“西海新源1號”(圖源/武漢理工船舶)

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

項目深入，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的氫燃料電池動力集裝箱船，該系列船舶預計于2025年第三季度和第四季度交付，屆時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”項目船舶總長135米，零排放模式下，預計每年可減少約25000噸二氧化碳排放，另通過岸電系統在港口實現零排放作業。

在當前儲氫技術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成為主流，且多數為客船，燃料電池技術在遠洋船舶或其他大型船舶上的示范應用甚少，續航里程和儲氫效率是主要制約因素，這也是“SeaShuttle”項目船舶所體現的巨大意義。當然除SeaShuttle”項目船舶外，很多氫燃料電池船也是可圈可點。

最知名的氫燃料電池船當屬法國企業Energy Observer早前推出的搭載豐田氫燃料電池系統的“Energy Observer”。這艘由帆船比賽用船改裝而成的雙體船總長31米、型寬13米、吃水2.2米，通過海水制氫生成電能，在整個航行過程中完全使用自生動力。未來的“Energy Observer 2”則為總長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，設計航速12節，達飛海運集團作為Energy Observer的戰略合作伙伴，將分析這艘新一代氫燃料電池船的商用和運營參數，以致力于海上運輸能源轉型。

客船行業發達的歐洲對氫燃料電池船的需求增長較快，試點項目多樣。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臺由Proton Motor研發的“PM Basic A 50 maritime”集成燃料電池系統，單臺功率48kW，采用35MPa高壓儲氫技術，12個燃料儲罐可裝50公斤氫燃料，可保證連續作業2-3天。渡輪“MF Hydra”配備2臺200kW的燃料電池和2臺440kW的柴油發電機，船長82.4米，型寬17.5米，可搭載292名乘客和多達80臺汽車�？痛�“Hydroville”采用2臺總功率為441kW的燃料電池為其提供動力，船長12米，型寬4.2米，最大航速27節。“Nemo H2”動力系統包括2臺30kW的燃料電池和一組蓄電池，輸出功率70kW，采用35PMa的高壓儲氫方式，儲氫量24公斤。船長44米的600客“Hornblower Hybrid”動力系統除32kW的燃料電池外，還包括2臺風力發電機和一組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30kW模塊化高溫質子交換膜燃料電池(HTPEM)作為輔助動力，該船船長177米，型寬28米，載客2500人。

側重不同，向勢而行

2020年，加拿大燃料電池供應商巴拉德(Ballard)推出了大功率船用氫燃料電池系統，該系統由200kW的基本電池系統模塊Cwave組成，可以連接成更大功率的電池系統模塊組，模塊化組件可擴展功率從200kW到兆瓦級，以支持船舶推進、輔助動力和系統冗余。這套系統現正用于“MF Hydra”上。Hydrogenics也是一家知名的水電解質子交換膜技術制氫和燃料電池產品開發制造企業，2019年，康明斯完成對Hydrogenics的收購，具備了從制氫到燃料電池制造的完整產業能力，為不同市場用戶提供差異化的氫能源集成解決方案。2019年，全球領先的固體氧化物燃料電池供應商Bloom Energy與三星重工合作設計和開發采用“Bloom Energy Server”技術驅動的船舶。該技術的模塊化特性使其非常適合有限空間部署，優化空間利用率。

除上述北美知名燃料電池供應商外，歐洲燃料電池發展也取得了重要成果。AFC Energy的“S系列”燃料電池系統采用堿性燃料電池技術，該技術需要在非燃燒過程中進行氫和氧的電化學組合，從而將化學能轉換為電能。這種燃料電池技術一個關鍵而獨特的優勢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，由于氨作為一種不含碳元素液態無機載體，可以通過裂解產生氫和氮，全過程不存在碳排放。另外一家英國公司Ceres Power以先進的固體氧化物燃料電池技術而獲得市場認可，2018年5月，濰柴動力通過認購部分發行股份的方式持有該公司20%股權。2020年，Ceres Power與合作伙伴開發用于環保型海洋推進和發電的兆瓦級固體氧化物電池系統。SFC Energy成功開發和制造了具有高發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多臺設備。荷蘭企業Nedstack是世界領先的質子交換膜燃料電池生產商之一，其產品應用經過多場景充分驗證，Future Proof Shipping計劃打造的零排放船舶項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郵船上設計2MW氫燃料電池動力裝置概念。2023年3月，瑞典企業PowerCell宣布與挪威電氣集成商SEAM簽署全球最大的氫動力船舶項目，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系統制造商Vinssen已交付了以實證為目的船用氫燃料電池系統，通過氫燃料電池滾裝船驗證其穩定性和性能。Vinssen還在開發以質子交換膜燃料電池和已獲得型式認可的鋰離子電池為電源的混合動力推進系統，同時將建一艘由200kW燃料電池系統和125kW電池混合系統驅動的電動船。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及實證聯盟，旨在將600kW固體氧化物燃料電池應用于船舶輔助動力裝置的實證項目。斗山負責船用燃料電池系統的設計制造和穩定性評價、系統控制技術開發，HD KSOE負責基于海洋環境特殊性的燃料電池配置設計、船舶連接系統控制技術開發。

