燃料电池在商业船舶中的应用

近年来，随着质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 在运输应用中脱颖而出，有多个船舶项目正在开发PEMFC解决方案。从小规模安装中获得的经验可以逐步推广到大型船只上，为兆瓦级燃料电池解决方案的开发和论证奠定基础。

为响应削减海上交通排放的迫切需求，广大船东正在积极引进替代燃料和燃料电池系统。生物基燃料和合成燃料可直接地或在改性后用于内燃机，可以用来部分代替化石燃料。引入合成燃料还需要提高氢产量，这反过来又推动燃料电池系统的高效实施来为船载电力系统提供电力。

2018年，国际海事组织 (IMO) 出台了减少船舶温室气体 (GHG) 排放的初步战略。在第一阶段中，所定目标是到2030年将每个运输作业的二氧化碳排放量减少40%，到2050年将航运业的总体GHG排放量减少50%。IMO将在2023年修改战略，对中期措施和中长期措施进行规定，以在2030和2050年前实现目标。

根据上述GHG减排目标，DNV提出从现在到2050年的船舶运输预测，作为其《2019年能源转型展望》报告的一部分。在2035之前，海上贸易有望继续增长，但是预计在2025年左右多项措施将会出台以削减排放，如图1所示。物流、能源效率和速度减少会带来影响，但是如果IMO设定的目标得到实现，由化石燃料向可再生燃料的转型将不可避免。燃料转型将使差距在2030年和2050年分别缩小约5%和50%。

由于船舶的公认生命周期为20-30年，因此如果这些目标都要得到实现，必须加快向可再生燃料的转型。二氧化碳减少量的反向计算表明2030年前每年需要约200,000 GWh的无碳能源。为了利用这种能源，需要安装约40-50 GW的新设备。这会对新造船项目带来巨大的压力，并催生旧设备改造或翻新的需求，以及时满足GHG目标。

尽管LNG在开始时促进转型，但并不能提供最终的解决方案。氢电池和燃料电池均提出一种有吸引力的排放控制解决方案，因为燃料本身不含碳，并且燃料电池不燃烧，因而排放出来的气体中无氮氧化物。

根据燃料电池行业的年度报告，2015-2019年期间，质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 产量激增。这很大程度上是由于汽车行业需求的缘故，但尽管如此，船舶应用对燃料电池的热度也在增长。

船用燃料电池项目的增长始于示范项目。这些项目应用原本为客车和卡车开发的燃料电池模块，通常将其安装在小型船舶上，规格在100 kW和600 kW之间。有几艘氢概念船舶已经获得融资。项目表明容量呈增长趋势。在背后，有许多项目处于计划阶段，印证了这一趋势。

将燃料电池应用于大型船舶解决方案时，还必须解决数个挑战。首先，必须构建有关新燃料和系统的安全概念。此外，还需要对船上的总体布置进行重大更改，甚至需要对船舶设计的基本原理提出质疑。与传统系统相比，在使用燃料电池的情况下，燃料储备系统和设备会提出不同的空间需求。由于低温系统和低温排放的因素，还需要重新考虑热回收的概念。

由于管理法规和入级规范尚在制定中，氢的监管环境还不太成熟。IMO颁布的有关使用气体或其他低闪电燃料的船舶的国际安全规则（IGF规则）是主要的适用指南，但其现时提供的详细规则只适用于LNG。有关其他气体燃料的修订正在审核中，但完善规则，将与氢相关的条例纳入将需要数年的时间。然而，船级社正在与船旗国当局合作制定指南，以便创建可预测的路线图，支持船东修改设计流程，以获得船旗国的认可。

尽管减排目标被广泛采纳，但是在全球范围内还有其他实现目标的行动路线。University Maritime Advisory Services (UMAS) 的一项研究提出与监管、燃料可用性和成增长有关的各种减碳场景。该报告的结论认为除了能源效率干预外，减少航运业的碳强度还将需要向生物基燃料或合成燃料的转型。氢燃料和氢基燃料在航运业中的作用因路径的不同而有很大的不同，在最可能的情况下，氢燃料和氢基燃料的占比在30%和60%之间。在大多数情况下，生物燃料的占比介乎于10%和20%之间。

能源观察集团 (EWG) 和拉彭兰塔理工大学 (LUT) 更加雄心勃勃，他们提出所有行业100%可再生能源的全球转型路径。在航运占很大比例的运输行业中，氢应用将在2025年和2025年期间实现增长。如图2所示，液态可再生燃料和氢一起将逐步占运输行业总能源需求量的半数以上。

