“西海新源1号”(图源/武汉理工船舶)

2024年3月1日，印度科钦船厂(Cochin Shipyard)为荷兰物流服务供应商Samskip建造的新一代730TEU氢燃料电池动力支线集装箱船项目“SeaShuttle”首制船举行了钢板切割仪式。

项目深入，格局初显

Samskip于去年3月在科钦船厂订造了2艘载箱量为730TEU的氢燃料电池动力集装箱船，该系列船舶预计于2025年第三季度和第四季度交付，届时将成为全球首批使用绿色氢作为燃料的零排放支线集装箱船，并被部署在奥斯陆峡湾至鹿特丹航线。“SeaShuttle”项目船舶总长135米，零排放模式下，预计每年可减少约25000吨二氧化碳排放，另通过岸电系统在港口实现零排放作业。

在当前储氢技术及安全管理措施并未十分完善的背景下，小型或短途氢燃料电池船研发成为主流，且多数为客船，燃料电池技术在远洋船舶或其他大型船舶上的示范应用甚少，续航里程和储氢效率是主要制约因素，这也是“SeaShuttle”项目船舶所体现的巨大意义。当然除SeaShuttle”项目船舶外，很多氢燃料电池船也是可圈可点。

最知名的氢燃料电池船当属法国企业Energy Observer早前推出的搭载丰田氢燃料电池系统的“Energy Observer”。这艘由帆船比赛用船改装而成的双体船总长31米、型宽13米、吃水2.2米，通过海水制氢生成电能，在整个航行过程中完全使用自生动力。未来的“Energy Observer 2”则为总长120米、型宽22米、吃水5.5米的多用途船(240TEU/480米车道)，燃料电池总功率为2.5MW，设计航速12节，达飞海运集团作为Energy Observer的战略合作伙伴，将分析这艘新一代氢燃料电池船的商用和运营参数，以致力于海上运输能源转型。

客船行业发达的欧洲对氢燃料电池船的需求增长较快，试点项目多样。德国Alster-Touristik公司推出的全球首艘100客游船“Alsterwasser”是典型之一，该船配备2台由Proton Motor研发的“PM Basic A 50 maritime”集成燃料电池系统，单台功率48kW，采用35MPa高压储氢技术，12个燃料储罐可装50公斤氢燃料，可保证连续作业2-3天。渡轮“MF Hydra”配备2台200kW的燃料电池和2台440kW的柴油发电机，船长82.4米，型宽17.5米，可搭载292名乘客和多达80台汽车。客船“Hydroville”采用2台总功率为441kW的燃料电池为其提供动力，船长12米，型宽4.2米，最大航速27节。“Nemo H2”动力系统包括2台30kW的燃料电池和一组蓄电池，输出功率70kW，采用35PMa的高压储氢方式，储氢量24公斤。船长44米的600客“Hornblower Hybrid”动力系统除32kW的燃料电池外，还包括2台风力发电机和一组20kW光伏列阵。往返于赫尔辛基和斯德哥尔摩之间的渡轮“MS Mariella安装了2台30kW模块化高温质子交换膜燃料电池(HTPEM)作为辅助动力，该船船长177米，型宽28米，载客2500人。

侧重不同，向势而行

2020年，加拿大燃料电池供应商巴拉德(Ballard)推出了大功率船用氢燃料电池系统，该系统由200kW的基本电池系统模块Cwave组成，可以连接成更大功率的电池系统模块组，模块化组件可扩展功率从200kW到兆瓦级，以支持船舶推进、辅助动力和系统冗余。这套系统现正用于“MF Hydra”上。Hydrogenics也是一家知名的水电解质子交换膜技术制氢和燃料电池产品开发制造企业，2019年，康明斯完成对Hydrogenics的收购，具备了从制氢到燃料电池制造的完整产业能力，为不同市场用户提供差异化的氢能源集成解决方案。2019年，全球领先的固体氧化物燃料电池供应商Bloom Energy与三星重工合作设计和开发采用“Bloom Energy Server”技术驱动的船舶。该技术的模块化特性使其非常适合有限空间部署，优化空间利用率。

