科普 | 什么是氢能船？

日期：2024-11-15 来源：氢能汇

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国际海事组织(IMO)公布的数据显示：船舶行业每年的碳排放量约为10.76亿吨，占世界二氧化碳排放总量的2.89%，并呈继续增加的趋势。在IMO 2020限硫令和“双碳”目标背景下，船舶行业绿色转型迫在眉睫。氢燃料被业界看作是“零碳排放”的高清洁能源，其在这一场脱碳的革命中将起到重要作用，因此氢能船舶也成为了船舶业实现绿色转型的重要选择。那么什么是氢能船？氢能船有哪些种类？氢能船发展到现在到了什么阶段？氢能汇（微信公众号：h2-2005）下面为您详细介绍一下。

氢能船的定义氢能船作为一种新兴的船舶动力技术，以其高效、环保、低噪音等优点，正逐渐成为未来船舶动力技术发展的重要方向。氢能船是一种利用氢能源作为主要动力源的船舶。氢能船是利用氢气在阳极处被分解成质子和电子，质子穿过电解质膜到达阴极，而电子则通过外部电路形成电流，最终与氧气结合生成水。这个过程不仅高效，而且清洁，因为整个过程中没有燃烧，也没有温室气体排放。氢能船主要有两种类型：一是应用于传统内燃机，包括纯氢内燃机或与氨/甲醇等燃料一起使用的混烧型内燃机；二是应用于新型动力装置--燃料电池。使用氢内燃机作为船舶动力，具有对船体结构改变小、耐久性高、对氢气纯度要求低、产成本低、易产业化等优点，但其受到卡诺循环的限制，热效率相对燃料电池较低，且氢内燃机会产生氮氧化物等排放。相较之下，氢燃料电池船具有能量转换效率高、振动噪音低、技术成熟度高等优势，其效率可达50%到80%之间，排放产物只有水，因此目前在船用领域发展较为迅速。多年来，美国、英国、德国、韩国、日本等多个国家一直都将燃料电池作为一种船舶技术储备在不断地发展。

氢能船的系统构成

氢能船的系统构成主要包括以下几个核心部分：

（一）燃料电池系统：

燃料电池系统是氢能船的主要动力来源，通过氢气和氧气的电化学反应产生电能。该系统包括燃料电池堆、氢气/氧气供给系统、气体加湿系统、氢气/氧气循环系统、水循环冷却系统及监控系统等。

（二）配电系统：

配电系统负责对氢燃料电池及磷酸铁锂电池组进行管理，并将电源转换为稳定的电压，供船舶其他负载使用。主要技术路线包括直流配电系统和交流配电系统，其中交流配电系统技术相对成熟且简单可靠。

（三）能量管理系统（EMS）：

EMS用于控制和管理本船的电网，监控燃料电池和电池组的运行，协调工作，自动管理燃料电池、锂电池的运行和电能的分配。EMS的功能包括EMS模式选择、氢燃料电池自动运行、电池组自动管理、输配电监控保护、配电开关监控、HMI监测、氢燃料电池和动力电池组并网、重载问询、充电模式、系统冗余、数据同步、系统自检及通信等。

（四）推进系统：

推进系统包括主推进控制系统，主要功能有转速转舵控制、变频驱动系统设备起停、变频驱动系统信号采集、变频驱动系统信号显示及复位、变频驱动系统安全保护、越控、控制站点切换、驾控室点动操作、联锁控制、急停及非随动控制等。

（五）负载系统：

负载系统为船舶日用负载供电，通常采用空冷的冷却方式。负载系统通常为交流电，通过逆变电源模块和隔离变压器与直流配电系统连接。负载电制通常为220V或380V，其中220V通常用于船艇的照明等功率相对较小的日用电，380V通常用于电机、泵及马达等功率稍大设备的日用电。

这些系统共同构成了氢能船的动力系统，使其能够在海上环境中高效、环保地运行。

氢能船的种类氢能船作为一种新兴的船舶类型，其类别多样，涵盖了不同的应用场景和技术特点。以下是几种主要的氢能船类别：氢燃料电池动力船这类船舶主要采用氢燃料电池作为动力源，通过氢气和氧气的化学反应直接转换成电能，驱动船舶运行。例如，“蠡湖未来”号是中国首艘入级CCS的氢动力海船，采用了金属堆燃料电池系统。

“蠡湖未来”号入水仪式图片来源：辽宁造船工程学会

商用氢燃料电池动力游览船这种类型的船舶主要用于旅游观光，搭载乘客在特定水域内航行。例如，“西海新源1号”是国内首艘商用氢燃料电池动力游览船，采用了国电投氢燃料电池和锂电池组双动力系统的推进方案。

西海新源1号图片来源：中国科技网

氢燃料电池动力工作船这类船舶主要用于商业和工业用途，如交通、巡视、应急工作等。例如，“三峡氢舟1号”是中国第一艘CCS认证的500千瓦氢燃料电池动力工作船，用于三峡库区的交通、巡视、应急工作等。

