技经观察丨氢燃料电池在船舶领域的研究现状与应用前景

（四）韩国

近十年来，韩国政府将船用氢燃料电池技术作为重点支持方向，相继推出一系列规划，引导并支持氢燃料电池船舶发展。2013年，韩国政府启动“平昌2018号”燃料电池客船项目，并在三年内为该项目投入160亿韩元。2015年，韩国政府启动“兆瓦级船舶辅助动力燃料电池系统研发”项目，并计划为此投入160亿韩元。该项目由韩国船级社牵头研发，大宇造船、三星重工、STX造船等巨头均参与其中。2019年，韩国政府发布《氢能经济发展路线图》。根据路线图规划，第一期研发课题为“以氢燃料电池为动力的船舶、氢燃料存储和运输所需用的舱罐等主要技术和设备的研发”，该项课题由韩国船级社主导。未来，韩国船级社将分阶段推动氢燃料电池船舶的商用化：在2022年前，建立数百套千瓦级的船用燃料电池系统认证体系并投入使用；在2025年前，为氢燃料运输及兆瓦级船用燃料电池系统构筑起技术基础。

（五）中国

中国氢燃料电池船舶的发展也获得国家层面的政策支持。2020年6月，国家交通运输部颁布《内河航运发展纲要》，明确提出发展燃料电池船舶，并推进氢能在海运业的应用。此外，地方层面也出台相关政策，支持氢燃料电池船舶的推广应用。2019年，佛山市发布《佛山市高明区氢能产业发展规划》，提出要适度推进氢燃料电池船舶的推广示范。2020年7月，广州市发布《广州市氢能产业发展规划》，提出加快探索氢能在船舶、无人机、移动基站等领域的应用。2020年，舟山市发布《加快培育舟山市氢能产业发展的指导意见》，提出以船舶、海洋运输、港口物流等海洋氢能示范应用为特色，探索打造氢能海上供应链。

二、全球氢燃料电池船舶研究现状

（一）技术方面，船用氢燃料电池技术取得一定突破，但其功率目前仅支持作为船舶辅助动力源

基于对氢能及燃料电池技术的长期规划布局，加拿大巴拉德、瑞典PowerCell、日本松下、韩国斗山等国外知名公司均研发出燃料电池产品，并在船用大功率燃料电池系统研发以及应用推广方面处于领先地位。其中，加拿大巴拉德是全球质子交换膜燃料电池龙头企业。该公司掌握了燃料电池系统、膜电极、双极板等核心技术，其燃料电池产品已广泛应用于氢燃料电池车领域。近年来，巴拉德开始布局卡车、火车和海运等中重型动力市场，燃料电池产品不断推陈出新。2020年，巴拉德推出大功率船用氢燃料电池系统。该系统由200千瓦的基本电池系统模块组成，这些模块可以连接成更大功率的电池系统模块组，满足船舶大功率应用需求。瑞典PowerCell是全球领先的固定和移动式燃料电池电堆和系统开发制造商。该公司的燃料电池电堆系统紧凑且采用模块化设计，在目前燃料电池车市场拥有较高的竞争力。2021年，PowerCell公司推出一款专为船舶设计的氢燃料电池模块系系统。该系统中每个模块的功率为200千瓦，可以通过并联方式实现兆瓦级的功率。除此之外，日本松下、韩国斗山也正在开展大功率船用氢燃料电池项目。

总体来看，目前船用氢燃料电池功率不高，仅可作为船舶的辅助动力源而非主动力源。对于万吨级船舶，其动力功率需求为兆瓦级别，比车用系统千瓦级别需求高很多。在目前单个电池功率有限情况下，需要大量电池单体，考虑到船上空间有限，船用高紧凑型大功率氢燃料电池系统集成技术仍有待突破。

表1 国外知名燃料电池公司 [2]

