本文從氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用的角度，論述了其在孤島微電網(wǎng)、船用電源等場景下的國內(nèi)外技術對比、市場前景、關鍵技術難點及解決思路分析，對我國氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用可行性具有一定參考價值。

引  言

海洋占地球表面積約70%，理論能量總量約為766億千瓦，海洋能作為可再生能源的代表是名副其實的“藍色煤海”。近年來，加快海洋能開發(fā)利用、推進海洋能技術產(chǎn)業(yè)化已成為世界各國的普遍共識和一致行動。然而，海洋能具有不穩(wěn)定性，必須將其轉(zhuǎn)化成電能或者化學能儲存起來才能滿足人類持續(xù)的能源需求。眾所周知，氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介。海洋氫能將是未來遠離大陸孤島能源利用、航運清潔能源選擇的最佳解決方案之一。

據(jù)統(tǒng)計，我國面積達500平方米以上的島嶼為6536個，總面積72800多平方公里，島嶼岸線長14217.8公里，其中有人居住的島嶼為450個。偏遠孤島遠離電廠、人口稀少，遠距離架設輸電網(wǎng)絡不符合經(jīng)濟效益，鋪設海底電纜的前期投入和后期維護費用巨大。因此，目前有人島的供電多由柴油發(fā)電機提供。隨著島嶼用電負荷越來越大，傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機的柴油消耗量越來越大，靠遠程運輸獲得燃料的方式越來越捉襟見肘。同時，柴油發(fā)電機也會帶來環(huán)境污染的問題。對于孤島而言，可再生能源豐富，但存在許多不穩(wěn)定因素，其難點主要在于發(fā)電的波動性。波動的可再生能源使發(fā)電高峰和用電高峰產(chǎn)生錯配。比方說當海風活躍時，風力發(fā)電產(chǎn)生的電能可以直接傳遞給用戶。但是當海島處于弱風期時，風力發(fā)電無法滿足用戶的日常用電需求。因此，在遠離大陸的孤島組建孤島微電網(wǎng)，采用“風力（太陽能）發(fā)電+儲能+發(fā)電系統(tǒng)”恰好能解決這一難題。

在海洋船舶領域，目前國內(nèi)外大部分船舶由柴油發(fā)動機驅(qū)動，船用電源基于柴油發(fā)動機發(fā)電機組進行儲能。現(xiàn)如今，國外主流船用電源有酸性蓄電池、堿性蓄電池和鋰電池。雖然酸性蓄電池和堿性蓄電池技術成熟度高、得到廣泛應用，但其生產(chǎn)過程中會帶來環(huán)境污染。在全球“節(jié)能減排、綠色智能”的大背景下，正逐漸由“柴油發(fā)動機+蓄電池”模式向新能源純電動船舶、柴電混合動力船舶轉(zhuǎn)型。目前，新能源純電動船舶普遍使用鋰離子電池作為動力能源系統(tǒng)，其運營和建造市場主要集中在歐洲和中國市場。根據(jù)Maritime Battery Forum的統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)有超過300艘船舶已經(jīng)在使用鋰電池。然而，鋰電池因比能量較低使得其只適合于游船、渡船、公務船等，對于一些長距離航行、大批量運送貨物的沿海及遠洋傳輸?shù)呢洿瑹o法滿足動力需求。

氫燃料電池是21世紀綠色能源技術的制高點，可將自身攜帶的氫燃料與氧化劑（空氣、純氧）中的化學能經(jīng)電化學反應直接轉(zhuǎn)化為電能供人們?nèi)粘Ｊ褂肹2]。其優(yōu)點包括能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、振動噪聲低、紅外特征低、零排放等。目前，燃料電池在車用發(fā)動機、電站、船用動力系統(tǒng)等領域已得到充分驗證。由此可見，對于遠離大陸的孤島采用“風力（太陽能）發(fā)電制氫+燃料電池系統(tǒng)”的模式，可以有效地解決島上能源供應不穩(wěn)定性、環(huán)保等問題。對于船用動力系統(tǒng)而言，氫燃料電池系統(tǒng)可用于包括游艇、公務船、貨輪、遠洋船等各種類型船舶。

本文將從氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用的角度，論述其在孤島微電網(wǎng)、船用電源等場景下的國內(nèi)外技術對比、市場前景、關鍵技術難點及解決思路，為我國燃料電池發(fā)電裝置海上應用可行性提供了一定參考價值。

1 國內(nèi)外技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 孤島微電網(wǎng)

