彭元亭

中国船舶集团首席专家，中国船舶集团第七一二所研究所研究员/博导，享受国务院特殊津贴专家，国家多个部委动力与能源技术领域专家组专家，中船集团专家组专家。工作以来一直从事船舶领域动力电池及燃料电池动力与能源系统研发，主持或完成了多项船舶领域重大科研及产品研制任务，获省部级科技成果奖12项。

近年来，我国积极推动氢能产业发展，在关键核心技术攻关、多场景高效利用、产业健康有序发展等方面加大部署力度。特别是2022年3月份国家发展改革委发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》，进一步明确了氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。那么，未来氢能产业发展趋势以及技术发展路径到底是怎么样的？氢燃料能否成为新一代船舶主流能源？未来氢燃料电池船舶商业化进程又将如何发展？对此，我们特别邀请了中国船舶集团首席专家、中国船舶集团第七一二所研究员彭元亭为我们分享他的独到见解。

问：近年来，我国氢能产业发展非常迅猛，对此，您如何看待这种发展态势？

答：氢能产业是国家“双碳战略”和能源安全的重要抓手，目前处于商业化导入阶段，其成本已大幅下降，产业化程度接近商业化水平。未来氢能产业发展主要聚焦交通和发电领域，风电、水电、光伏、生物质等可再生能源制氢以及核电制氢有广阔开发前景；大力发展规模化高密度制储运氢，例如：固态储氢、液氢、液氨、甲醇等，规模化布局大中小型加氢站；燃料电池重卡、工程车、商用车等车辆，船舶以及分布式热电联供能源电站将得到优先发展，乘用车紧接跟进规模化应用，形成可再生能源氢储能、燃料电池氢应用的清洁可持续发展模式。

对于未来氢能产业技术发展，我认为主要有以下三个方面，一是氢能与燃料电池材料及零部件的全国产化，进一步降低成本；二是发展高效规模化制储运氢，扩大加氢站布局与规模；三是提升燃料电池发动机/系统可靠性与寿命。

问：七一二所长期聚焦于燃料电池在船舶领域的应用，积累了较全面的高安全性储氢与燃料电池技术基础。目前七一二所在氢能产业战略方面进行了哪些探索和技术研究？未来有哪些战略布局？氢燃料能否成为新一代船舶主流能源？

答：七一二所在国家部委、地方政府及集团公司等项目支持下，聚焦氢能产业链中的“氢能储存与应用”环节，以“低成本、长寿命”燃料电池动力系统和发电装置、“高安全、高致密”储制氢技术的多场景应用为发展目标，围绕燃料电池堆及核心组件、内河船用燃料电池动力系统、海洋装备燃料电池动力系统、车用燃料电池发动机、燃料电池电站、储制氢装置等六个方向开展技术攻关与业务拓展。近三年来，形成了燃料电池堆、高效高安全储制氢、智能控制与能量管理、大功率燃料电池系统集成与测试等四类核心技术，具备CNAS“三合一”燃料电池检验资质，建设有燃料电池电堆及核心组件、船用燃料电池发动机、燃料电池发电站等产研基地，并与武汉市科技局、洪山区人民政府联合成立武汉氢能与燃料电池产研院，正在大力推进技术创新、人才培养与引进、成果转化与市场化工作。结合“绿色珠江”与“绿色长江”工程的推进，以氢燃料电池标准船型为切入点，打造百千瓦至兆瓦级标准化、模块化、系列化船用燃料电池产品，完善内河与近海船舶应用；以远洋船舶辅助动力为目标，开展新型燃料电池动力技术攻关，探索主动力应用可行性。

在“双碳”战略下，内河在役传统燃油动力船舶将面临节能减排改造，新造船已排除传统燃油动力；燃料电池具有发电高效、高能量密度、低振动噪声、零排放等特点，新船将是蓄电池、燃料电池等新能源动力为主导。随着高密度氢能制储运发展、成本大幅降低、燃料补给站规模化及燃料电池技术进步等，氢能燃料将会成为新一代内河船舶主流能源，近海及远洋船舶的辅助能源。