日本洋馬動力技術公司(Yanmar Power Technology)已成功將船用氫燃料電池系統商業化，并計劃在一系列船舶上安裝。該型船用氫燃料電池系統適用于多種船舶，特別是加氫相對容易的沿海地區運營的客船、工作船和貨船，標準系統額定輸出功率為300kW。最重要的是，該系統允許多臺并聯，并可調整氫燃料電池模塊數量，使其能夠適應各種船舶功率輸出要求。

我國，國氫科技自主研發的“氫騰”船用燃料電池是國內首臺百千瓦級船用氫燃料電池發電系統，適用于內河等航運應用場景，根據中國船級社(CCS)氫燃料電池規范進行設計與驗證，具有高可靠性、高安全性、高擴展性、長壽命和零排放等特點。“西海新源1號”搭載的正是國氫科技FCPS-S12船用氫燃料電池系統。未勢能源和東方氫能自主研發的船用燃料電池發電系統也相繼順利獲得CCS頒發的型式認可證書。未勢能源船用燃料電池系統具有高集成、高能量轉化效率與AI智能化控制等技術優勢，國產化率達到100%，配套應用于氫動力交通船“蠡湖未來”號。東方氫能的“模塊化組裝”可滿足不同船的動力要求，并通過船級社現場檢驗審查等認證流程，成為我國西部唯一一家獲得CCS船用燃料電池發電系統認可證書的企業。

安全第一，構建保障

船舶安全永遠是首位。氫的安全性對主要系統(如能源系統、機構系統、貨物系統等)均有直接或間接的影響，對于船舶設計而言是一次革命，會形成新的體系。

在國內，CCS編制的《船舶應用燃料電池發電裝置指南》于2022年7月正式對外發布，這些規范標準使得氫能船舶開始有標準可依，保證了氫能船舶與傳統能源船舶處于同一安全水平下。同時，CCS編制的E23《氫燃料電池》產品檢驗指南、B07《氫氣瓶》產品檢驗指南、M28《重整裝置》產品檢驗指南于2022年4月14日發布。上述指南的發布加快了國內氫燃料電池產品在船舶上應用的步伐。

單一故障原則。單一故障原則是一般性設計原則，廣泛應用在低閃點燃料船舶的設計中。一般來說，氫能也應按這樣的方式來設計，即單一故障不應導致燃料電池本身和船舶任何危險情況。此外，與安全有關的部件應證實與該原則相符的功能。

燃氣輸送的雙重圍護。對于氫氣供應一般認為應采用雙重圍護來實現，如果第一層氣密性能失效，第二層圍護仍能確保不發生泄漏。雙重圍護有多種實現思路——雙壁管、通風管道環圍、使用氣密外殼(如氣密的儲氫處所、氣密的燃料電池外殼、氣密閥箱等)。在滿足IEC60079-10要求，經過評估確定泄漏后的氫氣含量能降到足夠低時，也可以使用單壁管。

系統的分隔。一般來說，安全區域應與可能出現危險性氣體的處所或環境進行氣密分隔。此外還有一些通用的做法在大多數船上得到應用：將燃氣系統通過DBB閥進行隔離；用A60耐火分隔將艙室與失火風險的處所隔離；對于燃料艙處所，燃料電池內部通風也均是采用彼此獨立的通風系統分別進行通風；燃料電池艙和燃料艙處所均與安全處所、發動機艙進行了隔離，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安全運行需裝設相應的排氣系統，一般包括安全閥的可燃氣體的排放等。大部分現有氫能船舶使用35MPa壓縮氫氣作為燃料，一般采用易熔塞在發生火災時進行減壓。在正常的操作中也有一些需要氣體排放的場合，如含有燃氣設備/部件的艙室通風及燃料電池排放的廢氣。因此，通風管的設計不應帶來額外的風險，如其通風開口附近不應存在點火源，并應距離安全區域一段合適的距離，確保危險氣體和蒸氣不會影響到安全區域。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可燃性氣體環境的場所發生爆炸，通常參照IEC60092-502標準劃分危險區域，選擇防爆措施一般從3個方面進行：防止爆炸性氣體環境產生，如采用通風、雙壁管、防止氣體聚集措施等；減少點火源，如認證防爆設備、控制燃料電池內部溫度低于300攝氏度、靜電防治等；降低爆炸影響，如分隔、DBB閥、雙壁管設計、防火措施、使用不燃材料等。

