来源：中国工程院院刊、燃料电池与混合动力船舶
中国工程院严新平院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第3期发表《我国氢动力船舶创新发展研究》一文。文章梳理了氢动力船舶的发展现状，从氢动力船舶产业链发展态势、协同发展战略布局的视角完成了氢动力船舶产业布局研判；完成了发展氢动力船舶的技术经济可行性分析，覆盖氢和氨燃料、氢燃料电池、氢内燃机、基础设施、总拥有成本等角度；从氢气制取、氢气运输、大容量储氢、安全加氢、燃料电池、氢内燃机、多能源协同控制、氢应用安全等方面系统展开了氢动力船舶产业链关键环节分析。
一·前言
当前，航运业迅猛发展，柴油机动力船舶伴生的能耗与环境问题日益显现，如2020年我国航运业的CO2排放量达到1.2×108t，约占交通运输领域排放量的12.6%。水路交通载运工具绿色化是水运行业的技术前沿和未来趋势，也是航运业实现碳达峰、碳中和（“双碳”）目标的重要举措，发展绿色船舶对促进我国船舶工业转型升级、实施交通强国战略具有重要意义。发达国家积极提出氢能源战略并开展氢能相关产业布局，掌握了氢能和燃料电池相关的核心技术，开展了包括氢动力船舶在内的多项示范项目，正在研制新型氢动力船舶。在我国，应对“双碳”目标牵引，加速布局氢能的交通领域应用；部分企业和机构基于国产化氢能和燃料电池技术进步而相继启动了氢动力船舶研制，但整体处于前期探索阶段；后续需要细化和完善我国氢能领域的顶层设计，为氢动力船舶发展提供科学指引。针对于此，本文在梳理氢动力船舶发展现状并研判相关产业布局态势的基础上，重点开展技术经济可行性与产业链关键环节分析，探讨提出领域目标任务、建设路径，以期为我国氢动力船舶快速优质发展研究提供参考。
二·氢动力船舶发展现状与产业布局研判
氢动力船舶发展现状
1. 氢动力船舶氢及氢基燃料是航运行业碳减排及脱碳的良好解决方案，其应用范围将随着燃料应用技术的成熟、配套设施的完善而逐步扩大。氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，以客船、渡船、内河货船、拖轮等类型为主；海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶研制是当前的国际趋势，潜艇采用氢燃料电池动力系统同样具有良好前景。
在现阶段，氢燃料电池适用于多种内河船舶，可作为小型船舶的主动力，也可作为大型船舶的辅助动力；以质子交换膜燃料电池（PEMFC）类型为主，功率等级相比传统柴油机动力有较大差距。发达国家已成功研制不同类型氢动力船舶并取得示范应用效果，如德国“Alsterwasser”游船、日本燃料电池渔船、法国“Energy Observer”游艇、美国“Water-Go-Round”渡船、韩国“Gold Green Hygen”氢动力旅游船等；后续将深化研究与应用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滚装船，意大利“ZEUS”试验船等（见图1）。除燃料电池外，氢内燃机也是船舶应用氢能的重要途径，如比利时、日本研制的氢内燃机拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企业（如川崎重工业株式会社、洋马株式会社等）积极研制氢内燃机，正在开发中速四冲程发动机、中高速四冲程发动机、低速二冲程发动机。
图1 国内外氢动力船舶的产品情况
我国前期研制了“富原一号”“天翔1号”氢动力实验船（见图1），但船型、功率均较小。随着陆上新能源汽车产业的蓬勃发展，氢能和燃料电池技术快速成熟，为我国氢动力船舶提供了良好的发展机遇。2021年下水的“蠡湖号”游艇、“仙湖1号”游船，燃料电池功率分别为70 kW、30 kW；正在研制中的“绿色珠江号”内河货船、“三峡氢舟1号”公务船，燃料电池功率达到500千瓦级。尽管如此，国内船型与国际先进产品相比仍存有一定差距，同时我国氢动力船舶的系统集成技术尚未完全成熟。2. 燃料电池系统目前，氢动力船舶用燃料电池的单组功率为百千瓦级，装船使用时通常采用多组燃料电池级联而成，如“Alsterwasser”游船配备了2组48 kW PEMFC、214型潜艇配备了2组120 kW PEMFC，“绿色珠江号”内河货船拟配备4组135 kW PEMFC。兆瓦级燃料电池系统作为未来重点发展方向，是实现燃料电池在船舶上广泛应用的基础；“Topeka”滚装船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料电池系统功率分别为3 MW、2 MW；巴拉德动力系统公司研制了200 kW船用燃料电池模块，最多可6组使用，即燃料电池系统功率可扩展至1.2 MW。国产船用燃料电池功率等级与国外产品相比仍存在一定差距。2021年，武汉众宇动力系统科技有限公司取得船用燃料电池产品型式认可证书，相应的TWZFCSZ-80燃料电池装置额定功率为80 kW，正在研制200 kW船用燃料电池系统。