三峡氢舟1号图片来源：三峡集团

2009年，挪威海工船东Eidesvik Offshore制造的第一艘海洋工程供应船正式交付，该船以LNG为主要燃料，配备有330kW的燃料电池系统，是全球首艘安装燃料电池作为部分推进系统的商船，截止2012年，该船已连续运行26280小时，成为了世界上最环保的船舶之一。液化氢运输船液化氢运输船专门用于运输液态氢气，适用于大规模氢气跨境运输。例如，中国船舶集团有限公司旗下第七〇八研究所发布的180000立方米级液化氢运输船是目前全球最大舱容的液化氢运输船。

180000立方米级液化氢运输船图片来源：浦东发布

风能+氢能混合动力船这种船舶结合了风能和氢能两种清洁能源，利用风力推动水下涡轮机产生电力，并通过电解水的方式制造氢气，储存起来供风力较弱时使用。例如，日本的商船三井公司展示了一种“零排放船舶”，利用风能和氢能相结合的方式提供动力。

日本零排放船图片来源：日本共同社

氢燃料电池推进船这类船舶采用氢燃料电池作为主要动力源，通常还会配备其他辅助动力系统。例如，Vinssen公司宣布即将启动氢燃料电池推进船的燃料和运营项目，该项目已经获得韩国贸易、工业和能源部的批准。氢动力渡轮氢动力渡轮主要用于短途客运，如城市间的渡轮服务。例如，挪威的“MF Hydra”号渡轮已经在Hjelmeland、Skipavik和Nesvik三角航线上提供服务，能够装载80辆汽车。

挪威的“MF Hydra”号渡轮来源：上海氢威机械这些氢能船的类别展示了氢能技术在船舶领域的多样化应用，从观光旅游到商业运输，再到科研实验，氢能船正逐步成为实现航运业绿色转型的重要力量。

氢能船的优点氢能船作为一种新兴的绿色交通工具，具有许多显著的优点，这些优点使其在未来的船舶领域中具有巨大的潜力。以下是氢能船的主要优点：环保友好无污染排放：氢能船使用氢气作为燃料，通过与氧气反应产生动力，其唯一的副产品是水蒸气，不会产生有害的废气排放1。这使得氢能船在减少空气污染和改善环境质量方面具有显著优势。零碳排放：与传统的燃油动力船舶相比，氢能船可以实现真正的零碳排放。这对于应对全球气候变化和实现碳中和目标至关重要。高效能高能量密度：氢气的能量密度高，可以提供更高的能量输出，从而提高船舶的航行效率。高效转化：氢燃料电池是一种将燃料化学能经电化学反应直接转化为电能的装置，不受卡诺循环限制，效率可达50%~80%，远高于船用内燃机的热效率（约为40%）。可再生性可再生资源：氢气可以通过电解水的方式制备，而水是地球上最丰富的资源之一。因此，氢能是一种可再生的能源，有助于实现能源的可持续发展。安全性无毒无害：氢气是一种无毒物质，对人体健康和环境都没有危害。这使得它在某些不允许使用其他形式燃料的地方也可以使用。多样化的应用场景适用于不同类型的船舶：氢能船不仅适用于小型游艇和游船，还可以应用于大型货船和客船。这表明氢能技术具有广泛的应用前景。

氢能船存在的问题船用替代燃料应用技术已成为船舶去碳化的一个关键点。由于特性各异，不同燃料被用作船舶动力时，其生产、储存、运输条件和应用瓶颈都会有所不同，以其作为船舶燃料的动力技术创新也会面临不同的问题。目前，氢燃料电池在船舶上应用还存在以下主要问题：

高成本制约了氢燃料动力船舶的快速发展氢燃料动力船舶虽然市场需求大，应用前景光明，但大规模推广还面临着不少障碍，成本较高就是其中一个无法回避的问题。电动船舶的制造成本是同类内燃机船舶的 2⁓4 倍，建造加氢站还需要大量的前期投入。船东虽然在环保高压下有新建或改造船舶的内在动力，却无力承担高昂成本的外在压力。国家和政府必须进行合理的布局与规划，再加以必要的政策扶持，以促进氢燃料动力船舶产业快速、健康发展。

船用氢燃料电池标准规范尚需进一步完善2021年9月，IMO货物和集装箱运输小组委员会（CCC 7）通过了《燃料电池船舶临时导则》草案，但尚需进一步修订和验证，这也是国际上唯一针对氢燃料电池船舶安全的指导性草案；中国船级社于2017年（CCS）颁布了《船舶应用替代燃料指南》，并于2021年开展了《船舶应用燃料电池发电装置指南》课题研究，对氢燃料电池的使用做出了指导和规定；2021年7月13日，中华人民共和国海事局发布了《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（征求意见稿）》，并计划于近期发布实施。但纵观国际和国内的相关规范存在诸多不完善之处，如对船用燃料电池作为主电源以及船用产品取证等相关要求尚不明确，且缺少针对船用氢燃料电池的相关标准，亟需通过项目专项研究，完善设计、制造及检验的技术要求，以进一步完善氢燃料动力船舶的相关标准、规范。

