氫能上船面臨哪些難題？
來源：中國船檢 2020-12-29
燃料電池是高效清潔利用氫能的最佳工具，近年來該技術在國際范圍內已經取得了重大突破。在車用領域，氫燃料電池系統歷經10年左右的研發應用，已具備較好技術基礎與投資環境。
氫燃料電池在船舶上的應用，國內外均處于研究測試階段，2003年開始，部分國家先后開展了部分船用氫燃料電池系統研究測試項目，積累了一定的船舶應用經驗。相較而言，氫燃料電池上船應用在我國尚無先例，國外氫燃料電池在船舶上應用的技術成熟度仍未進入大規模商業應用階段，主要體現在以下方面：
船用儲氫技術
目前，國內外氫能產業均處于快速發展期，但對于氫能的儲存，特別是高密度儲氫技術仍不成熟，技術路線仍呈現出“百家爭鳴”的態勢，包含超高壓氣態儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫、液體有機化合物儲氫等多種儲氫技術路線可供選擇。
儲氫技術發展趨勢可概括為“低儲氫密度——高儲氫密度”的發展趨勢。現階段我國35MPa高壓儲氫瓶技術標準已十分成熟，陸上氫燃料電池汽車多采用35MPa高壓儲氫技術，對于船舶應用來說，也將首先采用35MPa高壓氣瓶儲氫方式。
此外，我國部分儲氫企業正在開展70MPa級高壓氣瓶研發工作，即將邁入商業應用階段，國外方面70MPa高壓儲氫技術已成功商用。
但高壓儲氫技術儲氫密度較低，無法滿足常規船舶對于燃料續航力的要求，未來船舶儲氫將向能量密度更高的液化儲氫方向發展，金屬氫化物儲氫、液體有機化合物儲氫等其他高能量密度儲氫技術均是潛在的船用儲氫方式，也是未來船舶行業大規模應用氫能亟需打破的技術瓶頸。
船用加氫技術
目前陸上車用加氫設備已十分成熟，主要采用快速加氫槍，加注時間一般不超過10分鐘。與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大，持續時間長的特點，加注設備不應簡單的采用陸用加氫槍，應采用更加可靠的加注連接方式，且還應考慮船岸之間的緊急切斷的聯動功能，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，駕駛員通常需要熄火關閉發動機并下車。而船舶在碼頭進行燃料加注時一般不允許船舶斷電，因此如何既保證加氫時燃料電池系統正常工作供電，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，是亟需解決的問題。
船舶氫燃料加注
船用燃料電池
船用燃料技術發展趨勢可概括為“小功率——大功率”的發展趨勢。燃料電池主要分為以質子交換膜(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燃料電池技術已十分成熟，行業正在向產業化、規模化方向發展，以實現PEM燃料電池的更低價格、更長壽命和更高功率。
高溫燃料電池在國外發展較為領先，具有一定的船舶測試經驗，但在我國仍處于實驗室研發階段，相比于PEM燃料電池，其高功率、高效率、氫氣純度要求低等優勢更適合在船舶上應用，是未來大型船舶的發展方向。
氫燃料電池車用技術標準與工程經驗日趨完善，船舶應用可有所借鑒，但船用環境條件與車用環境條件存在較大差異，氫燃料電池動力系統改變了傳統船舶內燃機推進理念，其可行性、可靠性和安全性仍有待評估。
目前適用于船舶主動力源的大功率燃料電池技術還有待驗證，國內暫無相關船用產品。
現階段，我國陸上車用工業領域成熟的產品單模塊最大功率為110kW左右，無法滿足大型船舶功率需求。且車用燃料電池通風環境較好，對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，需要企業改變傳統車用設計，遵循固定式燃料電池發電系統的設計理念設計制造船用燃料電池。
CCS助力水上氫能產業快速發展
針對上述問題與困難，為推動氫燃料在船舶領域的應用，助力水運行業綠色健康發展，CCS早在2015年就開展了船舶應用燃料電池相關研究工作，重點研究了氫燃料儲存、加注與供氣，燃料電池系統故障模式及后果，供電可靠性，滅火，通風及廢氣排放，電力系統穩定性，探測與監控等方面。
基于研究成果，CCS于2017年發布了《船舶應用替代燃料指南》，其中第2篇燃料電池系統根據氫燃料電池系統主要構成及各系統設備在船舶上的應用特點，提出了燃料電池船舶布置、系統設計、燃料儲存、加注輔助系統等方面的安全技術指標。
2018年8月，交通運輸部黨組書記楊傳堂會見時任中國船舶集團黨組書記、董事長雷凡培一行時要求，部屬單位要加強與中船集團的戰略合作，提升船舶的綠色化水平。按照交通運輸部的部署，CCS積極參加中國船舶集團“綠色珠江”氫燃料電池示范船舶重大科技專項，確定將“內河500kW級氫燃料電池動力散貨船”作為氫燃料電池動力示范船船型。
2019年12月，在第20屆中國國際海事展期間，CCS向中國船舶集團頒發了我國首艘氫燃料試點船舶設計方案的原理認可(AiP)證書。該船為2100噸級定點航線內河自卸貨船，采用4x135kW質子交換膜氫燃料電池作為船舶主動力源，輔以4x250kWh鋰電池組進行調峰補償，同時船舶載有35MPa高壓氫氣瓶組儲存氫氣燃料，續航力約為140公里。
目前該船的總體技術設計和氫燃料動力系統原理設計工作已基本完成，中國船舶集團605院正聯合中船動力院、廣船國際等單位開展該船的研制工作，未來計劃在珠江水域示范運營。
“綠色珠江”500kW氫燃料電池動力示范船
2020年6月，CCS完成了社內課題“船舶氫燃料儲存及應用技術”的研究工作。在已有指南基礎上，對高壓氣瓶儲氫技術在船舶上的應用進行了研究，對氫燃料加注技術、船用氫氣管路連接方式、燃料電池處所安全防護技術開展了深入分析，解決了陸上技術標準與船舶環境條件差異性問題，提出了相應的船用技術要求，為氫燃料在船舶上的安全應用提供技術支撐。
此外，CCS還創新性地研究了液體有機化合物儲氫、金屬氫化物儲氫技術在船舶上的應用技術，針對性地提出了船舶儲存、布置、脫氫、材料等方面的技術要求建議；在IGC液化氫散裝運輸臨時導則的基礎上，結合陸上液化氫儲罐技術，通過風險分析等研究方式，從材料、液貨艙、管系、壓力釋放系統、安全監控系統、消防等方面，提出了船舶儲存液化氫的補充規定建議，為后續開展高密度儲氫技術研究、拓展船舶氫燃料適用面奠定基礎。
現階段，由于國內暫未出臺氫燃料電池船舶法定檢驗技術規則及相應的管理辦法，CCS受部海事局委托正在開展氫燃料船舶應用技術的專項研究工作，以及《氫燃料電池動力船舶技術與檢驗暫行規定》編制工作。
其中，專項研究課題聚焦業界關注的重點，涵蓋7大方面的研究內容，包括：
船用燃料電池動力系統專項研究驗證；
船用儲氫和加氫系統專項研究驗證；
船用氫氣管路連接方式專項研究驗證；
船用燃料電池及其處所安全防護專項研究驗證；
船舶氫燃料加注方式、安全操作規程和監管方式研究；
氫燃料電池動力船舶技術標準分析；
氫燃料電池動力船舶設計方案風險評估分析。
同時，中國船舶集團712所與CCS也正在聯合開展“氫燃料電池動力船舶”工信部研制項目，為船舶氫燃料的應用推廣將提供更大推動力。