除上述北美知名燃料电池供应商外，欧洲燃料电池发展也取得了重要成果。AFC Energy的“S系列”燃料电池系统采用碱性燃料电池技术，该技术需要在非燃烧过程中进行氢和氧的电化学组合，从而将化学能转换为电能。这种燃料电池技术一个关键而独特的优势在于能够利用氢基燃料(如氨)提取氢，而不需要昂贵的超高纯度氢气。同时，由于氨作为一种不含碳元素液态无机载体，可以通过裂解产生氢和氮，全过程不存在碳排放。另外一家英国公司Ceres Power以先进的固体氧化物燃料电池技术而获得市场认可，2018年5月，潍柴动力通过认购部分发行股份的方式持有该公司20%股权。2020年，Ceres Power与合作伙伴开发用于环保型海洋推进和发电的兆瓦级固体氧化物电池系统。SFC Energy成功开发和制造了具有高发电效率的小型直接甲醇燃料电池，这家德国公司在全球部署了60000多台设备。荷兰企业Nedstack是世界领先的质子交换膜燃料电池生产商之一，其产品应用经过多场景充分验证，Future Proof Shipping计划打造的零排放船舶项目中的配套电堆即由Nedstack提供，Nedstack还与通用电气合作在一艘探险邮船上设计2MW氢燃料电池动力装置概念。2023年3月，瑞典企业PowerCell宣布与挪威电气集成商SEAM签署全球最大的氢动力船舶项目，为两艘渡轮提供6.5兆瓦氢燃料电池解决方案。

韩国船用氢燃料电池推进系统制造商Vinssen已交付了以实证为目的船用氢燃料电池系统，通过氢燃料电池滚装船验证其稳定性和性能。Vinssen还在开发以质子交换膜燃料电池和已获得型式认可的锂离子电池为电源的混合动力推进系统，同时将建一艘由200kW燃料电池系统和125kW电池混合系统驱动的电动船。斗山(Doosan)则与壳牌和韩国造船海洋(HD KSOE)成立了船用燃料电池开发及实证联盟，旨在将600kW固体氧化物燃料电池应用于船舶辅助动力装置的实证项目。斗山负责船用燃料电池系统的设计制造和稳定性评价、系统控制技术开发，HD KSOE负责基于海洋环境特殊性的燃料电池配置设计、船舶连接系统控制技术开发。

日本洋马动力技术公司(Yanmar Power Technology)已成功将船用氢燃料电池系统商业化，并计划在一系列船舶上安装。该型船用氢燃料电池系统适用于多种船舶，特别是加氢相对容易的沿海地区运营的客船、工作船和货船，标准系统额定输出功率为300kW。最重要的是，该系统允许多台并联，并可调整氢燃料电池模块数量，使其能够适应各种船舶功率输出要求。

我国，国氢科技自主研发的“氢腾”船用燃料电池是国内首台百千瓦级船用氢燃料电池发电系统，适用于内河等航运应用场景，根据中国船级社(CCS)氢燃料电池规范进行设计与验证，具有高可靠性、高安全性、高扩展性、长寿命和零排放等特点。“西海新源1号”搭载的正是国氢科技FCPS-S12船用氢燃料电池系统。未势能源和东方氢能自主研发的船用燃料电池发电系统也相继顺利获得CCS颁发的型式认可证书。未势能源船用燃料电池系统具有高集成、高能量转化效率与AI智能化控制等技术优势，国产化率达到100%，配套应用于氢动力交通船“蠡湖未来”号。东方氢能的“模块化组装”可满足不同船的动力要求，并通过船级社现场检验审查等认证流程，成为我国西部唯一一家获得CCS船用燃料电池发电系统认可证书的企业。