船用氢燃料电池技术研究不足我国船用氢燃料电池的相关研究主要集中在高校与部分科研院所，缺少工程化应用研究。目前，燃料电池模块和燃料电池动力系统主要为车用产品，而船舶与车辆在工作环境以及作业工况要求方面存在巨大区别，尤其在安全性上，亟需开展船用燃料电池系统研究工作，以推进氢燃料船舶工程应用进程。

船用氢气存储及加注技术亟待突破船用氢气存储和加注是制约氢燃料电池发展的主要瓶颈之一。目前，氢气存储和加注技术已在车用燃料电池领域初步实现产业化，但船舶有续航力长、氢气耗量大、环境因素复杂、安全要求高等特点，船用氢气存储和加注技术应用尚不成熟。此外，由于燃料补给限制条件多，加注设施选址困难、审批难度大等问题亟待突破。氢燃料电池动力船舶安全性及管理技术滞后氢燃料电池动力系统改变了传统船舶内燃机推进理念，其可行性、可靠性和安全性有待进一步验证。氢气具有易燃易爆的特点，氢燃料上船会给船舶安全管理、船员培训、应急防护处理和危险品监管等海事业务带来较大影响。目前与之相关的船员培训要求、操作规程、应急预案等配套管理办法都暂未出台。为推进零排放的燃料电池在我国船舶上的商业应用，弥补我国燃料电池船舶应用领域的空白，需要对氢燃料电池动力船舶的管理技术进行研究，共同推进绿色航运的发展。

氢能船舶应用前景国际海事组织(IMO)公布的数据显示：船舶行业每年的碳排放量约为 10.76亿吨，占世界二氧化碳排放总量的 2.89%，并呈现继续增加的趋势。在“双碳”目标指引下，内河在役的传统燃油动力船舶将面临节能减排改造的难关，而新造船基本已排除传统燃油动力这一选项，蓄电池、燃料电池等新能源动力成为主导。潜在发展新能源路线中，纯电船舶大部分在2013年投入使用，比氢燃料电池船舶先一步出发，但同电动汽车的发展类似，电动船舶若要正常运营还需建设完备的充电基础设施，现有的在岸充电基础设施的覆盖面和数量都有限，同时还存在容量不足、电制不同、设备兼容性差、充电速度慢等一系列问题。氢燃料电池船舶也是路线之一，除具备船舶电动化优势外，其较高的能量密度和快速补给能量的特性加之船舶本身特质，决定了氢燃料电池船可以行驶得更远、行得更久，有机会被应用于更长航程的场合。根据交通运输部水科院的数据和专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约 400艘和 200艘，氢燃料电池系统市场规模将达到 200亿元。

氢能船相关企业随着船舶航运低碳发展速度的加快，具备高能效、零碳排优势的氢能，作为绿色船用燃料，确实是绿色船舶的理想动力推进装置。目前，国内已有不少氢燃料电池企业已将船舶作为重要应用场景之一在展开深度挖掘。

中船712所

去年10月11日，国内首艘入级中国船级（CCS）、搭载中国船舶712所自主开发的500千瓦氢燃料动力系统的“三峡氢舟1”号示范船正式在湖北宜昌三峡游客中心（九码头）完成首航。今年，其成功签订青岛港7000马力氢电拖轮氢燃料电池系统合同，该项目是继氢燃料电池系统在“三峡氢舟1”号成功示范运行之后，国内氢燃料电池技术在拖轮上的首次应用。

东方锅炉

东方锅炉旗下的氢能公司是中国西部首家也是唯一一家获得中国船级社船用燃料电池发电系统认可证书的企业，此举标志着东方锅炉燃料电池系统设计和制造能力已满足中国船级社要求，具备船舶领域应用的能力。

国氢科技

国氢科技已自主开发出“氢腾”船用氢燃料电池系统，今年1月，搭载该系统的氢能船舶“西海新源1号”顺利下水；6月，这艘“西海新源1号”正式交付使用，成为国内首艘商用氢燃料电池动力游览船。该船舶系统净输出功率240kW，续航力约4小时，专为船舶应用场景开发，零部件国产化率100%。

风氢扬科技

今年初，风氢扬科技联合中船动力研发的110kW船用燃料电池模块，顺利获得了法国船级社（BV）的原则性认可（AIP），该燃电模块可实现不同数量模块并联系统快速开发，使得设备布置更加灵活，适用于散货船、公务船、游览船等多种船型，其具有广阔的产业化应用前景，适用于2兆瓦以下的动力系统，既可作为氢燃料电池船舶的动力装置，也可作为大型船舶的电力辅助装置，还可应用于移动式充电站或分布式电站系统。

氢蓝时代