。

 

（三）氫燃料電池船舶安全性及管理技術(shù)滯后

 

氫氣易燃、易爆且長期與金屬接觸易發(fā)生氫脆，這些特性是影響其能否在船舶領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)前，雖然氫能在交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用，但氫安全仍是不容忽視的一大問題，尤其是隨著全球范圍內(nèi)儲氫罐泄露、加氫站爆炸事故發(fā)生，更加引發(fā)對“氫能上船”的安全擔(dān)憂。雖然當(dāng)前主要國家成立了專門的機(jī)構(gòu)開展氫安全研究，但是現(xiàn)有的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)僅限于技術(shù)層面與局部的管理范圍，缺少足夠的系統(tǒng)性[4]。此外，由于氫燃料電池船舶仍處于初期發(fā)展階段，與氫安全相關(guān)的船員培訓(xùn)要求、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等配套管理辦法都暫未出臺。

 

四、氫燃料電池船舶前景展望

 

2023年，隨著國際海事組織制定的碳減排初步戰(zhàn)略正式確立為最終戰(zhàn)略，綠色船舶也將迎來快速發(fā)展期。目前，世界主要國家重點(diǎn)圍繞內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等不同方向推進(jìn)船舶動力形式變革，同步開展氫燃料、氨燃料、生物燃料、LNG等不同能源在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究。相比于其他能源方案，氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無污染等特點(diǎn)，且已在車用領(lǐng)域擁有較為豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是船舶實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要方案。雖然氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的探索相較于車用領(lǐng)域滯后，目前只能作為輔助動力系統(tǒng)，其功率密度、經(jīng)濟(jì)性尚不能支撐在大型船舶、遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用。但未來隨著氫燃料電池技術(shù)快速發(fā)展、電池成本降低以及環(huán)保要求逐步提高，其大規(guī)模應(yīng)用于船舶領(lǐng)域前景廣闊。據(jù)德國勞氏船級社預(yù)測，全球范圍內(nèi)船用燃料電池的市場容量大約有160吉瓦[5]。從世界主要國家對氫燃料電池的投資與研發(fā)力度來看，未來其發(fā)展將會更加迅速，有望引領(lǐng)船舶動力系統(tǒng)的換代革命。