希臘在基斯諾斯島上建設孤島微電網(wǎng)為十二戶居民日常用電供電。采用400 V配網(wǎng)，包含6臺光伏發(fā)電單元，共11 kW，1臺5 kW柴油機，1臺3.3 kW/50 kWh蓄電池/逆變器系統(tǒng)。蘇美達能源公司為菲律賓萊特省南部的利馬薩瓦島設計并建設了光伏發(fā)電+柴油機發(fā)電的混合能源智能孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了利馬薩瓦島7×24小時不間斷穩(wěn)定電力供應。該項目每年可以發(fā)電175000 kWh，不僅可以保障海島的常規(guī)用電不受惡劣天氣影響，更產(chǎn)生良好的節(jié)能環(huán)保效果。

日本由于國土面積有限、石油等化石能源匱乏，發(fā)展集成可再生能源的孤島微電網(wǎng)成為日本能源發(fā)展的特點。2009年，日本啟動島嶼新能源獨立電網(wǎng)實證項目，在鹿兒島縣和沖繩縣地區(qū)的10個海島上完成了孤島微電網(wǎng)示范工程的建設，比方說宮古島的大型孤島微電網(wǎng)。2011年，日本大地震及其誘發(fā)的海嘯引發(fā)了嚴重的大范圍停電。震災期間，仙臺市微電網(wǎng)在大電網(wǎng)失電的情況下，獨立運行60余個小時內(nèi)通過儲能設備和燃氣發(fā)電實現(xiàn)了關鍵負荷的不間斷供電，有力保障了微電網(wǎng)內(nèi)關鍵設備的正常運行。災害過后，日本更加重視微電網(wǎng)的研究和建設，以提高其電力供應的抗災害能力及缺口。

燃料電池因技術成熟度較低雖在孤島微電網(wǎng)場景下尚無應用案例，但近年來國外已開始布局孤島微電網(wǎng)制氫示范運行。2020年，西歌與丹麥電解設備供應商計劃將在丹麥建設一個直接在風機附近制氫的風電制氫示范項目“Brande Hydrogen”。該項目使用“孤島模式”在一臺3 MW陸上風機旁放置一套400 kW電解設備，就地電解制氫。

1.1.2 船用電源

目前，歐洲、日本、美國等先進國家在船用燃料電池技術領域處于領先地位，已實現(xiàn)燃料電池船舶示范及應用，正步入推廣應用階段[3]。燃料電池發(fā)電裝置可為船舶推進動力和日常負荷提供電能，應用于公務船、客船、游船、游艇等船型。2008年，德國研制出100客“Alsterwasser”號燃料電池游船，其采用燃料電池系統(tǒng)作為主推進動力，功率達到100 kW，最高航速可到14 km/h。2008年，冰島建成150名乘客的125噸觀鯨船，該船輔助供電系統(tǒng)由10 kW氫燃料電池構(gòu)成。2015年，日本下水試航首款氫燃料電池漁船，搭載450 L氫燃料，最高航速可達37 km/h。2021年，美國首艘氫燃料電池船“Sea Change”號在加利福尼亞州舊金山灣投入運營。船長70英尺，可搭載75名乘客，最高時速可達22海里/小時。該船電力系統(tǒng)由360 kW燃料電池和容量為246 kg的儲氫罐組成，同時集成了100 kWh鋰離子電池。

1.2 國內(nèi)技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 孤島微電網(wǎng)

近年來，國內(nèi)開始布局孤島微電網(wǎng)的建設和示范運行。2011年，浙江東福山島微電網(wǎng)項目建成投運，采用“可再生清潔能源為主電源+柴油發(fā)電為輔”的供電方案為島上居民供電。該項目配置100 kWp光伏、210 kW風電、200 kW柴油機和960 kWh鉛酸電池，電壓400，總裝機容量510 kW。

2012年，浙江省南麂島微電網(wǎng)項目開工建設。該項目配置1000 kW風力發(fā)電、545 kW光伏發(fā)電、30 kW海流能發(fā)電、1000 kWh蓄電池儲能以及柴油發(fā)電系統(tǒng)，滿足建設生態(tài)海島、環(huán)保海島的需要。同時，今后島上的所有汽車將成為儲能系統(tǒng)的一部分。

2014年，浙江北麂島微電網(wǎng)項目采用“光伏發(fā)電+儲能為主電源，柴油發(fā)電機為備用電源”的供電方案，大大降低了島內(nèi)對柴油發(fā)電的依賴，有效解決了島上居民的用電難、用電貴、環(huán)境污染嚴重等問題。

