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“雙碳”背景下，氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用迎來巨大機遇。如何抓住這個機遇實現(xiàn)跨越式發(fā)展是當(dāng)前燃料電池企業(yè)重點思考的問題。
近期，國內(nèi)外多個氫燃料電池船舶項目取得突破性進展，如國內(nèi)首艘500kW級氫燃料電池動力船運抵三峽，開始進行首航前的調(diào)試、實驗等工作;國外由巴拉德燃料電池模組提供動力的首批氫動力船舶將在挪威、荷蘭、法國等國啟航。借著氫船發(fā)展的東風(fēng)，船用燃料電池一躍成為行業(yè)關(guān)注的焦點。
眾多燃料電池企業(yè)在摩拳擦掌、躍躍欲試，準備在船用燃料電池領(lǐng)域做出一番成就。然而現(xiàn)實的情況是，車用燃料電池并不能簡單遷移到船舶領(lǐng)域，燃料電池企業(yè)需要針對船舶領(lǐng)域應(yīng)用進行專門的研發(fā)，同時目前船舶市場對燃料電池需求較少，又讓船用燃料電池產(chǎn)業(yè)化進展舉步維艱。
車用燃料電池“上船”并不容易
近年來，世界各國相繼制定了航運減排政策。純電動船在充電速度、續(xù)航、壽命、成本等方面存在硬傷，相較之下，氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、振動噪音低、加注時間短、續(xù)航里程長、功率密度高等特點，因此氫燃料電池成為了船舶業(yè)實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要選擇。
隨著市場對氫能船舶的關(guān)注度越來也高，一些燃料電池企業(yè)為了搶占先機，試圖將已有的車用燃料電池方案應(yīng)用到船舶上。
中國船舶712研究所作為國內(nèi)船舶及海洋領(lǐng)域燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)牽頭和優(yōu)勢單位，主導(dǎo)實現(xiàn)了國內(nèi)首艘入級CCS的“三峽氫舟1號”建造合攏和核心部件認證。中國船舶712所燃料電池事業(yè)部電堆研究室主任花仕洋博士告訴高工氫電，車用與船用燃料電池動力系統(tǒng)之間存在較大區(qū)別，船用燃料電池對功率要求更高，儲能補給要求更快，自身穩(wěn)定性和耐久性更好，對安全的要求也嚴格。
氫船的燃料電池功率在數(shù)百千瓦甚至兆瓦級，一次性要補給數(shù)噸級的氫氣，示范期內(nèi)要求燃料電池壽命在3萬小時以上，商業(yè)期要達到5萬至10萬小時。由于氫船儲能大、載客多、逃生難度大，因此對安全可靠性要求更苛刻，系統(tǒng)設(shè)計必須以安全性為優(yōu)先。然而絕大多數(shù)車用燃料電池在設(shè)計時并沒有考慮到這些需求，因此不能簡單將車用燃料電池發(fā)動機移植到船舶上應(yīng)用。
船用燃料電池研發(fā)業(yè)精于專
燃料電池產(chǎn)品應(yīng)用到船舶上邁出的第一步，就是要取得中國船級社(CCS)頒發(fā)的型式認可證書。國氫科技研發(fā)的FCPS-S120船用氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，作為國內(nèi)首臺百千瓦級船用氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在2022年6月取得了中國船級社(CCS)浙江分社頒發(fā)的型式認可證書。
國氫科技總經(jīng)理助理、技術(shù)總監(jiān)陳平表示，參照車用燃料電池的技術(shù)研發(fā)路徑去研發(fā)船用燃料電池對企業(yè)來說效率會更高，也更加節(jié)省成本。但是在船用燃料電池的研發(fā)中，必須要充分考慮到船舶的使用場景，從而針對性地對船用燃料電池的各項指標進行優(yōu)化。
早在2021年，國氫科技與中國船舶重工集團公司第七〇四研究所、北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院、中國船級社浙江分社等六家單位簽署了氫燃料電池動力船舶聯(lián)合開發(fā)示范合作的協(xié)議。國氫科技在成熟的車用燃料電池方案基礎(chǔ)上，針對船舶領(lǐng)域的提點，提升了燃料電池的環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命、安全性和智能化。
