國際海事組織(IMO)公布的數(shù)據(jù)顯示：船舶行業(yè)每年的碳排放量約為10.76億噸，占世界二氧化碳排放總量的2.89%，并呈繼續(xù)增加的趨勢。在IMO 2020限硫令和“雙碳”目標(biāo)背景下，船舶行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型迫在眉睫。氫燃料被業(yè)界看作是“零碳排放”的高清潔能源，其在這一場脫碳的革命中將起到重要作用，因此氫能船舶也成為了船舶業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要選擇。那么什么是氫能船？氫能船有哪些種類？氫能船發(fā)展到現(xiàn)在到了什么階段？

一

氫能船的定義氫能船作為一種新興的船舶動力技術(shù)，以其高效、環(huán)保、低噪音等優(yōu)點，正逐漸成為未來船舶動力技術(shù)發(fā)展的重要方向。氫能船是一種利用氫能源作為主要動力源的船舶。氫能船是利用氫氣在陽極處被分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，而電子則通過外部電路形成電流，最終與氧氣結(jié)合生成水。這個過程不僅高效，而且清潔，因為整個過程中沒有燃燒，也沒有溫室氣體排放。氫能船主要有兩種類型：一是應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，包括純氫內(nèi)燃機或與氨/甲醇等燃料一起使用的混燒型內(nèi)燃機；二是應(yīng)用于新型動力裝置--燃料電池。使用氫內(nèi)燃機作為船舶動力，具有對船體結(jié)構(gòu)改變小、耐久性高、對氫氣純度要求低、產(chǎn)成本低、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點，但其受到卡諾循環(huán)的限制，熱效率相對燃料電池較低，且氫內(nèi)燃機會產(chǎn)生氮氧化物等排放。相較之下，氫燃料電池船具有能量轉(zhuǎn)換效率高、振動噪音低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢，其效率可達(dá)50%到80%之間，排放產(chǎn)物只有水，因此目前在船用領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。多年來，美國、英國、德國、韓國、日本等多個國家一直都將燃料電池作為一種船舶技術(shù)儲備在不斷地發(fā)展。

二

氫能船的系統(tǒng)構(gòu)成

氫能船的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括以下幾個核心部分：

（一）燃料電池系統(tǒng)：

燃料電池系統(tǒng)是氫能船的主要動力來源，通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。該系統(tǒng)包括燃料電池堆、氫氣/氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、氫氣/氧氣循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等。

（二）配電系統(tǒng)：

配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)對氫燃料電池及磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行管理，并將電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓，供船舶其他負(fù)載使用。主要技術(shù)路線包括直流配電系統(tǒng)和交流配電系統(tǒng)，其中交流配電系統(tǒng)技術(shù)相對成熟且簡單可靠。

（三）能量管理系統(tǒng)（EMS）：

EMS用于控制和管理本船的電網(wǎng)，監(jiān)控燃料電池和電池組的運行，協(xié)調(diào)工作，自動管理燃料電池、鋰電池的運行和電能的分配。EMS的功能包括EMS模式選擇、氫燃料電池自動運行、電池組自動管理、輸配電監(jiān)控保護(hù)、配電開關(guān)監(jiān)控、HMI監(jiān)測、氫燃料電池和動力電池組并網(wǎng)、重載問詢、充電模式、系統(tǒng)冗余、數(shù)據(jù)同步、系統(tǒng)自檢及通信等。

（四）推進(jìn)系統(tǒng)：

推進(jìn)系統(tǒng)包括主推進(jìn)控制系統(tǒng)，主要功能有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)舵控制、變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)備起停、變頻驅(qū)動系統(tǒng)信號采集、變頻驅(qū)動系統(tǒng)信號顯示及復(fù)位、變頻驅(qū)動系統(tǒng)安全保護(hù)、越控、控制站點切換、駕控室點動操作、聯(lián)鎖控制、急停及非隨動控制等。

（五）負(fù)載系統(tǒng)：

負(fù)載系統(tǒng)為船舶日用負(fù)載供電，通常采用空冷的冷卻方式。負(fù)載系統(tǒng)通常為交流電，通過逆變電源模塊和隔離變壓器與直流配電系統(tǒng)連接。負(fù)載電制通常為220V或380V，其中220V通常用于船艇的照明等功率相對較小的日用電，380V通常用于電機、泵及馬達(dá)等功率稍大設(shè)備的日用電。