船舶燃料电池系统通常配备一定容量的蓄电池来对燃料电池输出功率进行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄电池，“Water-Go-Round”渡船搭载了100 kW·h蓄电池，荷兰“AQUA”概念游艇的蓄电池容量达到1.5 MW·h。可根据船舶功率需求，结合燃料电池和蓄电池供能特征，构建匹配的系统模型以优化蓄电池配置。
3. 储氢装置现有的氢动力船舶较多采用高压气态储氢方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖号”游艇等；也有少量船舶采用金属氢化物储氢方式，如214型潜艇、“ZEUS”试验船等。鉴于高压气态储氢方式的储氢密度较低、液氢相关技术成熟，发达国家的大型氢动力船舶设计方案多采用低温液态储氢方式，如“Topeka”滚装船、“AQUA”概念游艇等。氢动力船舶的续航里程与船载储氢量密切相关。一般认为受制于船载储氢技术，氢动力船舶仅适用于短距离航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的设计续航时间分别为3d、2d。
氢动力汽车相关的加氢技术快速成熟，为解决氢动力船舶加注问题确定了良好基础。在“Alsterwasser”游船示范运营过程中，德国林德集团在搭建码头加氢站，为氢动力船舶提供持续的氢源供应；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更换的储氢模块，通过“换罐”方式补充氢能，为氢动力船舶的燃料补给提供了新思路。在我国，船用储氢技术目前以高压储氢为主，后续朝着能量密度更高的储氢技术路线方向发展。
氢动力船舶产业链发展态势
船舶产业链包括上游的原材料及配套设施、中游的船舶总装制造、下游的船舶服务等环节。
1. 上游环节船舶上游环节涉及原材料供应、零部件配套等。国外船用燃料电池技术研发活动开展较早，巴拉德动力系统公司、丰田汽车公司等率先推出船用动力系统，在包括氢气设备开发、船体设计与建造、运营管理、氢燃料供应在内的船舶价值链方面具有优势，尤其在船舶大功率燃料电池技术方面保持领先。
我国企业生产的质子交换膜（PEM）性能满足商用需求且具备批量供货能力，形成了自研和批量制备催化剂的能力，推动了膜电极产品的车载批量应用。武汉众宇动力系统科技有限公司自主研制的船用燃料电池系统、中集安瑞科控股有限公司生产的30 MPa船用储氢瓶组已批量出口，都反映了国内氢能与燃料电池行业的良好发展势头。也要清醒认识到，我国船舶相关配套技术水平与世界先进水平仍有不小差距，部分核心配套设备依赖进口的局面有待打破。
2. 中游环节美国、欧盟、日本、韩国的相关航运或燃料电池企业都在积极参与氢动力船舶研发，所开展的示范应用体现出了良好的运营效果。
从综合指标看，我国部分船舶制造企业在规模上已进入世界大型船舶企业集团之列，但在新船型、高端船型的开发与设计方面相比世界一流水平还存在差距。我国氢动力船舶仍处于探索发展阶段，已下水的“蠡湖号”“仙湖1号”船型较小，PEMFC系统输出功率仅为数十千瓦；500千瓦级“绿色珠江号”“三峡氢舟1号”氢动力船舶处于研制阶段，应用示范明显滞后。
3. 下游环节在美国、欧盟，资源型或综合型港口都积极参与氢能港口转型行动，如美国长滩港、洛杉矶港开展了氢燃料电池拖车与物流车的应用试验，西班牙瓦伦西亚港通过H2Ports试点项目来示范应用氢动力正面吊。
着眼“双碳”发展目标，我国港口正在开展氢能应用示范以推进港口绿色化建设。例如，青岛港以打造“中国氢港”为目标，应用了氢动力自动化轨道吊；宁波舟山港穿山港区正在开展“风、光、储、氢”多能源融合示范项目，以风光可再生资源发电、电解水制氢的形式为港区氢负荷（包括氢动力集卡、叉车等）提供稳定氢源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。
氢动力船舶产业链协同发展战略布局
1. 上游环节近年来，欧盟、日本、美国、加拿大等相继发布了氢能发展战略或路线图。我国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确了氢能发展的战略定位。可以看出，发展氢能成为世界各国共识，而交通领域将率先开展氢能普及应用。
在政策引导和支持下，我国氢能及燃料电池产业发展迅猛，截至2021年年底氢燃料电池汽车保有量约为8938辆，后续有望保持快速增长势头。因与氢动力汽车在上游环节未有明显分化，氢动力船舶在发展初期，可采取氢燃料电池相关的基础研究和关键零部件研制仍以车用燃料电池为源头的发展模式，而在应用过程中需及时评估两类产品的差异性。同时，针对船舶功率需求，着重研制大功率燃料电池系统；针对船舶续航里程需求，着重研制大容量储氢装置。