在適應(yīng)環(huán)境方面，氫船在內(nèi)河及近海的航行環(huán)境往往具有高濕熱、高鹽霧等特點，國氫科技在零部件選型、集成工藝、系統(tǒng)設(shè)計上進行特別考慮，在系統(tǒng)控制策略上對系統(tǒng)快速熱機、運行參數(shù)敏感性、故障處理、氫安全等方面做了優(yōu)化設(shè)計，針對船舶實際運行中出現(xiàn)的鹽霧、絕緣、傾斜和搖擺、振動、電網(wǎng)能源波動等情況，做了嚴格試驗驗證。
在延長壽命方面，針對燃料電池膜電極衰減機理及特性、雙極板腐蝕變形機理及特性，國氫科技定量分析燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運行過程不同參數(shù)對電堆衰減的影響，對氫空界面、開機吹掃、停機吹掃、余氫放電、氧氣消耗、高電位、循環(huán)電位、氫饑渴等現(xiàn)象從機理研究到控制策略優(yōu)化做了創(chuàng)新性優(yōu)化設(shè)計，使燃料電池壽命得到了提升。
在氫電安全性方面，針對船舶應(yīng)用場景，國氫科技在管路布局、電氣絕緣設(shè)計、材料選擇等方面進行了高標準的安全性設(shè)計;為了保證用氫安全，國氫科技基于氣瓶、閥組、氫氣濃度等集成式供氫系統(tǒng)，進行了通訊和硬線控制冗余設(shè)計;在燃料管路保護上，國氫科技氫氣采用雙層防護管，并用惰性氣體氮氣進行管路吹掃保護，并對存在氫氣泄露可能性的空間設(shè)置強制排風(fēng)系統(tǒng);在氫氣管路上主要位置進行接地，防止靜電集聚等。
在管理智能化方面，針對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，船用燃料電池運行數(shù)據(jù)可自動上傳至數(shù)據(jù)中心，同時可進行遠程故障診斷和健康狀況分析，能夠比較靈活和及時的制定更合理的保養(yǎng)維護方案。
船用燃料電池市場化破局仍需努力
當(dāng)前國內(nèi)氫能船舶主要應(yīng)用案例是沿海和內(nèi)河領(lǐng)域的游船，包括觀光船、公務(wù)船等。從“面世”的氫能船舶來看，目前在國內(nèi)，中國船舶712所、國氫科技、氫藍時代、未勢能源等燃料電池企業(yè)已掌握了船用燃料電池系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)等多項技術(shù)。然而這些氫能船舶多為示范性質(zhì)，對船用燃料電池的需求還未起量。
盡管氫能船舶未來市場需求巨大，各地也在積極出臺相應(yīng)政策鼓勵氫能船泊發(fā)展，這對產(chǎn)業(yè)或企業(yè)而言極具發(fā)展動力。但是當(dāng)下受限于基礎(chǔ)設(shè)施配套和動力系統(tǒng)成本等問題，船用燃料電池的市場化困點仍未解決。
目前船舶專用岸基氫氣加注站或者加注躉船尚不具備形成行業(yè)生態(tài)的能力，而且船用燃料電池各個部件成本相對柴油動力來說仍然偏高。從氫能船舶全壽命使用周期來看，現(xiàn)有燃料電池需要在全壽命周期內(nèi)更換一到兩次，增加了船舶運營成本和困難，從船東角度來看這是不利的。
陳平認為，隨著國內(nèi)氫能船舶示范案例的增多，船舶專用的氫氣加注站也會隨之逐漸完善。此外，國內(nèi)燃料電池各個部件的本土化率越來越高，燃料電池系統(tǒng)涉及的上下游相關(guān)技術(shù)已取得顯著突破，成本較5年前大幅降低，并且還有進一步下降的趨勢。當(dāng)前燃料電池企業(yè)要與船舶領(lǐng)域企業(yè)開展密切合作，在船用燃料電池研發(fā)、運營等多方面不斷進行優(yōu)化，在氫能船舶進入產(chǎn)業(yè)成熟期之前，把船用燃料電池做得更好。
一位業(yè)內(nèi)資深人士表示，氫能船舶在重載、遠途等方面優(yōu)勢更加明顯，國內(nèi)氫能船舶未來一定會走向遠洋深海。這就需要大功率船用燃料電池和高密度儲氫方式(包括液氫、甲醇、液氨等)共同發(fā)展。只有燃料電池成本和儲氫用氫在經(jīng)濟上有了優(yōu)勢，船用燃料電池的商業(yè)化才會大規(guī)模鋪開。
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