基于對氫能及燃料電池技術的長期規劃布局，加拿大巴拉德、瑞典PowerCell、日本松下、韓國斗山等國外知名公司均研發出燃料電池產品，并在船用大功率燃料電池系統研發以及應用推廣方面處于領先地位。其中，加拿大巴拉德是全球質子交換膜燃料電池龍頭企業。該公司掌握了燃料電池系統、膜電極、雙極板等核心技術，其燃料電池產品已廣泛應用于氫燃料電池車領域。近年來，巴拉德開始布局卡車、火車和海運等中重型動力市場，燃料電池產品不斷推陳出新。2020年，巴拉德推出大功率船用氫燃料電池系統。該系統由200千瓦的基本電池系統模塊組成，這些模塊可以連接成更大功率的電池系統模塊組，滿足船舶大功率應用需求。瑞典PowerCell是全球領先的固定和移動式燃料電池電堆和系統開發制造商。該公司的燃料電池電堆系統緊湊且采用模塊化設計，在目前燃料電池車市場擁有較高的競爭力。2021年，PowerCell公司推出一款專為船舶設計的氫燃料電池模塊系系統。該系統中每個模塊的功率為200千瓦，可以通過并聯方式實現兆瓦級的功率。除此之外，日本松下、韓國斗山也正在開展大功率船用氫燃料電池項目。

 

總體來看，目前船用氫燃料電池功率不高，僅可作為船舶的輔助動力源而非主動力源。對于萬噸級船舶，其動力功率需求為兆瓦級別，比車用系統千瓦級別需求高很多。在目前單個電池功率有限情況下，需要大量電池單體，考慮到船上空間有限，船用高緊湊型大功率氫燃料電池系統集成技術仍有待突破。

 

（二）應用方面，歐美日韓已實現氫燃料電池在小型船舶上的示范推廣，但尚無大型遠洋船舶的示范案例

 

2003年起，世界主要國家已開始氫燃料電池船舶研究。其中，歐洲在該領域的研究示范最為領先，匯集多個氫燃料船舶項目，日本和美國得益于車用和電站用氫燃料電池技術優勢，船用氫燃料電池產業正在加速崛起。目前，法國、德國、比利時、日本、韓國等國家已實現船用氫燃料電池系統試點及應用，推出多款氫燃料電池船舶，比較有代表性的是法國“Energy Observer”號、德國“Alsterwasser”號、比利時“Hydroville”號。從表2可以看出，各國推出的氫燃料船舶多數是由氫燃料電池與柴油機、蓄電池、太陽能等混合提供動力，單獨使用氫燃料電池的較少。此外，目前推出的氫燃料電池船舶多數為客船，燃料電池技術在遠洋運輸船舶或其他大型船舶上的示范應用幾乎沒有。這是因為目前的燃料電池技術還尚未達到大型遠洋船舶對電池輸出功率、續航里程以及使用壽命的要求。綜上可以看出，目前氫燃料電池船舶尚處于初期發展階段，距離大規模、大范圍應用于船舶領域仍有很長的路要走。但不可否認的是，這些已建成的氫燃料電池船舶將為后續氫燃料電池船舶的發展奠定良好基礎。

 

（三）標準方面，氫燃料電池船舶相關標準規范比較欠缺，美歐日韓加緊布局該領域

 

氫燃料電池船舶尚處于發展初期，相關標準規范較為欠缺。目前，國內外氫燃料電池方面的標準主要以車用燃料電池為主，針對船舶的標準規范只有美國船級社發布的《船舶與近海燃料電池動力系統應用指南》和挪威船級社發布的《氫燃料船舶手冊》。其中，《船舶與近海燃料電池動力系統應用指南》于2019年推出，涵蓋了所有類型的燃料電池，重點是在新建和改造船舶中使用燃料電池系統，同時制定安全原則。《氫燃料船舶手冊》于2021年推出，由歐洲26家機構與公司聯合制定，旨在為船舶安全使用氫能提供路線圖，將為歐洲未來在國際氫能規則制訂、氫加注和標準化等方面奠定基礎。

 

可以看出，目前針對氫燃料船舶領域的標準規范較少且推出時間較晚。隨著“氫能上船”步伐加快，其他國家也開始加緊制定氫燃料電池船舶國際標準。2021年，日本川崎重工、洋馬動力和日本發動機公司宣布成立HyEng公司。該公司將致力于開發船用氫動力發動機系統、制定氫燃料供應系統國際標準和規則、集成氫燃料供應系統、維護和運營氫燃料發動機示范設施等。同年，韓國現代重工與韓國船級社簽署了開發氫燃料船舶設計及安全規范的業務合作協議。根據協議，雙方將開發制定液氫運輸船及氫動力船的韓國及國際技術標準，以提前應對氫能時代的到來。目前，該標準已于2022年底前提交至國際海事組織。未來，隨著美歐日韓對相關標準的深入布局，其在氫燃料電池船舶領域的競爭優勢將愈發明顯。