问：据了解，由七一二所作为牵头单位研发的氢燃料电池和锂电池动力系统的“三峡氢舟1号”已进入实船建造阶段，能否给业界分享一下这方面的经验？

答：“三峡氢舟1号”是七一二所承担的国家高技术船舶科研项目-氢燃料动力船舶关键技术研究的主要成果。该项目的目标是以突破船用氢燃料电池动力技术为重点，开展氢燃料电池动力船舶技术标准、总体设计技术、燃料电池系统研发、动力系统控制与能量管理技术、船用氢燃料加注、存储与供气技术、安全性设计与评估技术和试验技术研究，开发一型燃料电池主电源总输出功率500kW以上的氢燃料动力船舶，并在内河开展实船示范应用，推动船舶工业转型升级，以适应高性能绿色船舶的市场需求。项目最大特点就是全产业链零排放，通过三峡水利发电，电解水制氢；然后通过燃料电池将氢气转化为电能、热能和水，为船舶提供动力；实现能源“从水中来，还到水中去”的循环可持续利用。

目前，“三峡氢舟1号”已于2022年5月开建，并已完成燃料电池系统、高压储氢瓶组等所有核心部件的中国船级社(CCS)产品认证，计划2022年年底下水，2023年上半年交付使用。另外，“三峡氢舟1号”配套的氢燃料加注方案采用固定式岸基制氢加氢站为主，撬装式加氢站为辅的方式。其中，岸基站采用制氢加氢一体站建设模式，在三峡坝区右岸杨家湾码头内建设制氢加氢站1座，制氢规模200Nm3/h(PEM电解水制氢)，加氢规模500kg/d，配备专用的加氢机和加氢臂为“三峡氢舟一号”公务船补给氢燃料，建成后也将是国内第一个为船舶服务的加氢站。

从项目立项到示范船建造，“三峡氢舟1号”项目至今历时三年时间，回想起来，有三个方面感受很深。

一是配合CCS填补国内法规和规范空白，为氢燃料船舶奠定基础。这艘国内第1条燃料电池船诞生前，存在“先有鸡还是先有蛋”的问题，即先有相应法规还是先有承研资质问题。项目立项前，国内尚无氢燃料船舶的法规、规范和检验指南，所以项目筹划阶段邀请CCS加入，为本项目的送审、入级、报检等工作提供规范支持。边干边配合CCS开展相应法规、规范、检验指南等法规性文件研究并完成其制定，所有上船设备通过型式试验考核测试取得产品型式认可证书。

二是通过试验船验证氢燃料电池上船的适装性、安全性和补给保障性。在项目实施阶段，项目组先期将氢燃料电池发电模块及缩比系统搭载在我所由1艘客船改造的燃料电池动力试验船进行试验，该试验船可搭载氢燃料电池系统功率140kW，储能400kWh，为目前国内功率等级最大的氢燃料电池试验船舶，有效验证了燃料电池上船的适装性、安全性和补给保障性，为后续的“三峡氢舟1号”奠定了扎实的技术基础和运行经验。

三是示范船由改造方案改为新建方案，降低风险提升示范效益。通过上述试验船获得了宝贵的改造燃料电池船舶的经验，再结合中国海事局和CCS即将正式颁布的法规和规范，发现尺度较小、船龄较长的船舶改造难度较大，存在一定技术与安全风险，示范效果不显著问题。所以为了更好地保证示范效果，由原来的改造一艘十年船龄的公务船改为新建一艘氢燃料动力公务船。

结合船东和运营方主业，通过氢燃料动力船舶实现共赢。新建示范船船东为长江电力股份有限公司，负责示范船和配套岸基加氢站的建造工作，该项目让长江电力勇敢迈出了探索氢化长江的第一步，也为未来三峡水电制氢尝试出路；长江三峡通航管理局通过自身在三峡、葛洲坝水利枢纽水域通航综合行政管理和枢纽通航建筑物运行公益服务的两大职能，负责协助示范船建造的具体实施和示范船后期运行维护管理等工作，保障示范船的安全稳定运营，同时利用本身的高规格服务平台，既可提供高质量的航行体验，也能增加氢燃料动力船舶的社会示范效应。

问：目前，船舶氢燃料电池领域，在哪些环节还存在着制约因素和限制？或者说挑战在哪里？该如何应对？

答：“三峡氢舟1号”是国内第一艘氢燃料电池动力新能源高技术船舶，船舶氢燃料电池领域开发与推广，在一些环节还存在着些制约因素和限制。

一是技术规范和标准体系有待完善。今年，中国海事局法规《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则(2022)》、中国船级社(CCS)规范《船舶应用燃料电池发电装置指南》，以及CCS产品检验指南《氢燃料电池》《氢气瓶》和《重整装置》的编制和颁布工作相继完成，这些法规、规范和产品检验指南的颁布标志着国内氢燃料动力船舶将正式进入工程化应用阶段。但与法规和规范配套的船舶行业标准及营运安全监管等标准体系仍然需要进一步完善，标准仍然空缺。需要配合CCS开展如氢燃料补给、不同燃料电池种类在船舶上应用、燃料电池在不同尺寸和船型上应用等方面的规范研究。