安全第一，构建保障

船舶安全永远是首位。氢的安全性对主要系统(如能源系统、机构系统、货物系统等)均有直接或间接的影响，对于船舶设计而言是一次革命，会形成新的体系。

在国内，CCS编制的《船舶应用燃料电池发电装置指南》于2022年7月正式对外发布，这些规范标准使得氢能船舶开始有标准可依，保证了氢能船舶与传统能源船舶处于同一安全水平下。同时，CCS编制的E23《氢燃料电池》产品检验指南、B07《氢气瓶》产品检验指南、M28《重整装置》产品检验指南于2022年4月14日发布。上述指南的发布加快了国内氢燃料电池产品在船舶上应用的步伐。

单一故障原则。单一故障原则是一般性设计原则，广泛应用在低闪点燃料船舶的设计中。一般来说，氢能也应按这样的方式来设计，即单一故障不应导致燃料电池本身和船舶任何危险情况。此外，与安全有关的部件应证实与该原则相符的功能。

燃气输送的双重围护。对于氢气供应一般认为应采用双重围护来实现，如果第一层气密性能失效，第二层围护仍能确保不发生泄漏。双重围护有多种实现思路——双壁管、通风管道环围、使用气密外壳(如气密的储氢处所、气密的燃料电池外壳、气密阀箱等)。在满足IEC60079-10要求，经过评估确定泄漏后的氢气含量能降到足够低时，也可以使用单壁管。

系统的分隔。一般来说，安全区域应与可能出现危险性气体的处所或环境进行气密分隔。此外还有一些通用的做法在大多数船上得到应用：将燃气系统通过DBB阀进行隔离；用A60耐火分隔将舱室与失火风险的处所隔离；对于燃料舱处所，燃料电池内部通风也均是采用彼此独立的通风系统分别进行通风；燃料电池舱和燃料舱处所均与安全处所、发动机舱进行了隔离，燃料电池舱和燃料舱处所也需要隔离。

气体的安全排放。为确保燃料电池系统安全运行需装设相应的排气系统，一般包括安全阀的可燃气体的排放等。大部分现有氢能船舶使用35MPa压缩氢气作为燃料，一般采用易熔塞在发生火灾时进行减压。在正常的操作中也有一些需要气体排放的场合，如含有燃气设备/部件的舱室通风及燃料电池排放的废气。因此，通风管的设计不应带来额外的风险，如其通风开口附近不应存在点火源，并应距离安全区域一段合适的距离，确保危险气体和蒸气不会影响到安全区域。易熔塞的高压排气管和安全阀也需注意类似问题。

防爆。防爆是为避免在所有可能出现可燃性气体环境的场所发生爆炸，通常参照IEC60092-502标准划分危险区域，选择防爆措施一般从3个方面进行：防止爆炸性气体环境产生，如采用通风、双壁管、防止气体聚集措施等；减少点火源，如认证防爆设备、控制燃料电池内部温度低于300摄氏度、静电防治等；降低爆炸影响，如分隔、DBB阀、双壁管设计、防火措施、使用不燃材料等。

高压储存容器的防护。压力贮存容器最严重的故障是由于超压、火灾造成的破裂，因此压力容器应避免在任何情况下发生破裂。压力容器应有主动系统(如火灾探测和灭火系统的组合)和被动系统(如易熔塞和安全阀)加以防护。应注意，安全阀应是符合相应的认证标准，不应仅仅采用一个压力阀，还应具有相应的释放速率。

外部影响的防护。燃料电池系统的设计应能适应船舶上的典型环境，例如碰撞、机械损伤、火灾和振动，特别是火灾的防护应是其考虑的重点。对外部影响的防护通常采用以下措施：在选择燃料电池安装位置是考虑碰撞的影响(如距离氢系统设备外壳和管路足够的安全距离)；安装合适的防护(如燃气管道的额外保护)；采用多种方式进行火灾防护(如隔离、自动灭火等)。

