“西海新源1號(hào)”(圖源/武漢理工船舶)

2024年3月1日，印度科欽船廠(Cochin Shipyard)為荷蘭物流服務(wù)供應(yīng)商Samskip建造的新一代730TEU氫燃料電池動(dòng)力支線集裝箱船項(xiàng)目“SeaShuttle”首制船舉行了鋼板切割儀式。

項(xiàng)目深入，格局初顯

Samskip于去年3月在科欽船廠訂造了2艘載箱量為730TEU的氫燃料電池動(dòng)力集裝箱船，該系列船舶預(yù)計(jì)于2025年第三季度和第四季度交付，屆時(shí)將成為全球首批使用綠色氫作為燃料的零排放支線集裝箱船，并被部署在奧斯陸峽灣至鹿特丹航線。“SeaShuttle”項(xiàng)目船舶總長(zhǎng)135米，零排放模式下，預(yù)計(jì)每年可減少約25000噸二氧化碳排放，另通過岸電系統(tǒng)在港口實(shí)現(xiàn)零排放作業(yè)。

在當(dāng)前儲(chǔ)氫技術(shù)及安全管理措施并未十分完善的背景下，小型或短途氫燃料電池船研發(fā)成為主流，且多數(shù)為客船，燃料電池技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶或其他大型船舶上的示范應(yīng)用甚少，續(xù)航里程和儲(chǔ)氫效率是主要制約因素，這也是“SeaShuttle”項(xiàng)目船舶所體現(xiàn)的巨大意義。當(dāng)然除SeaShuttle”項(xiàng)目船舶外，很多氫燃料電池船也是可圈可點(diǎn)。

最知名的氫燃料電池船當(dāng)屬法國企業(yè)Energy Observer早前推出的搭載豐田氫燃料電池系統(tǒng)的“Energy Observer”。這艘由帆船比賽用船改裝而成的雙體船總長(zhǎng)31米、型寬13米、吃水2.2米，通過海水制氫生成電能，在整個(gè)航行過程中完全使用自生動(dòng)力。未來的“Energy Observer 2”則為總長(zhǎng)120米、型寬22米、吃水5.5米的多用途船(240TEU/480米車道)，燃料電池總功率為2.5MW，設(shè)計(jì)航速12節(jié)，達(dá)飛海運(yùn)集團(tuán)作為Energy Observer的戰(zhàn)略合作伙伴，將分析這艘新一代氫燃料電池船的商用和運(yùn)營(yíng)參數(shù)，以致力于海上運(yùn)輸能源轉(zhuǎn)型。

客船行業(yè)發(fā)達(dá)的歐洲對(duì)氫燃料電池船的需求增長(zhǎng)較快，試點(diǎn)項(xiàng)目多樣。德國Alster-Touristik公司推出的全球首艘100客游船“Alsterwasser”是典型之一，該船配備2臺(tái)由Proton Motor研發(fā)的“PM Basic A 50 maritime”集成燃料電池系統(tǒng)，單臺(tái)功率48kW，采用35MPa高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，12個(gè)燃料儲(chǔ)罐可裝50公斤氫燃料，可保證連續(xù)作業(yè)2-3天。渡輪“MF Hydra”配備2臺(tái)200kW的燃料電池和2臺(tái)440kW的柴油發(fā)電機(jī)，船長(zhǎng)82.4米，型寬17.5米，可搭載292名乘客和多達(dá)80臺(tái)汽車�？痛�“Hydroville”采用2臺(tái)總功率為441kW的燃料電池為其提供動(dòng)力，船長(zhǎng)12米，型寬4.2米，最大航速27節(jié)。“Nemo H2”動(dòng)力系統(tǒng)包括2臺(tái)30kW的燃料電池和一組蓄電池，輸出功率70kW，采用35PMa的高壓儲(chǔ)氫方式，儲(chǔ)氫量24公斤。船長(zhǎng)44米的600客“Hornblower Hybrid”動(dòng)力系統(tǒng)除32kW的燃料電池外，還包括2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和一組20kW光伏列陣。往返于赫爾辛基和斯德哥爾摩之間的渡輪“MS Mariella安裝了2臺(tái)30kW模塊化高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HTPEM)作為輔助動(dòng)力，該船船長(zhǎng)177米，型寬28米，載客2500人。