這些系統(tǒng)共同構(gòu)成了氫能船的動力系統(tǒng)，使其能夠在海上環(huán)境中高效、環(huán)保地運行。

三

氫能船的種類氫能船作為一種新興的船舶類型，其類別多樣，涵蓋了不同的應(yīng)用場景和技術(shù)特點。以下是幾種主要的氫能船類別：氫燃料電池動力船這類船舶主要采用氫燃料電池作為動力源，通過氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動船舶運行。例如，“蠡湖未來”號是中國首艘入級CCS的氫動力海船，采用了金屬堆燃料電池系統(tǒng)。

“蠡湖未來”號入水儀式 圖片來源：遼寧造船工程學(xué)會

商用氫燃料電池動力游覽船這種類型的船舶主要用于旅游觀光，搭載乘客在特定水域內(nèi)航行。例如，“西海新源1號”是國內(nèi)首艘商用氫燃料電池動力游覽船，采用了國電投氫燃料電池和鋰電池組雙動力系統(tǒng)的推進(jìn)方案。

西海新源1號 圖片來源：中國科技網(wǎng)

氫燃料電池動力工作船這類船舶主要用于商業(yè)和工業(yè)用途，如交通、巡視、應(yīng)急工作等。例如，“三峽氫舟1號”是中國第一艘CCS認(rèn)證的500千瓦氫燃料電池動力工作船，用于三峽庫區(qū)的交通、巡視、應(yīng)急工作等。

三峽氫舟1號 圖片來源：三峽集團(tuán)

2009年，挪威海工船東Eidesvik Offshore制造的第一艘海洋工程供應(yīng)船正式交付，該船以LNG為主要燃料，配備有330kW的燃料電池系統(tǒng)，是全球首艘安裝燃料電池作為部分推進(jìn)系統(tǒng)的商船，截止2012年，該船已連續(xù)運行26280小時，成為了世界上最環(huán)保的船舶之一。液化氫運輸船液化氫運輸船專門用于運輸液態(tài)氫氣，適用于大規(guī)模氫氣跨境運輸。例如，中國船舶集團(tuán)有限公司旗下第七〇八研究所發(fā)布的180000立方米級液化氫運輸船是目前全球最大艙容的液化氫運輸船。

180000立方米級液化氫運輸船 圖片來源：浦東發(fā)布

風(fēng)能+氫能混合動力船這種船舶結(jié)合了風(fēng)能和氫能兩種清潔能源，利用風(fēng)力推動水下渦輪機產(chǎn)生電力，并通過電解水的方式制造氫氣，儲存起來供風(fēng)力較弱時使用。例如，日本的商船三井公司展示了一種“零排放船舶”，利用風(fēng)能和氫能相結(jié)合的方式提供動力。

日本零排放船 圖片來源：日本共同社

氫燃料電池推進(jìn)船這類船舶采用氫燃料電池作為主要動力源，通常還會配備其他輔助動力系統(tǒng)。例如，Vinssen公司宣布即將啟動氫燃料電池推進(jìn)船的燃料和運營項目，該項目已經(jīng)獲得韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部的批準(zhǔn)。氫動力渡輪氫動力渡輪主要用于短途客運，如城市間的渡輪服務(wù)。例如，挪威的“MF Hydra”號渡輪已經(jīng)在Hjelmeland、Skipavik和Nesvik三角航線上提供服務(wù)，能夠裝載80輛汽車。

挪威的“MF Hydra”號渡輪 來源：上海氫威機械這些氫能船的類別展示了氫能技術(shù)在船舶領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用，從觀光旅游到商業(yè)運輸，再到科研實驗，氫能船正逐步成為實現(xiàn)航運業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要力量。

四

氫能船的優(yōu)點氫能船作為一種新興的綠色交通工具，具有許多顯著的優(yōu)點，這些優(yōu)點使其在未來的船舶領(lǐng)域中具有巨大的潛力。以下是氫能船的主要優(yōu)點：環(huán)保友好無污染排放：氫能船使用氫氣作為燃料，通過與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生動力，其唯一的副產(chǎn)品是水蒸氣，不會產(chǎn)生有害的廢氣排放1。這使得氫能船在減少空氣污染和改善環(huán)境質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢。零碳排放：與傳統(tǒng)的燃油動力船舶相比，氫能船可以實現(xiàn)真正的零碳排放。這對于應(yīng)對全球氣候變化和實現(xiàn)碳中和目標(biāo)至關(guān)重要。高效能高能量密度：氫氣的能量密度高，可以提供更高的能量輸出，從而提高船舶的航行效率。高效轉(zhuǎn)化：氫燃料電池是一種將燃料化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，不受卡諾循環(huán)限制，效率可達(dá)50%~80%，遠(yuǎn)高于船用內(nèi)燃機的熱效率（約為40%）?？稍偕钥稍偕Y源：氫氣可以通過電解水的方式制備，而水是地球上最豐富的資源之一。因此，氫能是一種可再生的能源，有助于實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。安全性無毒無害：氫氣是一種無毒物質(zhì)，對人體健康和環(huán)境都沒有危害。這使得它在某些不允許使用其他形式燃料的地方也可以使用。多樣化的應(yīng)用場景適用于不同類型的船舶：氫能船不僅適用于小型游艇和游船，還可以應(yīng)用于大型貨船和客船。這表明氫能技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

