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(wù)院特殊津貼專家，國家多個部委動力與能源技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜医M專家，中船集團專家組專家。工作以來一直從事船舶領(lǐng)域動力電池及燃料電池動力與能源系統(tǒng)研發(fā)，主持或完成了多項船舶領(lǐng)域重大科研及產(chǎn)品研制任務(wù)，獲省部級科技成果獎12項。

近年來，我國積極推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、多場景高效利用、產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展等方面加大部署力度。特別是2022年3月份國家發(fā)展改革委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035)》，進一步明確了氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點。那么，未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢以及技術(shù)發(fā)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(yè)化進程又將如何發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛，對此，您如何看待這種發(fā)展態(tài)勢？

答：氫能產(chǎn)業(yè)是國家“雙碳戰(zhàn)略”和能源安全的重要抓手，目前處于商業(yè)化導入階段，其成本已大幅下降，產(chǎn)業(yè)化程度接近商業(yè)化水平。未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要聚焦交通和發(fā)電領(lǐng)域，風電、水電、光伏、生物質(zhì)等可再生能源制氫以及核電制氫有廣闊開發(fā)前景；大力發(fā)展規(guī)�；�高密度制儲運氫，例如：固態(tài)儲氫、液氫、液氨、甲醇等，規(guī)�；�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(lián)供能源電站將得到優(yōu)先發(fā)展，乘用車緊接跟進規(guī)�；瘧�(yīng)用，形成可再生能源氫儲能、燃料電池氫應(yīng)用的清潔可持續(xù)發(fā)展模式。

對于未來氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)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(chǎn)化，進一步降低成本；二是發(fā)展高效規(guī)模化制儲運氫，擴大加氫站布局與規(guī)模；三是提升燃料電池發(fā)動機/系統(tǒng)可靠性與壽命。

問：七一二所長期聚焦于燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，積累了較全面的高安全性儲氫與燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)。目前七一二所在氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略方面進行了哪些探索和技術(shù)研究？未來有哪些戰(zhàn)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(chǎn)業(yè)鏈中的“氫能儲存與應(yīng)用”環(huán)節(jié)，以“低成本、長壽命”燃料電池動力系統(tǒng)和發(fā)電裝置、“高安全、高致密”儲制氫技術(shù)的多場景應(yīng)用為發(fā)展目標，圍繞燃料電池堆及核心組件、內(nèi)河船用燃料電池動力系統(tǒng)、海洋裝備燃料電池動力系統(tǒng)、車用燃料電池發(fā)動機、燃料電池電站、儲制氫裝置等六個方向開展技術(shù)攻關(guān)與業(yè)務(wù)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(tǒng)集成與測試等四類核心技術(shù)，具備CNAS“三合一”燃料電池檢驗資質(zhì)，建設(shè)有燃料電池電堆及核心組件、船用燃料電池發(fā)動機、燃料電池發(fā)電站等產(chǎn)研基地，并與武漢市科技局、洪山區(qū)人民政府聯(lián)合成立武漢氫能與燃料電池產(chǎn)研院，正在大力推進技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)與引進、成果轉(zhuǎn)化與市場化工作。結(jié)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(chǎn)品，完善內(nèi)河與近海船舶應(yīng)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(shù)攻關(guān)，探索主動力應(yīng)用可行性。

在“雙碳”戰(zhàn)略下，內(nèi)河在役傳統(tǒng)燃油動力船舶將面臨節(jié)能減排改造，新造船已排除傳統(tǒng)燃油動力；燃料電池具有發(fā)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(fā)展、成本大幅降低、燃料補給站規(guī)�；�及燃料電池技術(shù)進步等，氫能燃料將會成為新一代內(nèi)河船舶主流能源，近海及遠洋船舶的輔助能源。

問：據(jù)了解，由七一二所作為牽頭單位研發(fā)的氫燃料電池和鋰電池動力系統(tǒng)的“三峽氫舟1號”已進入實船建造階段，能否給業(yè)界分享一下這方面的經(jīng)驗？

答：“三峽氫舟1號”是七一二所承擔的國家高技術(shù)船舶科研項目-氫燃料動力船舶關(guān)鍵技術(shù)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(shù)為重點，開展氫燃料電池動力船舶技術(shù)標準、總體設(shè)計技術(shù)、燃料電池系統(tǒng)研發(fā)、動力系統(tǒng)控制與能量管理技術(shù)、船用氫燃料加注、存儲與供氣技術(shù)、安全性設(shè)計與評估技術(shù)和試驗技術(shù)研究，開發(fā)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(nèi)河開展實船示范應(yīng)用，推動船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以適應(yīng)高性能綠色船舶的市場需求。項目最大特點就是全產(chǎn)業(yè)鏈零排放，通過三峽水利發(fā)電，電解水制氫；然后通過燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能、熱能和水，為船舶提供動力；實現(xiàn)能源“從水中來，還到水中去”的循環(huán)可持續(xù)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(tǒng)、高壓儲氫瓶組等所有核心部件的中國船級社(CCS)產(chǎn)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(shè)模式，在三峽壩區(qū)右岸楊家灣碼頭內(nèi)建設(shè)制氫加氫站1座，制氫規(guī)模200Nm3/h(PEM電解水制氫)，加氫規(guī)模500kg/d，配備專用的加氫機和加氫臂為“三峽氫舟一號”公務(wù)船補給氫燃料，建成后也將是國內(nèi)第一個為船舶服務(wù)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(nèi)法規(guī)和規(guī)范空白，為氫燃料船舶奠定基礎(chǔ)。這艘國內(nèi)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(yīng)法規(guī)還是先有承研資質(zhì)問題。項目立項前，國內(nèi)尚無氫燃料船舶的法規(guī)、規(guī)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(guī)范支持。邊干邊配合CCS開展相應(yīng)法規(guī)、規(guī)范、檢驗指南等法規(guī)性文件研究并完成其制定，所有上船設(shè)備通過型式試驗考核測試取得產(chǎn)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(fā)電模塊及縮比系統(tǒng)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(tǒng)功率140kW，儲能400kWh，為目前國內(nèi)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(xù)的“三峽氫舟1號”奠定了扎實的技術(shù)基礎(chǔ)和運行經(jīng)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(jīng)驗，再結(jié)合中國海事局和CCS即將正式頒布的法規(guī)和規(guī)范，發(fā)現(xiàn)尺度較小、船齡較長的船舶改造難度較大，存在一定技術(shù)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(wù)船改為新建一艘氫燃料動力公務(wù)船。