二是寿命和成本离商用化尚有一定距离。对于船用燃料电池系统，其寿命瓶颈在燃料电池电堆、氢气循环泵等关键零部件，要求5万小时以上；而国内氢空燃料电池电堆的寿命约1万小时，在关键材料稳定性、结构设计以及操作策略等方面仍需加强研究开发。目前符合CCS要求的燃料电池系统成本约1万/kW；美国能源部测算，以大规模生产(50万台/年)为测算条件，燃料电池发动机成本最终目标是30美元/kW。所以燃料电池成本下降空间巨大，需要加快市场化进程，通过国产化、大规模商业化应用降低成本。

三是高效安全的制储运供氢技术有待提升。随着燃料电池技术快速进步，储制氢技术已成为现阶段制约燃料电池动力发展的瓶颈，目前的储氢方式多种，包括高压气态储氢、固态储氢、液氢、液氨、有机液体储氢、甲醇等，在储氢密度、排放、安全性、补给保障性等方面各有特色，需要针对不同的船型、排放要求、水域和应用周边的燃料补给保障条件决定选用特定氢源，需要进一步开发新型高效高安全性船用储供氢技术(美国能源部双7%指标)，以及快速补给技术，以满足船舶应用各个方面的要求。

四是缺乏配套设施。氢燃料动力船舶需要的配套设施主要包括氢气制备、氢气储运和氢气加注。其中，氢气的制备和储运可利用车用燃料电池产业的配套条件，而船舶加氢站目前国内尚未有应用案例，而且缺乏相关法规和规范的支撑。建议国家、行业专业机构加快研讨，出台相关政策，鼓励社会资金加入氢燃料电池船舶产业链上来，加速配套设施发展。

问：近年来，七一二所围绕氢能产业战略与CCS开展过哪些方面的合作？取得了怎样的成效？

答：近年来，七一二所与CCS的合作是全面且深入的。2019年，中国船舶集团就紧密联合CCS开展船用燃料电池系统性能、安全性、加储氢等七个专项研究验证工作。到2020年底，七一二所和集团其他兄弟单位配合CCS完成了上述七项验证研究，在此基础上中国海事局发布了《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则(2022)》，CCS还相继完成了《船舶应用燃料电池发电装置指南》和《氢燃料电池》《氢气瓶》《重整装置》等规范指南的研究编制工作。上述法规、规范和检验指南的正式颁布标志着国内氢燃料电池船舶正式进入工程化应用阶段。

2021年9月，CCS向七一二所颁发了燃料电池发电系统型式认可证书，标志着其船用燃料电池发电系统处于国内现阶段最高水平，可以满足船舶入级规范的要求，也就是完全取得了船舶市场的投放运营资格，可以随时接待用户订单，向燃料电池在船舶领域的应用迈出关键一步，起到了行业示范引领作用。

2022年7月，CCS制定的《船舶应用燃料电池发电装置指南》2022版正式生效。次日，CCS向七一二所颁发了RMZA-70K型船用燃料电池发电模块型式认可证书，该型模块是全国首款符合最新《指南》的船用燃料电池产品，再次确立七一二所在船用燃料电池领域的领先地位。

2022年10月，CCS向七一二所颁发了国内首批系列化的燃料电池发电系统产品认可证书，为国内首艘入级的氢燃料电池船舶“三峡氢舟1号”奠定了基础。

问：未来希望继续在哪些领域展开合作？

答：未来，七一二所将继续密切配合CCS开展PEMFC、SOFC、固态储氢、液氢、液氨、有机液体储氢、甲醇、LNG等更多种类型燃料电池和储供氢装置的规范和检验指南的编制，并开发相应的船用产品，取得CCS认可证书，在公务船、观光游船、渡轮、游轮、集装箱船、散货船等多型实船上开展示范运营与推广应用，加速氢燃料电池船舶大规模商业化进程，推动船用产品制造业高质量发展。