2. 中游环节目前，我国多地相继布局新能源船舶发展，包括纯电池船舶、液化天然气（LNG）船舶、氢动力船舶等类型。为了加快氢动力船舶的示范和推广，氢动力船舶的综合定位及其领域发展顶层设计有待明确和细化。
传统设计与制造相关企业，均可与氢能企业积极开展合作，结合自身优势以拓展氢动力船舶业务。例如，广州船舶及海洋工程设计研究院与中船动力研究院有限公司、广船国际有限公司等联合开展了500千瓦级内河氢燃料电池动力货船的研制工作，已获得中国船级社的原理认可证书。与此同时，船级社也需新增并完善氢动力船舶相关的标准和指南，为氢动力船舶优质发展提供关键支撑。
3. 下游环节氢动力船舶应用必然要经历从示范应用到扩大部署再到商业化应用的发展过程，预计2030年前的氢动力船舶应用率仍较低。目前我国水路交通相关的氢能基础设施基本空白，从发展效率的角度考虑，可借助陆上氢燃料电池汽车快速发展的势头，统筹考虑陆路交通、水路交通的氢能基础设施布局与规划，适度超前开展港口、码头的加氢站建设布局，由此促进氢动力船舶的高效率发展。
利用陆海综合制氢加氢站平台，结合纯氢管网，力争同步解决港口氢动力船舶涉及的加氢站加氢量大、占用港口土地面积、影响港口正常作业三大应用难题。基于氢能的物流与工业能源解决方案，在解决港口物流、装卸设备、航运应用等问题之外，宜进一步发挥潜在优势，提前筹划与内部港口岸电、近海风力发电、内陆陆上交通体系的协同发展。
三·发展氢动力船舶的技术经济可行性
氢和氨燃料
制氢技术分为化石能源制氢、工业副产制氢、电解水制氢等。化石能源制氢尽管将过渡到可再生能源电解水制氢，但在一定时间内仍占重要地位。利用可再生能源实现低成本、高效率制氢是未来大规模制氢的发展方向，也是各国氢能领域支持的重点方面。现阶段绿氢成本依然偏高（约为32.2元/kg），其中可再生能源电力、电解槽的成本占比达到90%，因此控制绿氢成本关键在于降低可再生能源电价与电解槽成本。未来通过降低可再生能源发电成本、提升电解槽技术水平、以规模化应用促进成本下降，我国绿氢成本有望在2030年、2040年、2050年分别降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，这就为氢动力船舶的规模化应用逐步提供了经济可行性。
氨燃料是另一种具有应用前景的零碳燃料，还可作为储氢载体，其能量密度较高、生产成本低、易于储存和运输、产业基础完善，在船舶应用方面具有优势。我国合成氨技术和产业成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本较低（约4000元/t）。《中国能源体系碳中和路线图》预测，在“双碳”目标背景下，我国氨产量将由2020年的5.4×107t增加至2060年的8×107t，且2060年有2/3的氨燃料应用于航运行业，至少满足水运行业40%的能源需求。可再生能源电解水制氢再合成氨的成本较高，因而降低可再生能源制氢的成本是控制绿氨生产成本的关键，预计2020—2060年我国可再生能源电解水制氢再合成氨的成本将下降70%以上。
氢燃料电池
2010年以来，氢燃料电池成本降低了约60%。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》提出的目标，燃料电池系统的成本将从2019年的8000元/kW下降到2025年的4000元/kW、2035年的800元/kW、2050年的300元/kW；假定船舶燃料电池系统的功率为500 kW，则2050年单船燃料电池系统成本可控制在15万元左右。
随着我国氢能产业的蓬勃发展，国产燃料电池的电堆功率、最低启动温度、寿命等指标均得以大幅改善，自主化程度也在不断提升。燃料电池电堆成本约占燃料电池系统成本的65%，电堆成本仍有下降空间，中长期的降幅可达85%。我国企业积极布局双极板、膜电极、空气压缩机、氢气循环泵等燃料电池关键零部件研制，如上海捷氢科技股份有限公司生产的燃料电池电堆，58个核心一级零部件全部实现国产化，采用新型贵金属涂层的金属双极板和优化结构进一步提升了燃料电池效率并降低了制造成本。2020年，燃料电池电堆的成本出现了明显下降势头（3000元~4000元/kW），甚至部分产品报价下降至2000元/kW。尽管如此，氢燃料电池电堆及系统的可靠性、耐久性是商业化应用的关键，仍待持续优化提升。
氢内燃机
现有氢内燃机的有效热效率为35%~45%，而PEMFC系统的效率为50%~60%；虽然氢内燃机的效率偏低，但功率可以达到高值（目前可达到兆瓦级），已用于拖船和渡船。在成本方面，氢内燃机明显低于PEMFC系统，以100kW发电装置为例，基于当前技术的氢内燃机成本仅为PEMFC系统的50%。可以预判，随着船舶储氢技术的发展、氢能基础设施的完善，氢内燃机在船舶上可取得广泛应用。
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