彭元亭：氫燃料能否成為新一代船舶主流能源

彭元亭

中國船舶集團首席專家，中國船舶集團第七一二所研究所研究員/博導，享受國務院特殊津貼專家，國家多個部委動力與能源技術領域專家組專家，中船集團專家組專家。工作以來一直從事船舶領域動力電池及燃料電池動力與能源系統研發，主持或完成了多項船舶領域重大科研及產品研制任務，獲省部級科技成果獎12項。

近年來，我國積極推動氫能產業發展，在關鍵核心技術攻關、多場景高效利用、產業健康有序發展等方面加大部署力度。特別是2022年3月份國家發展改革委發布了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035)》，進一步明確了氫能是戰略性新興產業的重點方向，是構建綠色低碳產業體系、打造產業轉型升級的新增長點。那么，未來氫能產業發展趨勢以及技術發展路徑到底是怎么樣的？氫燃料能否成為新一代船舶主流能源？未來氫燃料電池船舶商業化進程又將如何發展？對此，我們特別邀請了中國船舶集團首席專家、中國船舶集團第七一二所研究員彭元亭為我們分享他的獨到見解。

問：近年來，我國氫能產業發展非常迅猛，對此，您如何看待這種發展態勢？

答：氫能產業是國家“雙碳戰略”和能源安全的重要抓手，目前處于商業化導入階段，其成本已大幅下降，產業化程度接近商業化水平。未來氫能產業發展主要聚焦交通和發電領域，風電、水電、光伏、生物質等可再生能源制氫以及核電制氫有廣闊開發前景；大力發展規�；�高密度制儲運氫，例如：固態儲氫、液氫、液氨、甲醇等，規�；�布局大中小型加氫站；燃料電池重卡、工程車、商用車等車輛，船舶以及分布式熱電聯供能源電站將得到優先發展，乘用車緊接跟進規�；瘧�用，形成可再生能源氫儲能、燃料電池氫應用的清潔可持續發展模式。

對于未來氫能產業技術發展，我認為主要有以下三個方面，一是氫能與燃料電池材料及零部件的全國產化，進一步降低成本；二是發展高效規�；�制儲運氫，擴大加氫站布局與規模；三是提升燃料電池發動機/系統可靠性與壽命。

問：七一二所長期聚焦于燃料電池在船舶領域的應用，積累了較全面的高安全性儲氫與燃料電池技術基礎。目前七一二所在氫能產業戰略方面進行了哪些探索和技術研究？未來有哪些戰略布局？氫燃料能否成為新一代船舶主流能源？

答：七一二所在國家部委、地方政府及集團公司等項目支持下，聚焦氫能產業鏈中的“氫能儲存與應用”環節，以“低成本、長壽命”燃料電池動力系統和發電裝置、“高安全、高致密”儲制氫技術的多場景應用為發展目標，圍繞燃料電池堆及核心組件、內河船用燃料電池動力系統、海洋裝備燃料電池動力系統、車用燃料電池發動機、燃料電池電站、儲制氫裝置等六個方向開展技術攻關與業務拓展。近三年來，形成了燃料電池堆、高效高安全儲制氫、智能控制與能量管理、大功率燃料電池系統集成與測試等四類核心技術，具備CNAS“三合一”燃料電池檢驗資質，建設有燃料電池電堆及核心組件、船用燃料電池發動機、燃料電池發電站等產研基地，并與武漢市科技局、洪山區人民政府聯合成立武漢氫能與燃料電池產研院，正在大力推進技術創新、人才培養與引進、成果轉化與市場化工作。結合“綠色珠江”與“綠色長江”工程的推進，以氫燃料電池標準船型為切入點，打造百千瓦至兆瓦級標準化、模塊化、系列化船用燃料電池產品，完善內河與近海船舶應用；以遠洋船舶輔助動力為目標，開展新型燃料電池動力技術攻關，探索主動力應用可行性。

在“雙碳”戰略下，內河在役傳統燃油動力船舶將面臨節能減排改造，新造船已排除傳統燃油動力；燃料電池具有發電高效、高能量密度、低振動噪聲、零排放等特點，新船將是蓄電池、燃料電池等新能源動力為主導。隨著高密度氫能制儲運發展、成本大幅降低、燃料補給站規�；�及燃料電池技術進步等，氫能燃料將會成為新一代內河船舶主流能源，近海及遠洋船舶的輔助能源。