側(cè)重不同，向勢(shì)而行

2020年，加拿大燃料電池供應(yīng)商巴拉德(Ballard)推出了大功率船用氫燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)由200kW的基本電池系統(tǒng)模塊Cwave組成，可以連接成更大功率的電池系統(tǒng)模塊組，模塊化組件可擴(kuò)展功率從200kW到兆瓦級(jí)，以支持船舶推進(jìn)、輔助動(dòng)力和系統(tǒng)冗余。這套系統(tǒng)現(xiàn)正用于“MF Hydra”上。Hydrogenics也是一家知名的水電解質(zhì)子交換膜技術(shù)制氫和燃料電池產(chǎn)品開發(fā)制造企業(yè)，2019年，康明斯完成對(duì)Hydrogenics的收購，具備了從制氫到燃料電池制造的完整產(chǎn)業(yè)能力，為不同市場(chǎng)用戶提供差異化的氫能源集成解決方案。2019年，全球領(lǐng)先的固體氧化物燃料電池供應(yīng)商Bloom Energy與三星重工合作設(shè)計(jì)和開發(fā)采用“Bloom Energy Server”技術(shù)驅(qū)動(dòng)的船舶。該技術(shù)的模塊化特性使其非常適合有限空間部署，優(yōu)化空間利用率。

除上述北美知名燃料電池供應(yīng)商外，歐洲燃料電池發(fā)展也取得了重要成果。AFC Energy的“S系列”燃料電池系統(tǒng)采用堿性燃料電池技術(shù)，該技術(shù)需要在非燃燒過程中進(jìn)行氫和氧的電化學(xué)組合，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。這種燃料電池技術(shù)一個(gè)關(guān)鍵而獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于能夠利用氫基燃料(如氨)提取氫，而不需要昂貴的超高純度氫氣。同時(shí)，由于氨作為一種不含碳元素液態(tài)無機(jī)載體，可以通過裂解產(chǎn)生氫和氮，全過程不存在碳排放。另外一家英國公司Ceres Power以先進(jìn)的固體氧化物燃料電池技術(shù)而獲得市場(chǎng)認(rèn)可，2018年5月，濰柴動(dòng)力通過認(rèn)購部分發(fā)行股份的方式持有該公司20%股權(quán)。2020年，Ceres Power與合作伙伴開發(fā)用于環(huán)保型海洋推進(jìn)和發(fā)電的兆瓦級(jí)固體氧化物電池系統(tǒng)。SFC Energy成功開發(fā)和制造了具有高發(fā)電效率的小型直接甲醇燃料電池，這家德國公司在全球部署了60000多臺(tái)設(shè)備。荷蘭企業(yè)Nedstack是世界領(lǐng)先的質(zhì)子交換膜燃料電池生產(chǎn)商之一，其產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)過多場(chǎng)景充分驗(yàn)證，F(xiàn)uture Proof Shipping計(jì)劃打造的零排放船舶項(xiàng)目中的配套電堆即由Nedstack提供，Nedstack還與通用電氣合作在一艘探險(xiǎn)郵船上設(shè)計(jì)2MW氫燃料電池動(dòng)力裝置概念。2023年3月，瑞典企業(yè)PowerCell宣布與挪威電氣集成商SEAM簽署全球最大的氫動(dòng)力船舶項(xiàng)目，為兩艘渡輪提供6.5兆瓦氫燃料電池解決方案。

韓國船用氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)制造商Vinssen已交付了以實(shí)證為目的船用氫燃料電池系統(tǒng)，通過氫燃料電池滾裝船驗(yàn)證其穩(wěn)定性和性能。Vinssen還在開發(fā)以質(zhì)子交換膜燃料電池和已獲得型式認(rèn)可的鋰離子電池為電源的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，同時(shí)將建一艘由200kW燃料電池系統(tǒng)和125kW電池混合系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)船。斗山(Doosan)則與殼牌和韓國造船海洋(HD KSOE)成立了船用燃料電池開發(fā)及實(shí)證聯(lián)盟，旨在將600kW固體氧化物燃料電池應(yīng)用于船舶輔助動(dòng)力裝置的實(shí)證項(xiàng)目。斗山負(fù)責(zé)船用燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、系統(tǒng)控制技術(shù)開發(fā)，HD KSOE負(fù)責(zé)基于海洋環(huán)境特殊性的燃料電池配置設(shè)計(jì)、船舶連接系統(tǒng)控制技術(shù)開發(fā)。