1.2.2 船用電源

國內(nèi)在船用燃料電池發(fā)電裝置領域尚處于小規(guī)模試驗和測試階段。2005年11月，上海海事大學研制了“天翔一號”燃料電池小艇，燃料電池功率為2 kW[4]。2021年1月，大連海事大學研發(fā)了“蠡湖”號燃料電池游艇，采用70 kW燃料電池及86 kWh的鋰電池組成混合動力。2019年，中船712所在國內(nèi)首次展出500 kW船用燃料電池系統(tǒng)解決方案和140 kW標準船用燃料電池發(fā)電模塊。2020年，中船712所完成一型氫燃料電池揚州試驗船改造研發(fā)，采用2×70 kW燃料電池及150 kWh的鋰電池組成混合動力。同年，中船712所牽頭承研工信部高技術船舶科研項目“氫燃料動力船舶關鍵技術研究”，開展500 kW級船用燃料電池系統(tǒng)的工程化研制，重點針對三峽公務船、珠江散貨船等船型進行產(chǎn)品設計開發(fā)與示范應用。

1.3 國內(nèi)外技術對比分析

總體來看，國內(nèi)外在孤島微電網(wǎng)領域均未見燃料電池應用案例，但已開始布局孤島可再生能源發(fā)電制氫。在船用電源領域已基本實現(xiàn)燃料電池船舶示范及應用，并不斷走向?qū)嵺`。我國在各個領域與歐洲等國家存在不小的差距，尚處于前期探索階段，積累較少。具體如下：

1）孤島可再生能源發(fā)電制氫示范運營尚處空白

我國雖然在部分島嶼開展孤島微電網(wǎng)示范運營，但大都采用風力（太陽能）發(fā)電+柴油機發(fā)電+蓄電池儲能的模式。然而，蓄電池儲能能力有限，同時也會帶來一定的環(huán)境問題。孤島風力（太陽能）發(fā)電制氫+燃料電池儲能的模式既可以解決儲能的問題，又滿足綠色環(huán)保的要求。然而，我國在孤島可再生能源發(fā)電制氫領域尚處空白，亟需相關技術和關鍵裝備研制攻關。

2）燃料電池發(fā)電裝置技術成熟度較低

我國燃料電池起步較晚，整體技術成熟度水平偏低。燃料電池電堆、氫氣循環(huán)泵等關鍵零部件耐久性較差。據(jù)相關資料表明，國外車用燃料電池電堆的使用壽命超過3萬小時，家用小型電站電堆壽命超過10萬小時。然而，國內(nèi)氫空燃料電池電堆的壽命一般不超過1萬小時，氫氣循環(huán)泵的壽命一般不超過5千小時，與國外差距較大亟待進一步提高。

3）船用燃料電池發(fā)電裝置產(chǎn)品譜系嚴重不全

國外現(xiàn)階段船用燃料電池功率一般在500 kW以內(nèi)，功率覆蓋面廣，正在向500 ~1000 kW的燃料電池系統(tǒng)發(fā)展。我國船用燃料電池研發(fā)起步較晚，預計2023年可實現(xiàn)500 kW級高壓儲氫燃料電池船舶示范運行，產(chǎn)品譜系單一，亟需進一步擴展開發(fā)。

2 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用前景

2.1 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用市場規(guī)模分析

中國島嶼眾多，對于孤島微電網(wǎng)的建設運行需求迫切。通過建設光伏發(fā)電、風力發(fā)電、潮汐能發(fā)電等可再生新能源，可為島嶼提供源源不斷的無污染的能源供應。采用“風力（太陽能）發(fā)電制氫+燃料電池系統(tǒng)”方案，在可用輸出過剩的時候，通過電解將水分解為氫氣和氧氣將能量存儲起來；低風或無風時，通過燃料電池將存儲起來的能量轉(zhuǎn)換回電能以滿足日常需求，減少環(huán)境污染和碳排放。

在全球范圍內(nèi)，21世紀將是船舶電力推進系統(tǒng)發(fā)展的黃金時代。根據(jù)德國勞氏船級社和漢堡城市發(fā)展與環(huán)境管理局的市場研究報告表明：全世界范圍內(nèi)，船舶用燃料電池的市場容量大約有160 GW[5]。隨著船用氫燃料電池發(fā)電裝置進一步發(fā)展，原油價格攀升和污染排放交易配額的引入，更多的燃料電池發(fā)電裝置海上應用市場如集裝箱船等將會被開放，市場容量有望進一步擴大。