五

氫能船存在的問題船用替代燃料應(yīng)用技術(shù)已成為船舶去碳化的一個關(guān)鍵點。由于特性各異，不同燃料被用作船舶動力時，其生產(chǎn)、儲存、運輸條件和應(yīng)用瓶頸都會有所不同，以其作為船舶燃料的動力技術(shù)創(chuàng)新也會面臨不同的問題。目前，氫燃料電池在船舶上應(yīng)用還存在以下主要問題：

高成本制約了氫燃料動力船舶的快速發(fā)展氫燃料動力船舶雖然市場需求大，應(yīng)用前景光明，但大規(guī)模推廣還面臨著不少障礙，成本較高就是其中一個無法回避的問題。電動船舶的制造成本是同類內(nèi)燃機船舶的 2?4 倍，建造加氫站還需要大量的前期投入。船東雖然在環(huán)保高壓下有新建或改造船舶的內(nèi)在動力，卻無力承擔(dān)高昂成本的外在壓力。國家和政府必須進(jìn)行合理的布局與規(guī)劃，再加以必要的政策扶持，以促進(jìn)氫燃料動力船舶產(chǎn)業(yè)快速、健康發(fā)展。

船用氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚需進(jìn)一步完善2021年9月，IMO貨物和集裝箱運輸小組委員會（CCC 7）通過了《燃料電池船舶臨時導(dǎo)則》草案，但尚需進(jìn)一步修訂和驗證，這也是國際上唯一針對氫燃料電池船舶安全的指導(dǎo)性草案；中國船級社于2017年（CCS）頒布了《船舶應(yīng)用替代燃料指南》，并于2021年開展了《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》課題研究，對氫燃料電池的使用做出了指導(dǎo)和規(guī)定；2021年7月13日，中華人民共和國海事局發(fā)布了《氫燃料動力船舶技術(shù)與檢驗暫行規(guī)則（征求意見稿）》，并計劃于近期發(fā)布實施。但縱觀國際和國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范存在諸多不完善之處，如對船用燃料電池作為主電源以及船用產(chǎn)品取證等相關(guān)要求尚不明確，且缺少針對船用氫燃料電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，亟需通過項目專項研究，完善設(shè)計、制造及檢驗的技術(shù)要求，以進(jìn)一步完善氫燃料動力船舶的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。

船用氫燃料電池技術(shù)研究不足我國船用氫燃料電池的相關(guān)研究主要集中在高校與部分科研院所，缺少工程化應(yīng)用研究。目前，燃料電池模塊和燃料電池動力系統(tǒng)主要為車用產(chǎn)品，而船舶與車輛在工作環(huán)境以及作業(yè)工況要求方面存在巨大區(qū)別，尤其在安全性上，亟需開展船用燃料電池系統(tǒng)研究工作，以推進(jìn)氫燃料船舶工程應(yīng)用進(jìn)程。

船用氫氣存儲及加注技術(shù)亟待突破船用氫氣存儲和加注是制約氫燃料電池發(fā)展的主要瓶頸之一。目前，氫氣存儲和加注技術(shù)已在車用燃料電池領(lǐng)域初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但船舶有續(xù)航力長、氫氣耗量大、環(huán)境因素復(fù)雜、安全要求高等特點，船用氫氣存儲和加注技術(shù)應(yīng)用尚不成熟。此外，由于燃料補給限制條件多，加注設(shè)施選址困難、審批難度大等問題亟待突破。氫燃料電池動力船舶安全性及管理技術(shù)滯后氫燃料電池動力系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)船舶內(nèi)燃機推進(jìn)理念，其可行性、可靠性和安全性有待進(jìn)一步驗證。氫氣具有易燃易爆的特點，氫燃料上船會給船舶安全管理、船員培訓(xùn)、應(yīng)急防護(hù)處理和危險品監(jiān)管等海事業(yè)務(wù)帶來較大影響。目前與之相關(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。為推進(jìn)零排放的燃料電池在我國船舶上的商業(yè)應(yīng)用，彌補我國燃料電池船舶應(yīng)用領(lǐng)域的空白，需要對氫燃料電池動力船舶的管理技術(shù)進(jìn)行研究，共同推進(jìn)綠色航運的發(fā)展。