結(jié)合船東和運營方主業(yè)，通過氫燃料動力船舶實現(xiàn)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(wù)的兩大職能，負責協(xié)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(wěn)定運營，同時利用本身的高規(guī)格服務(wù)平臺，既可提供高質(zhì)量的航行體驗，也能增加氫燃料動力船舶的社會示范效應(yīng)。

問：目前，船舶氫燃料電池領(lǐng)域，在哪些環(huán)節(jié)還存在著制約因素和限制？或者說挑戰(zhàn)在哪里？該如何應(yīng)對？

答：“三峽氫舟1號”是國內(nèi)第一艘氫燃料電池動力新能源高技術(shù)船舶，船舶氫燃料電池領(lǐng)域開發(fā)與推廣，在一些環(huán)節(jié)還存在著些制約因素和限制。

一是技術(shù)規(guī)范和標準體系有待完善。今年，中國海事局法規(guī)《氫燃料動力船舶技術(shù)與檢驗暫行規(guī)則(2022)》、中國船級社(CCS)規(guī)范《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》，以及CCS產(chǎn)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(guī)、規(guī)范和產(chǎn)品檢驗指南的頒布標志著國內(nèi)氫燃料動力船舶將正式進入工程化應(yīng)用階段。但與法規(guī)和規(guī)范配套的船舶行業(yè)標準及營運安全監(jiān)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(yīng)用、燃料電池在不同尺寸和船型上應(yīng)用等方面的規(guī)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(tǒng)，其壽命瓶頸在燃料電池電堆、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件，要求5萬小時以上；而國內(nèi)氫空燃料電池電堆的壽命約1萬小時，在關(guān)鍵材料穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及操作策略等方面仍需加強研究開發(fā)。目前符合CCS要求的燃料電池系統(tǒng)成本約1萬/kW；美國能源部測算，以大規(guī)模生產(chǎn)(50萬臺/年)為測算條件，燃料電池發(fā)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(chǎn)化、大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用降低成本。

三是高效安全的制儲運供氫技術(shù)有待提升。隨著燃料電池技術(shù)快速進步，儲制氫技術(shù)已成為現(xiàn)階段制約燃料電池動力發(fā)展的瓶頸，目前的儲氫方式多種，包括高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)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(yīng)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(fā)新型高效高安全性船用儲供氫技術(shù)(美國能源部雙7%指標)，以及快速補給技術(shù)，以滿足船舶應(yīng)用各個方面的要求。

四是缺乏配套設(shè)施。氫燃料動力船舶需要的配套設(shè)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(chǎn)業(yè)的配套條件，而船舶加氫站目前國內(nèi)尚未有應(yīng)用案例，而且缺乏相關(guān)法規(guī)和規(guī)范的支撐。建議國家、行業(yè)專業(yè)機構(gòu)加快研討，出臺相關(guān)政策，鼓勵社會資金加入氫燃料電池船舶產(chǎn)業(yè)鏈上來，加速配套設(shè)施發(fā)展。

問：近年來，七一二所圍繞氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)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(lián)合CCS開展船用燃料電池系統(tǒng)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(chǔ)上中國海事局發(fā)布了《氫燃料動力船舶技術(shù)與檢驗暫行規(guī)則(2022)》，CCS還相繼完成了《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》和《氫燃料電池》《氫氣瓶》《重整裝置》等規(guī)范指南的研究編制工作。上述法規(guī)、規(guī)范和檢驗指南的正式頒布標志著國內(nèi)氫燃料電池船舶正式進入工程化應(yīng)用階段。

2021年9月，CCS向七一二所頒發(fā)了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)型式認可證書，標志著其船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)處于國內(nèi)現(xiàn)階段最高水平，可以滿足船舶入級規(guī)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(lǐng)域的應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步，起到了行業(yè)示范引領(lǐng)作用。

2022年7月，CCS制定的《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》2022版正式生效。次日，CCS向七一二所頒發(fā)了RMZA-70K型船用燃料電池發(fā)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(chǎn)品，再次確立七一二所在船用燃料電池領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2022年10月，CCS向七一二所頒發(fā)了國內(nèi)首批系列化的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品認可證書，為國內(nèi)首艘入級的氫燃料電池船舶“三峽氫舟1號”奠定了基礎(chǔ)。

問：未來希望繼續(xù)在哪些領(lǐng)域展開合作？

答：未來，七一二所將繼續(xù)密切配合CCS開展PEMFC、SOFC、固態(tài)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(guī)范和檢驗指南的編制，并開發(fā)相應(yīng)的船用產(chǎn)品，取得CCS認可證書，在公務(wù)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(yīng)用，加速氫燃料電池船舶大規(guī)模商業(yè)化進程，推動船用產(chǎn)品制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。