（二）应用方面，欧美日韩已实现氢燃料电池在小型船舶上的示范推广，但尚无大型远洋船舶的示范案例

2003年起，世界主要国家已开始氢燃料电池船舶研究。其中，欧洲在该领域的研究示范最为领先，汇集多个氢燃料船舶项目，日本和美国得益于车用和电站用氢燃料电池技术优势，船用氢燃料电池产业正在加速崛起。目前，法国、德国、比利时、日本、韩国等国家已实现船用氢燃料电池系统试点及应用，推出多款氢燃料电池船舶，比较有代表性的是法国“Energy Observer”号、德国“Alsterwasser”号、比利时“Hydroville”号。从表2可以看出，各国推出的氢燃料船舶多数是由氢燃料电池与柴油机、蓄电池、太阳能等混合提供动力，单独使用氢燃料电池的较少。此外，目前推出的氢燃料电池船舶多数为客船，燃料电池技术在远洋运输船舶或其他大型船舶上的示范应用几乎没有。这是因为目前的燃料电池技术还尚未达到大型远洋船舶对电池输出功率、续航里程以及使用寿命的要求。综上可以看出，目前氢燃料电池船舶尚处于初期发展阶段，距离大规模、大范围应用于船舶领域仍有很长的路要走。但不可否认的是，这些已建成的氢燃料电池船舶将为后续氢燃料电池船舶的发展奠定良好基础。

表2 全球已建成的氢燃料动力船舶 [3]

（三）标准方面，氢燃料电池船舶相关标准规范比较欠缺，美欧日韩加紧布局该领域

氢燃料电池船舶尚处于发展初期，相关标准规范较为欠缺。目前，国内外氢燃料电池方面的标准主要以车用燃料电池为主，针对船舶的标准规范只有美国船级社发布的《船舶与近海燃料电池动力系统应用指南》和挪威船级社发布的《氢燃料船舶手册》。其中，《船舶与近海燃料电池动力系统应用指南》于2019年推出，涵盖了所有类型的燃料电池，重点是在新建和改造船舶中使用燃料电池系统，同时制定安全原则。《氢燃料船舶手册》于2021年推出，由欧洲26家机构与公司联合制定，旨在为船舶安全使用氢能提供路线图，将为欧洲未来在国际氢能规则制订、氢加注和标准化等方面奠定基础。

可以看出，目前针对氢燃料船舶领域的标准规范较少且推出时间较晚。随着“氢能上船”步伐加快，其他国家也开始加紧制定氢燃料电池船舶国际标准。2021年，日本川崎重工、洋马动力和日本发动机公司宣布成立HyEng公司。该公司将致力于开发船用氢动力发动机系统、制定氢燃料供应系统国际标准和规则、集成氢燃料供应系统、维护和运营氢燃料发动机示范设施等。同年，韩国现代重工与韩国船级社签署了开发氢燃料船舶设计及安全规范的业务合作协议。根据协议，双方将开发制定液氢运输船及氢动力船的韩国及国际技术标准，以提前应对氢能时代的到来。目前，该标准已于2022年底前提交至国际海事组织。未来，随着美欧日韩对相关标准的深入布局，其在氢燃料电池船舶领域的竞争优势将愈发明显。

表3 部分与氢燃料电池动力相关的标准 [3]

三、氢燃料电池船舶发展面临的问题

虽然近年来氢燃料电池技术取得长足进步，但其在船舶领域的应用仍有待进一步研究与发展。除上述面临的电池功率不高、标准规范欠缺方面的挑战外，还面临以下挑战。

（一）船用储氢技术亟待突破

储氢系统所携带的氢气量决定了氢燃料电池船舶的续航力。对远洋船舶而言，其对储氢系统的要求更高，需要有更高的氢气能量密度。目前，氢气存储方式主要包括高压气态储氢、低温液化储氢、金属氢化物储氢和液体有机化合物储氢。其中，高压气态储氢技术比较成熟，是当前应用广泛的储氢技术，也是实现氢燃料电池船舶商业化的短期可行方案。现有的氢燃料电池船舶多数采用高压气态储氢技术，储氢压力多为35兆帕。但高压气态储氢罐的容量较低，为满足船上用氢需求，所需储罐数量多，占据船舶空间大。例如，35兆帕储罐压缩氢气的体积能量密度仅为柴油的1/10左右，但储罐所占体积为燃油舱体积的数倍[3]。此外，目前高压储氢罐材质以金属为主，长期与氢气接触增加了材料发生氢脆的风险。在氢加注方面，当前全球范围内专用于船舶氢气加注的港口较少，氢加注配套设施需要进一步完善。未来，高能量密度储氢和建设更多的港口加氢站是解决氢燃料电池船舶续航力不足的发展方向，也是未来氢燃料船舶大规模应用急需解决的技术瓶颈。