高壓儲存容器的防護。壓力貯存容器最嚴重的故障是由于超壓、火災造成的破裂，因此壓力容器應避免在任何情況下發生破裂。壓力容器應有主動系統(如火災探測和滅火系統的組合)和被動系統(如易熔塞和安全閥)加以防護。應注意，安全閥應是符合相應的認證標準，不應僅僅采用一個壓力閥，還應具有相應的釋放速率。

外部影響的防護。燃料電池系統的設計應能適應船舶上的典型環境，例如碰撞、機械損傷、火災和振動，特別是火災的防護應是其考慮的重點。對外部影響的防護通常采用以下措施：在選擇燃料電池安裝位置是考慮碰撞的影響(如距離氫系統設備外殼和管路足夠的安全距離)；安裝合適的防護(如燃氣管道的額外保護)；采用多種方式進行火災防護(如隔離、自動滅火等)。

國際方面，26家歐洲領先企業和協會于2021年推出的“MarHySafe”聯合開發項目旨在為航運中氫能安全操作提供知識庫，共同研究氫能上船挑戰。該項目分兩期，《氫燃料船舶手冊》為一期，內容包括為使用質子交換膜燃料電池進行安全氫操作提供了路線圖，反映行業最新專業水平，詳細介紹了如何駕馭設計和建造的復雜要求，并涵蓋了氫操作中最重要的方面，例如安全和風險緩解、氫系統的施工細節以及海事應用的實施階段等。項目的二期預算在風險評估、實驗測試及關于氫加注和標準化的更多投入。

另外，《船舶應用燃料電池安全臨時導則》已經推出，符合技術規范的燃料電池船舶已經能夠被各港口接納。另在去年召開的國際海事組織(IMO)貨物與集裝箱運輸分委會第9次會議(CCC9)上，分委會審議有關《船舶使用氫燃料安全臨時導則》草案，并重點對定義、功能要求、風險評估、燃料準備間、燃料圍護系統、材料與管系設計和燃料加注等相關內容進行了詳細討論。會議決定該導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計要求的其他形式氫燃料；考慮到微小的氫氣泄漏也會形成可燃環境，且不可能及時切斷電氣設備，因此排除ESD機艙型式；原則上，在所有正常和可預見的操作場景下，都不應將氫釋放到周圍環境中作為常態設計。具體要求增加了“氫燃料裝置處所”和“壓縮氫氣”的定義；要求對使用氫燃料進行整體風險評估，并列出了一份確定的已知風險清單；氫燃料艙和氫燃料準備間原則上應布置在具有足夠自然通風的開敞甲板上，布置在甲板以下需要進行風險評估并經主管機關同意；使用術語“side shell”替代“ship’s side”；允許使用可移動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發生時壓縮氫氣燃料艙內壓力的措施之一，并刪除易熔塞的相關表述等。

固體氧化物燃料電池也被應用，它可在高溫條件下高效率運行，將碳基燃料在電池內部轉化為氫，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92.5米，型寬17米。“Neo Orbis”為歐洲“H2Ships”項目船型，該船以固態硼氫化鈉經過化學反應釋放出的氫氣作 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)驅動的商用渡輪，這艘船長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”的推進系統輸出功率高達2700馬力，其中1700馬力來自燃料電池，該船配備的制氫設備可直接在船上將甲醇/水混合物重整轉化為燃料電池級的高純度氫，再將氫送入燃料電池用于發電。“Ship FC”項目的氨燃料電池系統將安裝在“Viking Energy”上，通過化學反應提供氫基。

我國首艘氫燃料電池動力示范船“三峽氫舟1”號是國內首艘入級中國船級社(CCS)的氫燃料電池動力船，該船總長49.9米，型深3.2米，設計吃水1.85米，采用全回轉舵槳推進，氫燃料電池額定輸出功率500kW，最高航速達28km/h，巡航航速20km/h時的續航里程可達200公里，取得CCS燃料電池-動力1、綠色船舶-3、能效設計-3、智能船舶(智能機艙)等附加標志。交通船“蠡湖未來”號總長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動力源，最大可實現180海里續航里程。2024年1月，“西海新源1號”順利下水，成為國內首艘商用氫燃料電池動力游覽船。