日本洋馬動(dòng)力技術(shù)公司(Yanmar Power Technology)已成功將船用氫燃料電池系統(tǒng)商業(yè)化，并計(jì)劃在一系列船舶上安裝。該型船用氫燃料電池系統(tǒng)適用于多種船舶，特別是加氫相對(duì)容易的沿海地區(qū)運(yùn)營(yíng)的客船、工作船和貨船，標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)額定輸出功率為300kW。最重要的是，該系統(tǒng)允許多臺(tái)并聯(lián)，并可調(diào)整氫燃料電池模塊數(shù)量，使其能夠適應(yīng)各種船舶功率輸出要求。

我國，國氫科技自主研發(fā)的“氫騰”船用燃料電池是國內(nèi)首臺(tái)百千瓦級(jí)船用氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，適用于內(nèi)河等航運(yùn)應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)中國船級(jí)社(CCS)氫燃料電池規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，具有高可靠性、高安全性、高擴(kuò)展性、長(zhǎng)壽命和零排放等特點(diǎn)。“西海新源1號(hào)”搭載的正是國氫科技FCPS-S12船用氫燃料電池系統(tǒng)。未勢(shì)能源和東方氫能自主研發(fā)的船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)也相繼順利獲得CCS頒發(fā)的型式認(rèn)可證書。未勢(shì)能源船用燃料電池系統(tǒng)具有高集成、高能量轉(zhuǎn)化效率與AI智能化控制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，國產(chǎn)化率達(dá)到100%，配套應(yīng)用于氫動(dòng)力交通船“蠡湖未來”號(hào)。東方氫能的“模塊化組裝”可滿足不同船的動(dòng)力要求，并通過船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)審查等認(rèn)證流程，成為我國西部唯一一家獲得CCS船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)認(rèn)可證書的企業(yè)。

安全第一，構(gòu)建保障

船舶安全永遠(yuǎn)是首位。氫的安全性對(duì)主要系統(tǒng)(如能源系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、貨物系統(tǒng)等)均有直接或間接的影響，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言是一次革命，會(huì)形成新的體系。

在國內(nèi)，CCS編制的《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》于2022年7月正式對(duì)外發(fā)布，這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)使得氫能船舶開始有標(biāo)準(zhǔn)可依，保證了氫能船舶與傳統(tǒng)能源船舶處于同一安全水平下。同時(shí)，CCS編制的E23《氫燃料電池》產(chǎn)品檢驗(yàn)指南、B07《氫氣瓶》產(chǎn)品檢驗(yàn)指南、M28《重整裝置》產(chǎn)品檢驗(yàn)指南于2022年4月14日發(fā)布。上述指南的發(fā)布加快了國內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)品在船舶上應(yīng)用的步伐。

單一故障原則。單一故障原則是一般性設(shè)計(jì)原則，廣泛應(yīng)用在低閃點(diǎn)燃料船舶的設(shè)計(jì)中。一般來說，氫能也應(yīng)按這樣的方式來設(shè)計(jì)，即單一故障不應(yīng)導(dǎo)致燃料電池本身和船舶任何危險(xiǎn)情況。此外，與安全有關(guān)的部件應(yīng)證實(shí)與該原則相符的功能。

燃?xì)廨斔偷碾p重圍護(hù)。對(duì)于氫氣供應(yīng)一般認(rèn)為應(yīng)采用雙重圍護(hù)來實(shí)現(xiàn)，如果第一層氣密性能失效，第二層圍護(hù)仍能確保不發(fā)生泄漏。雙重圍護(hù)有多種實(shí)現(xiàn)思路——雙壁管、通風(fēng)管道環(huán)圍、使用氣密外殼(如氣密的儲(chǔ)氫處所、氣密的燃料電池外殼、氣密閥箱等)。在滿足IEC60079-10要求，經(jīng)過評(píng)估確定泄漏后的氫氣含量能降到足夠低時(shí)，也可以使用單壁管。