問：據了解，由七一二所作為牽頭單位研發的氫燃料電池和鋰電池動力系統的“三峽氫舟1號”已進入實船建造階段，能否給業界分享一下這方面的經驗？

答：“三峽氫舟1號”是七一二所承擔的國家高技術船舶科研項目-氫燃料動力船舶關鍵技術研究的主要成果。該項目的目標是以突破船用氫燃料電池動力技術為重點，開展氫燃料電池動力船舶技術標準、總體設計技術、燃料電池系統研發、動力系統控制與能量管理技術、船用氫燃料加注、存儲與供氣技術、安全性設計與評估技術和試驗技術研究，開發一型燃料電池主電源總輸出功率500kW以上的氫燃料動力船舶，并在內河開展實船示范應用，推動船舶工業轉型升級，以適應高性能綠色船舶的市場需求。項目最大特點就是全產業鏈零排放，通過三峽水利發電，電解水制氫；然后通過燃料電池將氫氣轉化為電能、熱能和水，為船舶提供動力；實現能源“從水中來，還到水中去”的循環可持續利用。

目前，“三峽氫舟1號”已于2022年5月開建，并已完成燃料電池系統、高壓儲氫瓶組等所有核心部件的中國船級社(CCS)產品認證，計劃2022年年底下水，2023年上半年交付使用。另外，“三峽氫舟1號”配套的氫燃料加注方案采用固定式岸基制氫加氫站為主，撬裝式加氫站為輔的方式。其中，岸基站采用制氫加氫一體站建設模式，在三峽壩區右岸楊家灣碼頭內建設制氫加氫站1座，制氫規模200Nm3/h(PEM電解水制氫)，加氫規模500kg/d，配備專用的加氫機和加氫臂為“三峽氫舟一號”公務船補給氫燃料，建成后也將是國內第一個為船舶服務的加氫站。

從項目立項到示范船建造，“三峽氫舟1號”項目至今歷時三年時間，回想起來，有三個方面感受很深。

一是配合CCS填補國內法規和規范空白，為氫燃料船舶奠定基礎。這艘國內第1條燃料電池船誕生前，存在“先有雞還是先有蛋”的問題，即先有相應法規還是先有承研資質問題。項目立項前，國內尚無氫燃料船舶的法規、規范和檢驗指南，所以項目籌劃階段邀請CCS加入，為本項目的送審、入級、報檢等工作提供規范支持。邊干邊配合CCS開展相應法規、規范、檢驗指南等法規性文件研究并完成其制定，所有上船設備通過型式試驗考核測試取得產品型式認可證書。

二是通過試驗船驗證氫燃料電池上船的適裝性、安全性和補給保障性。在項目實施階段，項目組先期將氫燃料電池發電模塊及縮比系統搭載在我所由1艘客船改造的燃料電池動力試驗船進行試驗，該試驗船可搭載氫燃料電池系統功率140kW，儲能400kWh，為目前國內功率等級最大的氫燃料電池試驗船舶，有效驗證了燃料電池上船的適裝性、安全性和補給保障性，為后續的“三峽氫舟1號”奠定了扎實的技術基礎和運行經驗。

三是示范船由改造方案改為新建方案，降低風險提升示范效益。通過上述試驗船獲得了寶貴的改造燃料電池船舶的經驗，再結合中國海事局和CCS即將正式頒布的法規和規范，發現尺度較小、船齡較長的船舶改造難度較大，存在一定技術與安全風險，示范效果不顯著問題。所以為了更好地保證示范效果，由原來的改造一艘十年船齡的公務船改為新建一艘氫燃料動力公務船。

結合船東和運營方主業，通過氫燃料動力船舶實現共贏。新建示范船船東為長江電力股份有限公司，負責示范船和配套岸基加氫站的建造工作，該項目讓長江電力勇敢邁出了探索氫化長江的第一步，也為未來三峽水電制氫嘗試出路；長江三峽通航管理局通過自身在三峽、葛洲壩水利樞紐水域通航綜合行政管理和樞紐通航建筑物運行公益服務的兩大職能，負責協助示范船建造的具體實施和示范船后期運行維護管理等工作，保障示范船的安全穩定運營，同時利用本身的高規格服務平臺，既可提供高質量的航行體驗，也能增加氫燃料動力船舶的社會示范效應。

問：目前，船舶氫燃料電池領域，在哪些環節還存在著制約因素和限制？或者說挑戰在哪里？該如何應對？

答：“三峽氫舟1號”是國內第一艘氫燃料電池動力新能源高技術船舶，船舶氫燃料電池領域開發與推廣，在一些環節還存在著些制約因素和限制。

一是技術規范和標準體系有待完善。今年，中國海事局法規《氫燃料動力船舶技術與檢驗暫行規則(2022)》、中國船級社(CCS)規范《船舶應用燃料電池發電裝置指南》，以及CCS產品檢驗指南《氫燃料電池》《氫氣瓶》和《重整裝置》的編制和頒布工作相繼完成，這些法規、規范和產品檢驗指南的頒布標志著國內氫燃料動力船舶將正式進入工程化應用階段。但與法規和規范配套的船舶行業標準及營運安全監管等標準體系仍然需要進一步完善，標準仍然空缺。需要配合CCS開展如氫燃料補給、不同燃料電池種類在船舶上應用、燃料電池在不同尺寸和船型上應用等方面的規范研究。