国际能源署 (IEA) 从研究角度对生物燃料在船舶行业中的可用性和潜在市场进行了审查。当前的生物燃料产能远低于船舶行业的潜在需求，而且就算产量大幅上升，生物燃料也只能部分地支持脱碳目标。以工厂残渣油或浆渣为原料的生物柴油可以实现相对高的产能，并且在与船用柴油混合后，可用作即用燃料。生物乙醇的生产可带来巨大的供应潜力，但这需要对设备进行改造，以便与内燃机一起使用。

除了生物燃料外，还可以氢和二氧化碳为原料生产合成烃或用氮气生产氨气。这些合成燃料也被称为电子燃料，其碳足迹与生产过程中使用的原料和能源相关。生产碳中和电子燃料需要由水电解等方式得到的氢。二氧化碳可从工业烟气或直接从空气捕获，而用于生产过程中的能源由可再生能源提供。

潜在的碳基电子燃料包括甲烷、甲醇、柴油和航空煤油。所有这些燃料均可与常规设备一起使用或与现有的燃料混合。然而，电子燃料生产的发展计划仍处于示范层面，并且即使扩大到商业数量后，它们的生产成本也远远高于当前的化石燃料。因此，人们普遍认为，从中长期来看，最主要的电子燃料是无碳替代燃料，即氨和氢燃料。

由于氢是所有合成燃料的主要原料，因此，若想大规模生产合成燃料，必然需要大幅扩大氢的生产。而且，氢也可用作主要燃料，所以预计更简单的生产链和物流将有利于氢而不是其他电子燃料。从长远来看，由于其生产过程简单，氢的成本还会大大低于其他电子燃料。

与内燃机和燃气涡轮机相比，燃料电池的效率更高，并且无氮氧化物排放。系统只有极少的活动部件，所以运行安静可靠。因此，在配备电力推进系统的船舶中使用氢燃料电池将带来非常大的竞争力。

欧洲海事安全局 (EMSA) 和DNA的一项研究对面向航运业的燃料电池技术进行了评估。碱性燃料电池技术(AFC) 具有悠久的历史，最初用于航天飞机上，成本相对较低。质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 技术被广泛使用于运输应用中，其主要优势是高功率重量比。这两种技术只使用纯氢作为燃料，且工作温度相对较低。

磷酸燃料电池 (PAFC) 可以在高达200°C的温度下工作，而且支持热回收系统。固态熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 和氧化物燃料电池 (SOFC) 均可在500°C以上的温度下工作。直接甲醇燃料电池允许使用甲醇作为燃料，无需单独的重整器。得益于集成的重整工艺，MCFC和SOFC在燃料使用上比较灵活，而PAFC还可以在LNG或甲醇上运行，无需外部重整器。

2015-2019年期间燃料电池市场的发展情况如图3所示。过去五年来，PEMFC持续快速增长。而其他技术的年度市场发展状况保持不变。增长主要源于汽车行业的需求。该行业青睐PEMFC的紧凑尺寸、可靠性和预期寿命。除了汽车应用外，相同的优势适用于重型运输和船舶应用。因此，PEMFC的产能不断增长预示着在不久的将来，所有行业的生产成本都会下降，包括船舶行业。

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2013年，桑迪亚国家实验室启动了一个项目，旨在设计和建造船用集装箱式氢燃料电池发电机。该船用燃料电池发电机由Hydrogenics提供的100 kW燃料电池系统驱动，包含压缩氢气储存系统。2017年，集装箱采用ABB提供的功率调节和控制系统进行了升级。同年，皇家加勒比邮轮 (RCCL) 在RCCL技术展示日中推出了100 kW的示范机。这次活动由ABB和巴拉德动力(Ballard Power Systems) 设计和开发的燃料电池系统提供动力。

另一个例子是，2018年，欧盟资助的项目“ 旗舰”(FLAGSHIPS) 获得燃料电池和氢能联合组织 (FCH JU)下的欧盟研究和创新项目“地平线2020”(Horizon 2020)的500万欧元的资金，旨在法国和挪威部署两艘氢能船舶。

在其他的长期项目中，HySeas III项目旨在推出混合电力客渡轮，用于苏格兰的奥克尼群岛航线运营。2016年，桑迪亚国家实验室发布了一项有关SFBREEZE概念的可行性研究。这个项目一直持续到了2020年，但是Water-Go-Round渡轮项目按计划推出。此外，还有其他项目在挪威、法国和荷兰展开，旨在推进功率最高达1MW或略微超过1 MW的氢动力船舶。