系統(tǒng)的分隔。一般來說，安全區(qū)域應(yīng)與可能出現(xiàn)危險(xiǎn)性氣體的處所或環(huán)境進(jìn)行氣密分隔。此外還有一些通用的做法在大多數(shù)船上得到應(yīng)用：將燃?xì)庀到y(tǒng)通過DBB閥進(jìn)行隔離；用A60耐火分隔將艙室與失火風(fēng)險(xiǎn)的處所隔離；對(duì)于燃料艙處所，燃料電池內(nèi)部通風(fēng)也均是采用彼此獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)分別進(jìn)行通風(fēng)；燃料電池艙和燃料艙處所均與安全處所、發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了隔離，燃料電池艙和燃料艙處所也需要隔離。

氣體的安全排放。為確保燃料電池系統(tǒng)安全運(yùn)行需裝設(shè)相應(yīng)的排氣系統(tǒng)，一般包括安全閥的可燃?xì)怏w的排放等。大部分現(xiàn)有氫能船舶使用35MPa壓縮氫氣作為燃料，一般采用易熔塞在發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行減壓。在正常的操作中也有一些需要?dú)怏w排放的場(chǎng)合，如含有燃?xì)庠O(shè)備/部件的艙室通風(fēng)及燃料電池排放的廢氣。因此，通風(fēng)管的設(shè)計(jì)不應(yīng)帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)，如其通風(fēng)開口附近不應(yīng)存在點(diǎn)火源，并應(yīng)距離安全區(qū)域一段合適的距離，確保危險(xiǎn)氣體和蒸氣不會(huì)影響到安全區(qū)域。易熔塞的高壓排氣管和安全閥也需注意類似問題。

防爆。防爆是為避免在所有可能出現(xiàn)可燃性氣體環(huán)境的場(chǎng)所發(fā)生爆炸，通常參照IEC60092-502標(biāo)準(zhǔn)劃分危險(xiǎn)區(qū)域，選擇防爆措施一般從3個(gè)方面進(jìn)行：防止爆炸性氣體環(huán)境產(chǎn)生，如采用通風(fēng)、雙壁管、防止氣體聚集措施等；減少點(diǎn)火源，如認(rèn)證防爆設(shè)備、控制燃料電池內(nèi)部溫度低于300攝氏度、靜電防治等；降低爆炸影響，如分隔、DBB閥、雙壁管設(shè)計(jì)、防火措施、使用不燃材料等。

高壓儲(chǔ)存容器的防護(hù)。壓力貯存容器最嚴(yán)重的故障是由于超壓、火災(zāi)造成的破裂，因此壓力容器應(yīng)避免在任何情況下發(fā)生破裂。壓力容器應(yīng)有主動(dòng)系統(tǒng)(如火災(zāi)探測(cè)和滅火系統(tǒng)的組合)和被動(dòng)系統(tǒng)(如易熔塞和安全閥)加以防護(hù)。應(yīng)注意，安全閥應(yīng)是符合相應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)僅僅采用一個(gè)壓力閥，還應(yīng)具有相應(yīng)的釋放速率。

外部影響的防護(hù)。燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)船舶上的典型環(huán)境，例如碰撞、機(jī)械損傷、火災(zāi)和振動(dòng)，特別是火災(zāi)的防護(hù)應(yīng)是其考慮的重點(diǎn)。對(duì)外部影響的防護(hù)通常采用以下措施：在選擇燃料電池安裝位置是考慮碰撞的影響(如距離氫系統(tǒng)設(shè)備外殼和管路足夠的安全距離)；安裝合適的防護(hù)(如燃?xì)夤艿赖念~外保護(hù))；采用多種方式進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)(如隔離、自動(dòng)滅火等)。

國際方面，26家歐洲領(lǐng)先企業(yè)和協(xié)會(huì)于2021年推出的“MarHySafe”聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目旨在為航運(yùn)中氫能安全操作提供知識(shí)庫，共同研究氫能上船挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目分兩期，《氫燃料船舶手冊(cè)》為一期，內(nèi)容包括為使用質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行安全氫操作提供了路線圖，反映行業(yè)最新專業(yè)水平，詳細(xì)介紹了如何駕馭設(shè)計(jì)和建造的復(fù)雜要求，并涵蓋了氫操作中最重要的方面，例如安全和風(fēng)險(xiǎn)緩解、氫系統(tǒng)的施工細(xì)節(jié)以及海事應(yīng)用的實(shí)施階段等。項(xiàng)目的二期預(yù)算在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及關(guān)于氫加注和標(biāo)準(zhǔn)化的更多投入。