二是壽命和成本離商用化尚有一定距離。對于船用燃料電池系統，其壽命瓶頸在燃料電池電堆、氫氣循環泵等關鍵零部件，要求5萬小時以上；而國內氫空燃料電池電堆的壽命約1萬小時，在關鍵材料穩定性、結構設計以及操作策略等方面仍需加強研究開發。目前符合CCS要求的燃料電池系統成本約1萬/kW；美國能源部測算，以大規模生產(50萬臺/年)為測算條件，燃料電池發動機成本最終目標是30美元/kW。所以燃料電池成本下降空間巨大，需要加快市場化進程，通過國產化、大規模商業化應用降低成本。

三是高效安全的制儲運供氫技術有待提升。隨著燃料電池技術快速進步，儲制氫技術已成為現階段制約燃料電池動力發展的瓶頸，目前的儲氫方式多種，包括高壓氣態儲氫、固態儲氫、液氫、液氨、有機液體儲氫、甲醇等，在儲氫密度、排放、安全性、補給保障性等方面各有特色，需要針對不同的船型、排放要求、水域和應用周邊的燃料補給保障條件決定選用特定氫源，需要進一步開發新型高效高安全性船用儲供氫技術(美國能源部雙7%指標)，以及快速補給技術，以滿足船舶應用各個方面的要求。

四是缺乏配套設施。氫燃料動力船舶需要的配套設施主要包括氫氣制備、氫氣儲運和氫氣加注。其中，氫氣的制備和儲運可利用車用燃料電池產業的配套條件，而船舶加氫站目前國內尚未有應用案例，而且缺乏相關法規和規范的支撐。建議國家、行業專業機構加快研討，出臺相關政策，鼓勵社會資金加入氫燃料電池船舶產業鏈上來，加速配套設施發展。

問：近年來，七一二所圍繞氫能產業戰略與CCS開展過哪些方面的合作？取得了怎樣的成效？

答：近年來，七一二所與CCS的合作是全面且深入的。2019年，中國船舶集團就緊密聯合CCS開展船用燃料電池系統性能、安全性、加儲氫等七個專項研究驗證工作。到2020年底，七一二所和集團其他兄弟單位配合CCS完成了上述七項驗證研究，在此基礎上中國海事局發布了《氫燃料動力船舶技術與檢驗暫行規則(2022)》，CCS還相繼完成了《船舶應用燃料電池發電裝置指南》和《氫燃料電池》《氫氣瓶》《重整裝置》等規范指南的研究編制工作。上述法規、規范和檢驗指南的正式頒布標志著國內氫燃料電池船舶正式進入工程化應用階段。

2021年9月，CCS向七一二所頒發了燃料電池發電系統型式認可證書，標志著其船用燃料電池發電系統處于國內現階段最高水平，可以滿足船舶入級規范的要求，也就是完全取得了船舶市場的投放運營資格，可以隨時接待用戶訂單，向燃料電池在船舶領域的應用邁出關鍵一步，起到了行業示范引領作用。

2022年7月，CCS制定的《船舶應用燃料電池發電裝置指南》2022版正式生效。次日，CCS向七一二所頒發了RMZA-70K型船用燃料電池發電模塊型式認可證書，該型模塊是全國首款符合最新《指南》的船用燃料電池產品，再次確立七一二所在船用燃料電池領域的領先地位。

2022年10月，CCS向七一二所頒發了國內首批系列化的燃料電池發電系統產品認可證書，為國內首艘入級的氫燃料電池船舶“三峽氫舟1號”奠定了基礎。

問：未來希望繼續在哪些領域展開合作？

答：未來，七一二所將繼續密切配合CCS開展PEMFC、SOFC、固態儲氫、液氫、液氨、有機液體儲氫、甲醇、LNG等更多種類型燃料電池和儲供氫裝置的規范和檢驗指南的編制，并開發相應的船用產品，取得CCS認可證書，在公務船、觀光游船、渡輪、游輪、集裝箱船、散貨船等多型實船上開展示范運營與推廣應用，加速氫燃料電池船舶大規模商業化進程，推動船用產品制造業高質量發展。