由此可見，在國家雙碳目標的加持下，未來我國燃料電池發(fā)電裝置在孤島微電網(wǎng)、船舶電源等領域市場規(guī)模將呈現(xiàn)井噴式，對燃料電池發(fā)電裝置的需求量將逐年劇增。同時，燃料電池發(fā)電裝置海上應用的發(fā)展將形成一條嶄新的產(chǎn)業(yè)鏈條，涉及上下游眾多領域，其必將帶動材料、電機、控制系統(tǒng)、氫能設備等產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展。隨著研發(fā)力度的增大，未來燃料電池發(fā)電裝置的產(chǎn)品型譜覆蓋面也將更廣。

2.2 船用燃料電池發(fā)電裝置的應用場景及燃料形式

據(jù)統(tǒng)計，目前全電動標準船舶可分為微型船、小型船、中型船和大型船四類。針對微型船、小型船等，采用鋰離子動力電池基本可以滿足要求。但是針對中大型甚至巨型船舶而言，鋰離子動力電池由于比能受限，不能滿足續(xù)航力的需求，必須發(fā)展氫燃料發(fā)電技術。以大型船為例，其主尺度為50~100 m，排水量大于700噸，推進功率約為2×5000 kW，典型船用電源容量為7000 kWh。根據(jù)目前國內(nèi)外燃料電池發(fā)電裝置的技術水平及功率覆蓋范圍，未來燃料電池發(fā)電裝置完全可作為推進動力和日常負荷應用于該類船型。另外，氫氣因其自身特點很難被高密度地儲存，安全、高效儲運是氫能在海上領域應用的關鍵。目前，氫源的燃料形式主要包括高壓氣態(tài)儲氫、液氫、合金儲氫、有機液體儲氫、含氫燃料制氫等方式。不同的應用場景對氫燃料的形式也有不同的要求。

2.3 燃料電池發(fā)電裝置國產(chǎn)化能力分析

1）燃料電池電堆

國內(nèi)燃料電池電堆正處于蓬勃發(fā)展階段，電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產(chǎn)能量級快速提升，但總體與國外技術存在不小差距，特別是在核心材料及組件國產(chǎn)化方面亟需持續(xù)追趕。目前國內(nèi)電堆廠商主要分為兩種類型，一種以自主研發(fā)為主，如北京億華通采用傳統(tǒng)石墨機加方式，生產(chǎn)的燃料電池電堆壽命約5000 h左右。另一種以國外電堆技術引進合作，如廣東國鴻在膨脹石墨電堆產(chǎn)品方面通過與巴拉德公司的技術引進取得較大的進步。但其膜電極為巴拉德專供，核心技術國產(chǎn)化仍需突破。

2）燃料電池關鍵輔助部件

近年來，國內(nèi)關于燃料電池關鍵輔助部件研發(fā)生產(chǎn)廠家逐漸增多，但大都集中在車用燃料電池領域。比方說，森薩塔的氫氣壓力傳感器、勢加透博的空氣壓縮機等。但國內(nèi)燃料電池關鍵輔助部件產(chǎn)品存在體積/重量大、效率低、耐久性差、可靠性差、密封性不足、精度等級低、缺乏船級社認證等問題，尚不能完全滿足燃料電池系統(tǒng)實際應用需求。隨著燃料電池的迅速發(fā)展，國內(nèi)廠商紛紛已布局啟動高精度、高耐久性、高可靠性的燃料電池關鍵輔助部件的研制工作。

綜上所述，國內(nèi)在燃料電池發(fā)電裝置國產(chǎn)化方面處于初級階段，仍需投入大量的資金和科研人員進行技術攻關，但其市場前景廣闊。

3 技術難點及解決思路分析

3.1 氫燃料電池發(fā)電裝置技術研究

1）技術難點

目前國內(nèi)燃料電池電堆研發(fā)相關企業(yè)繁多，其中也不乏多個龍頭企業(yè)，但電堆應用場景主要集中在車用領域，針對的環(huán)境條件主要為低溫、高海拔、多變工況等，系統(tǒng)功率為數(shù)十到百千瓦級，與海上應用需求有顯著區(qū)別。孤島微電網(wǎng)、船用電源等對大功率系統(tǒng)、抗鹽霧腐蝕、可靠性和安全性要求更高。針對車用環(huán)境開發(fā)的電堆和系統(tǒng)不能完全滿足海上氫燃料電池發(fā)電裝置的研制需求。