另外，《船舶應(yīng)用燃料電池安全臨時(shí)導(dǎo)則》已經(jīng)推出，符合技術(shù)規(guī)范的燃料電池船舶已經(jīng)能夠被各港口接納。另在去年召開的國際海事組織(IMO)貨物與集裝箱運(yùn)輸分委會(huì)第9次會(huì)議(CCC9)上，分委會(huì)審議有關(guān)《船舶使用氫燃料安全臨時(shí)導(dǎo)則》草案，并重點(diǎn)對(duì)定義、功能要求、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、燃料準(zhǔn)備間、燃料圍護(hù)系統(tǒng)、材料與管系設(shè)計(jì)和燃料加注等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論。會(huì)議決定該導(dǎo)則原則上只適用于液氫和壓縮氫氣，暫不包含金屬氫化物和其他含氫化合物，但也可接受滿足替代設(shè)計(jì)要求的其他形式氫燃料；考慮到微小的氫氣泄漏也會(huì)形成可燃環(huán)境，且不可能及時(shí)切斷電氣設(shè)備，因此排除ESD機(jī)艙型式；原則上，在所有正常和可預(yù)見的操作場(chǎng)景下，都不應(yīng)將氫釋放到周圍環(huán)境中作為常態(tài)設(shè)計(jì)。具體要求增加了“氫燃料裝置處所”和“壓縮氫氣”的定義；要求對(duì)使用氫燃料進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并列出了一份確定的已知風(fēng)險(xiǎn)清單；氫燃料艙和氫燃料準(zhǔn)備間原則上應(yīng)布置在具有足夠自然通風(fēng)的開敞甲板上，布置在甲板以下需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并經(jīng)主管機(jī)關(guān)同意；使用術(shù)語“side shell”替代“ship’s side”；允許使用可移動(dòng)式液氫或壓縮氫氣燃料艙；將熱壓力釋放裝置作為降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)壓縮氫氣燃料艙內(nèi)壓力的措施之一，并刪除易熔塞的相關(guān)表述等。

固體氧化物燃料電池也被應(yīng)用，它可在高溫條件下高效率運(yùn)行，將碳基燃料在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫，并有效利用高溫余熱提升整體熱效率。由德國Sunfire公司研發(fā)的利用低硫燃料重整制氫的總功率為100kW的固體氧化物燃料電池就被用于“MS Forester”上，該船船長(zhǎng)92.5米，型寬17米。“Neo Orbis”為歐洲“H2Ships”項(xiàng)目船型，該船以固態(tài)硼氫化鈉經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)釋放出的氫氣作 為燃料電池的能源。“Sea Change”將是美國首艘完全由氫燃料電池(另配鋰離子電池)驅(qū)動(dòng)的商用渡輪，這艘船長(zhǎng)21米、可搭載75名乘客，配備360kW燃料電池。甲醇制氫燃料電池拖船 “Hydrogen One”的推進(jìn)系統(tǒng)輸出功率高達(dá)2700馬力，其中1700馬力來自燃料電池，該船配備的制氫設(shè)備可直接在船上將甲醇/水混合物重整轉(zhuǎn)化為燃料電池級(jí)的高純度氫，再將氫送入燃料電池用于發(fā)電。“Ship FC”項(xiàng)目的氨燃料電池系統(tǒng)將安裝在“Viking Energy”上，通過化學(xué)反應(yīng)提供氫基。

我國首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)是國內(nèi)首艘入級(jí)中國船級(jí)社(CCS)的氫燃料電池動(dòng)力船，該船總長(zhǎng)49.9米，型深3.2米，設(shè)計(jì)吃水1.85米，采用全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)，氫燃料電池額定輸出功率500kW，最高航速達(dá)28km/h，巡航航速20km/h時(shí)的續(xù)航里程可達(dá)200公里，取得CCS燃料電池-動(dòng)力1、綠色船舶-3、能效設(shè)計(jì)-3、智能船舶(智能機(jī)艙)等附加標(biāo)志。交通船“蠡湖未來”號(hào)總長(zhǎng)20.5米，型寬5.2米，額定乘員20人，配備兩套110kW氫燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ�，最大可�?shí)現(xiàn)180海里續(xù)航里程。2024年1月，“西海新源1號(hào)”順利下水，成為國內(nèi)首艘商用氫燃料電池動(dòng)力游覽船。