 

 

三、氫燃料電池船舶發展面臨的問題

 

雖然近年來氫燃料電池技術取得長足進步，但其在船舶領域的應用仍有待進一步研究與發展。除上述面臨的電池功率不高、標準規范欠缺方面的挑戰外，還面臨以下挑戰。

 

（一）船用儲氫技術亟待突破

 

儲氫系統所攜帶的氫氣量決定了氫燃料電池船舶的續航力。對遠洋船舶而言，其對儲氫系統的要求更高，需要有更高的氫氣能量密度。目前，氫氣存儲方式主要包括高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫、金屬氫化物儲氫和液體有機化合物儲氫。其中，高壓氣態儲氫技術比較成熟，是當前應用廣泛的儲氫技術，也是實現氫燃料電池船舶商業化的短期可行方案。現有的氫燃料電池船舶多數采用高壓氣態儲氫技術，儲氫壓力多為35兆帕。但高壓氣態儲氫罐的容量較低，為滿足船上用氫需求，所需儲罐數量多，占據船舶空間大。例如，35兆帕儲罐壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油的1/10左右，但儲罐所占體積為燃油艙體積的數倍[3]。此外，目前高壓儲氫罐材質以金屬為主，長期與氫氣接觸增加了材料發生氫脆的風險。在氫加注方面，當前全球范圍內專用于船舶氫氣加注的港口較少，氫加注配套設施需要進一步完善。未來，高能量密度儲氫和建設更多的港口加氫站是解決氫燃料電池船舶續航力不足的發展方向，也是未來氫燃料船舶大規模應用急需解決的技術瓶頸。

 

（二）燃料電池電堆成本較高

 

電堆是將化學能轉化為電能的核心部件，其成本占氫燃料電池總成本的60%左右。電堆中成本較高的是催化劑和質子交換膜，兩者成本占比和高達50%。其中，鉑是氫燃料電池中必需的催化劑，且其在氫燃料電池催化劑的地位中短期不可替代。由于鉑資源匱乏且價格昂貴，造成電堆成本較高。從目前情況來看，催化劑很難通過大規模量產實現成本降低，只能通過技術革新進一步降低鉑用量、開發低鉑甚至無鉑催化劑來降低對貴金屬的依賴，進而降低成本。雖然當前也有新型催化劑問世，但大多處于實驗室階段，距離大規模應用還很遠。質子交換膜被譽為燃料電池的芯片，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。質子交換膜類型諸多，目前商業應用主要以全氟磺酸膜為主。但全氟磺酸膜制備工藝復雜、工藝周期長、成膜的成本高，這些因素阻礙了其進一步大規模應用。

 

（三）氫燃料電池船舶安全性及管理技術滯后

 

氫氣易燃、易爆且長期與金屬接觸易發生氫脆，這些特性是影響其能否在船舶領域商業化應用的關鍵因素之一。當前，雖然氫能在交通運輸、工業等領域已實現初步應用，但氫安全仍是不容忽視的一大問題，尤其是隨著全球范圍內儲氫罐泄露、加氫站爆炸事故發生，更加引發對“氫能上船”的安全擔憂。雖然當前主要國家成立了專門的機構開展氫安全研究，但是現有的規程或標準僅限于技術層面與局部的管理范圍，缺少足夠的系統性[4]。此外，由于氫燃料電池船舶仍處于初期發展階段，與氫安全相關的船員培訓要求、操作規程、應急預案等配套管理辦法都暫未出臺。

 

四、氫燃料電池船舶前景展望

 

2023年，隨著國際海事組織制定的碳減排初步戰略正式確立為最終戰略，綠色船舶也將迎來快速發展期。目前，世界主要國家重點圍繞內燃機、燃料電池等不同方向推進船舶動力形式變革，同步開展氫燃料、氨燃料、生物燃料、LNG等不同能源在船舶領域的應用研究。相比于其他能源方案，氫燃料電池具有能量轉換效率高、零排放、無污染等特點，且已在車用領域擁有較為豐富的應用經驗，是船舶實現綠色轉型的重要方案。雖然氫燃料電池在船舶領域的探索相較于車用領域滯后，目前只能作為輔助動力系統，其功率密度、經濟性尚不能支撐在大型船舶、遠洋船舶上的應用。但未來隨著氫燃料電池技術快速發展、電池成本降低以及環保要求逐步提高，其大規模應用于船舶領域前景廣闊。據德國勞氏船級社預測，全球范圍內船用燃料電池的市場容量大約有160吉瓦[5]。從世界主要國家對氫燃料電池的投資與研發力度來看，未來其發展將會更加迅速，有望引領船舶動力系統的換代革命。