2）解決思路

（1）開展氫燃料電池發(fā)電模塊海上應用設計技術研究

針對氫燃料電池發(fā)電模塊海上應用需求，研究氫燃料電池發(fā)電模塊在離線和在線狀態(tài)下的抗鹽霧腐蝕、傾斜搖擺、濕熱等環(huán)境適應性研究以及應對大功率電堆的模塊化集成設計，形成氫燃料電池發(fā)電模塊工程化解決方案。

（2）開展氫燃料電池發(fā)電裝置封裝結(jié)構(gòu)設計技術研究

研究電堆各零部件材料在海洋環(huán)境下的各向異性以及在溫度場、氣體壓力、應力場及水氣環(huán)境下的形變特性，根據(jù)材料特性和不同零部件之間的匹配關系開展電堆零部件的材料研究和結(jié)構(gòu)設計。研究最優(yōu)密封結(jié)構(gòu)和密封方式，分析多種密封材料在海洋氫燃料電池環(huán)境下的密封性能，篩選出可靠性高的密封材料，從而明確氫燃料電池各個組件設計要求，形成氫燃料電池發(fā)電裝置封裝結(jié)構(gòu)設計方案。

（3）開展氫燃料電池發(fā)電裝置水熱管理技術研究

根據(jù)氫燃料電池模塊結(jié)構(gòu)布局，研究氫燃料電池運行工況下的水熱傳輸模型，優(yōu)化電堆內(nèi)部的水熱平衡以及電池組之間的水熱分配，提高電池的輸出效率，形成氫燃料電池發(fā)電裝置水熱管理技術方案。

3.2 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用法規(guī)規(guī)范符合性研究

1）技術難點

應用氫燃料電池首要研究的問題是氫能的儲存和安全，特別是目前在孤島、船舶等場景尚無成規(guī)模的氫燃料電池和氫能的應用案例作為參照，相關法規(guī)規(guī)范亟待頒布實施。

2）解決思路

（1）儲氫設施海上應用的合規(guī)性

建立相關性能指標的試驗評價體系，對儲氫和燃料電池發(fā)電裝置的安全性進行充分試驗驗證，完成從燃料加注裝置到氫燃料電池裝置，以及隨之配套的換氣設備、電氣設備、控制設備和安全裝置等。另外，包含燃料補給，清艙換氣，氣體惰化等在內(nèi)的氣體燃料系統(tǒng)操作流程也在規(guī)定范圍之內(nèi)。

（2）海上應用氫能源及氫燃料電池的安全性

海上應用氫能源及氫燃料電池的主要安全控制方向為：在低溫、火災、爆炸的危險性下保護船員、船舶、孤島等設施，確保使用氫氣或其他富氫燃料的氫燃料電池設備擁有與現(xiàn)有設備同樣的安全性和可信性。在充分收集、對比氫燃料電池及各構(gòu)成系統(tǒng)的設備的應用特點后，借鑒陸上氫燃料電池的相關技術標準，重點解決電池系統(tǒng)故障影響及后果、儲氫設備布置建議、供電可靠性、防泄漏、滅火、通風、廢氣排放、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和探測監(jiān)控等方面安全障礙，形成相關的技術要求。

3.3 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用專利布局研究

（1）技術難點

世界范圍內(nèi)，氫燃料電池發(fā)電裝置海上應用的相關示范已陸續(xù)實施，以質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池為核心的發(fā)電模塊與電控設備、輔助裝置組成的獨立系統(tǒng)，在實際應用中正逐漸增多。目前，世界氫燃料電池專利技術主要集中在日本、美國、德國等發(fā)達國家。我國氫燃料電池技術總體上落后于發(fā)達國家，專利研究的布局需要盡快展開。

（2）解決思路

以國家為劃分，從氫燃料電池發(fā)電模塊、電控設備、輔助系統(tǒng)、氫燃料電池整體系統(tǒng)等方面多維度地分析與解讀各個領域氫燃料電池專利的布局情況，以不同的維度為劃分進行專利對標分析。同時，從專利中摘取并歸納出氫燃料電池核心技術點，并針對各個領域的應用進行分析與解讀；針對分析與解讀中發(fā)現(xiàn)的問題，為我國氫燃料電池技術專利領域的發(fā)展提供建議。

4 總結(jié)

氫燃料電池發(fā)電裝置具備廣闊的應用前景和發(fā)展必要性，既符合發(fā)電技術從化石能源向新能源發(fā)展的規(guī)律，也契合國家“雙碳”戰(zhàn)略需求。為我國海域島礁、船用電源等提供了綠色、清潔能源的多元化選擇，也能極大緩解海上能源保障壓力，提升海域戰(zhàn)略安全。