（二）燃料电池电堆成本较高

电堆是将化学能转化为电能的核心部件，其成本占氢燃料电池总成本的60%左右。电堆中成本较高的是催化剂和质子交换膜，两者成本占比和高达50%。其中，铂是氢燃料电池中必需的催化剂，且其在氢燃料电池催化剂的地位中短期不可替代。由于铂资源匮乏且价格昂贵，造成电堆成本较高。从目前情况来看，催化剂很难通过大规模量产实现成本降低，只能通过技术革新进一步降低铂用量、开发低铂甚至无铂催化剂来降低对贵金属的依赖，进而降低成本。虽然当前也有新型催化剂问世，但大多处于实验室阶段，距离大规模应用还很远。质子交换膜被誉为燃料电池的芯片，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。质子交换膜类型诸多，目前商业应用主要以全氟磺酸膜为主。但全氟磺酸膜制备工艺复杂、工艺周期长、成膜的成本高，这些因素阻碍了其进一步大规模应用。

（三）氢燃料电池船舶安全性及管理技术滞后

氢气易燃、易爆且长期与金属接触易发生氢脆，这些特性是影响其能否在船舶领域商业化应用的关键因素之一。当前，虽然氢能在交通运输、工业等领域已实现初步应用，但氢安全仍是不容忽视的一大问题，尤其是随着全球范围内储氢罐泄露、加氢站爆炸事故发生，更加引发对“氢能上船”的安全担忧。虽然当前主要国家成立了专门的机构开展氢安全研究，但是现有的规程或标准仅限于技术层面与局部的管理范围，缺少足够的系统性 [4]。此外，由于氢燃料电池船舶仍处于初期发展阶段，与氢安全相关的船员培训要求、操作规程、应急预案等配套管理办法都暂未出台。

四、氢燃料电池船舶前景展望

2023年，随着国际海事组织制定的碳减排初步战略正式确立为最终战略，绿色船舶也将迎来快速发展期。目前，世界主要国家重点围绕内燃机、燃料电池等不同方向推进船舶动力形式变革，同步开展氢燃料、氨燃料、生物燃料、LNG等不同能源在船舶领域的应用研究。相比于其他能源方案，氢燃料电池具有能量转换效率高、零排放、无污染等特点，且已在车用领域拥有较为丰富的应用经验，是船舶实现绿色转型的重要方案。虽然氢燃料电池在船舶领域的探索相较于车用领域滞后，目前只能作为辅助动力系统，其功率密度、经济性尚不能支撑在大型船舶、远洋船舶上的应用。但未来随着氢燃料电池技术快速发展、电池成本降低以及环保要求逐步提高，其大规模应用于船舶领域前景广阔。据德国劳氏船级社预测，全球范围内船用燃料电池的市场容量大约有160吉瓦 [5]。从世界主要国家对氢燃料电池的投资与研发力度来看，未来其发展将会更加迅速，有望引领船舶动力系统的换代革命。

参考文献

[1] 秦阿宁, 孙玉玲, 陈芳等. 基于文献计量的全球氢燃料电池技术竞争态势分析[J]. 科学观察, 2020, 15(02): 1-14.

[3] 徐晓健, 杨瑞, 纪永波等. 氢燃料电池动力船舶关键技术综述[J]. 交通运输工程学报, 2022, 22(04): 47-67.

[5] 钱伟, 易荣, 谢晓峰. 船用燃料电池技术的现状和发展[J]. 广东化工, 2022, 49(23): 114-116.

[10] 彭元亭, 李红享, 王振. 船用燃料电池技术应用现状与发展前景[J]. 船电技术, 2022, 42(06): 41-44.

作者简介

武志星国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究四室

研究方向：海洋和核领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究

联系方式：[email protected]

编辑丨郑实

研究所简介

国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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