国际方面，26家欧洲领先企业和协会于2021年推出的“MarHySafe”联合开发项目旨在为航运中氢能安全操作提供知识库，共同研究氢能上船挑战。该项目分两期，《氢燃料船舶手册》为一期，内容包括为使用质子交换膜燃料电池进行安全氢操作提供了路线图，反映行业最新专业水平，详细介绍了如何驾驭设计和建造的复杂要求，并涵盖了氢操作中最重要的方面，例如安全和风险缓解、氢系统的施工细节以及海事应用的实施阶段等。项目的二期预算在风险评估、实验测试及关于氢加注和标准化的更多投入。

另外，《船舶应用燃料电池安全临时导则》已经推出，符合技术规范的燃料电池船舶已经能够被各港口接纳。另在去年召开的国际海事组织(IMO)货物与集装箱运输分委会第9次会议(CCC9)上，分委会审议有关《船舶使用氢燃料安全临时导则》草案，并重点对定义、功能要求、风险评估、燃料准备间、燃料围护系统、材料与管系设计和燃料加注等相关内容进行了详细讨论。会议决定该导则原则上只适用于液氢和压缩氢气，暂不包含金属氢化物和其他含氢化合物，但也可接受满足替代设计要求的其他形式氢燃料；考虑到微小的氢气泄漏也会形成可燃环境，且不可能及时切断电气设备，因此排除ESD机舱型式；原则上，在所有正常和可预见的操作场景下，都不应将氢释放到周围环境中作为常态设计。具体要求增加了“氢燃料装置处所”和“压缩氢气”的定义；要求对使用氢燃料进行整体风险评估，并列出了一份确定的已知风险清单；氢燃料舱和氢燃料准备间原则上应布置在具有足够自然通风的开敞甲板上，布置在甲板以下需要进行风险评估并经主管机关同意；使用术语“side shell”替代“ship’s side”；允许使用可移动式液氢或压缩氢气燃料舱；将热压力释放装置作为降低火灾发生时压缩氢气燃料舱内压力的措施之一，并删除易熔塞的相关表述等。

固体氧化物燃料电池也被应用，它可在高温条件下高效率运行，将碳基燃料在电池内部转化为氢，并有效利用高温余热提升整体热效率。由德国Sunfire公司研发的利用低硫燃料重整制氢的总功率为100kW的固体氧化物燃料电池就被用于“MS Forester”上，该船船长92.5米，型宽17米。“Neo Orbis”为欧洲“H2Ships”项目船型，该船以固态硼氢化钠经过化学反应释放出的氢气作 为燃料电池的能源。“Sea Change”将是美国首艘完全由氢燃料电池(另配锂离子电池)驱动的商用渡轮，这艘船长21米、可搭载75名乘客，配备360kW燃料电池。甲醇制氢燃料电池拖船 “Hydrogen One”的推进系统输出功率高达2700马力，其中1700马力来自燃料电池，该船配备的制氢设备可直接在船上将甲醇/水混合物重整转化为燃料电池级的高纯度氢，再将氢送入燃料电池用于发电。“Ship FC”项目的氨燃料电池系统将安装在“Viking Energy”上，通过化学反应提供氢基。

我国首艘氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟1”号是国内首艘入级中国船级社(CCS)的氢燃料电池动力船，该船总长49.9米，型深3.2米，设计吃水1.85米，采用全回转舵桨推进，氢燃料电池额定输出功率500kW，最高航速达28km/h，巡航航速20km/h时的续航里程可达200公里，取得CCS燃料电池-动力1、绿色船舶-3、能效设计-3、智能船舶(智能机舱)等附加标志。交通船“蠡湖未来”号总长20.5米，型宽5.2米，额定乘员20人，配备两套110kW氢燃料电池作为主要动力源，最大可实现180海里续航里程。2024年1月，“西海新源1号”顺利下水，成为国内首艘商用氢燃料电池动力游览船。