现有燃料电池的参考目前适用于小型船舶，但大部分原理同样适用于配有大型燃料电池发电装置的大型船舶。数个船舶利益相关者正开展大规模的燃料电解决方案研究，但这些研究尚未发布。对大小型船舶而言，氢的安全概念相似，并且许多规则或设计指南源自从LNG中获得的经验。LNG系统的双屏障原理适用于氢供应管线。氢的可燃范围和爆炸范围比LNG广，因而应将更多注意力放在泄漏检测场景上。由于监管环境对氢而言并不完备，因此，船舶总体上必须遵循替代设计的审批路径。

对于大小型船舶来说，将燃料电池集成到配电网络所遵循的原理是相同的。为了组成尺寸和电压适当的发电单元，燃料电池堆可以采用并联和串联的电气连接。将燃料电池的、依赖于负荷的输出电压调节到恒定值通常需要直流/直流 (DC/DC) 转换器。使用直流/交流转换器和变压器连接交流 (AC) 网络，以确保电气隔离和正确的电压水平。与直流 (DC) 网络集成可减少设备需求，从而节省成本和空间，但是直流网络在大型船舶上的实现仍需要对中压直流配电技术进行进一步的开发。

在商业船舶建造市场上，人们明确表示有兴趣设计和建造燃料电池船舶，而且是兆瓦级船舶。对于这样的级别，使用数百千瓦的模块来构建大型燃料电池系统的做法不再可行。因此，2018年，ABB和巴拉德动力宣布合作开发面向船舶的MW级燃料电池单元。继他们宣布之后，其他联合体也纷纷成立，旨在开发大型船用燃料电池系统。预计此类系统的首个示范产品将于2023-2025年在运营中的船舶上运行。

氢燃料电池的主要挑战之一是氢储存所需的空间。从大范围来看，最可行的解决方案是使用液化氢 (LH2)，当中采用的是从已知LNG解决方案改进而来的低温储存技术。对于可用燃料储存空间有限的情况，可以另一种燃料的形式保存原料，然后通过特定的重整器或利用自动重整燃料电池技术将原料重整为氢。

应在船舶设计过程的早期阶段选择主要的燃料和燃料电池技术，因为这会对功率平衡和总布置产生显著的影响。例如，燃料电池中的低排气温度可限制热回收的利用，而且还释放隔热所需的空间。另一方面，由于用于蒸发器的热量可以从空调系统中提取，因此可利用低温系统高效地进行冷却。

氢能船舶的总布置可能会与常规船舶的总布置有很大区别。由于PEMFC等的低温排气，排气通道的隔热量远远低于内燃机。因此，可将更多的有效载荷添加到上甲板区，而且燃料电池单元在形状上很灵活，可围绕船体分布，因而在机舱总布置上获得额外的自由度。这也使将发电装置分配到独立部位的操作变得简单。

持续的燃料电池项目有助于解决数个与氢和燃料电池安装有关的挑战。面向大型燃料电池船舶的很自然的一步是将燃料电池应用于混合动力系统中，使燃料电池与电池系统或传统的发电机组并行安装。当怠速或驶近港口时，混合动力船舶可以在零排放模式下运行。混合燃料电池发电装置的一个额外功能是使用燃料电池和电池（需要时）进行安静运行。当需要高速或其他高功率应用时，仍可以利用内燃机或燃气涡轮机来产生高功率。

对脱碳的新兴需求已在船舶领域得到了广泛的确认，而IMO采纳了到2030年和2050年大幅减少排放的宏伟目标。因此，面向无碳电力推进的替代燃料和燃料电池越来越受船东和船厂的欢迎。

从中短期来看，采用氢的PEMFC技术有可能成为船用燃料电池系统的首选。尽管如此，能够使用SOFC和DMFC等其他燃料的高温技术还是逐渐地取得了突破。船用燃料电池应用市场已经从技术示范发展到面向氢动力推进系统的小型船舶细分市场。在下一个阶段中，燃料电池系统有望实现兆瓦级发展，而且能够适用于更大型的船舶。

然而，当在大型船舶上实施氢燃料电池系统时，还需要考虑其他与船舶设计有关的因素。例如，低温排气对热回收产生限制，但提高了总布置的灵活性。此外，燃料储存和供应系统还与传统的系统存在轻微的差别。尽管如此，氢和燃料电池在大型船舶上应用不存在很大的障碍，但是一些设计上的挑战仍待解决。

来源：ABB