六

氫能船舶應(yīng)用前景國際海事組織(IMO)公布的數(shù)據(jù)顯示：船舶行業(yè)每年的碳排放量約為 10.76億噸，占世界二氧化碳排放總量的 2.89%，并呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢。在“雙碳”目標(biāo)指引下，內(nèi)河在役的傳統(tǒng)燃油動力船舶將面臨節(jié)能減排改造的難關(guān)，而新造船基本已排除傳統(tǒng)燃油動力這一選項，蓄電池、燃料電池等新能源動力成為主導(dǎo)。潛在發(fā)展新能源路線中，純電船舶大部分在2013年投入使用，比氫燃料電池船舶先一步出發(fā)，但同電動汽車的發(fā)展類似，電動船舶若要正常運營還需建設(shè)完備的充電基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)有的在岸充電基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋面和數(shù)量都有限，同時還存在容量不足、電制不同、設(shè)備兼容性差、充電速度慢等一系列問題。氫燃料電池船舶也是路線之一，除具備船舶電動化優(yōu)勢外，其較高的能量密度和快速補給能量的特性加之船舶本身特質(zhì)，決定了氫燃料電池船可以行駛得更遠(yuǎn)、行得更久，有機會被應(yīng)用于更長航程的場合。根據(jù)交通運輸部水科院的數(shù)據(jù)和專家預(yù)計，2025年氫燃料電池系統(tǒng)改造船數(shù)量和新建氫燃料電池船舶數(shù)量分別約 400艘和 200艘，氫燃料電池系統(tǒng)市場規(guī)模將達(dá)到 200億元。

七

氫能船相關(guān)企業(yè)隨著船舶航運低碳發(fā)展速度的加快，具備高能效、零碳排優(yōu)勢的氫能，作為綠色船用燃料，確實是綠色船舶的理想動力推進(jìn)裝置。目前，國內(nèi)已有不少氫燃料電池企業(yè)已將船舶作為重要應(yīng)用場景之一在展開深度挖掘。 

中船712所

去年10月11日，國內(nèi)首艘入級中國船級（CCS）、搭載中國船舶712所自主開發(fā)的500千瓦氫燃料動力系統(tǒng)的“三峽氫舟1”號示范船正式在湖北宜昌三峽游客中心（九碼頭）完成首航。今年，其成功簽訂青島港7000馬力氫電拖輪氫燃料電池系統(tǒng)合同，該項目是繼氫燃料電池系統(tǒng)在“三峽氫舟1”號成功示范運行之后，國內(nèi)氫燃料電池技術(shù)在拖輪上的首次應(yīng)用。

東方鍋爐

東方鍋爐旗下的氫能公司是中國西部首家也是唯一一家獲得中國船級社船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)認(rèn)可證書的企業(yè)，此舉標(biāo)志著東方鍋爐燃料電池系統(tǒng)設(shè)計和制造能力已滿足中國船級社要求，具備船舶領(lǐng)域應(yīng)用的能力。

國氫科技

國氫科技已自主開發(fā)出“氫騰”船用氫燃料電池系統(tǒng)，今年1月，搭載該系統(tǒng)的氫能船舶“西海新源1號”順利下水；6月，這艘“西海新源1號”正式交付使用，成為國內(nèi)首艘商用氫燃料電池動力游覽船。該船舶系統(tǒng)凈輸出功率240kW，續(xù)航力約4小時，專為船舶應(yīng)用場景開發(fā)，零部件國產(chǎn)化率100%。 

風(fēng)氫揚科技 

今年初，風(fēng)氫揚科技聯(lián)合中船動力研發(fā)的110kW船用燃料電池模塊，順利獲得了法國船級社（BV）的原則性認(rèn)可（AIP），該燃電模塊可實現(xiàn)不同數(shù)量模塊并聯(lián)系統(tǒng)快速開發(fā)，使得設(shè)備布置更加靈活，適用于散貨船、公務(wù)船、游覽船等多種船型，其具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，適用于2兆瓦以下的動力系統(tǒng)，既可作為氫燃料電池船舶的動力裝置，也可作為大型船舶的電力輔助裝置，還可應(yīng)用于移動式充電站或分布式電站系統(tǒng)。 

 氫藍(lán)時代  

氫藍(lán)時代在2021年8月立項開發(fā)船用80kW氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品，到2023年8月2日至今，完成該產(chǎn)品的型式試驗完成并拿到CCS型式認(rèn)可證書。氫藍(lán)時代同時在進(jìn)行船舶動力系統(tǒng)方案的布置，推動氫能船舶在近海和內(nèi)河的發(fā)展。

素材來源：盛科航宇氫能源科技 船舶技術(shù)法規(guī)研究中心 中國船級社等