船舶能效、替代燃料及船舶動力形式等三大領(lǐng)域的技術(shù)變革是當前全球海事工業(yè)最重要的創(chuàng)新高地。面對極具可能性的2050年海運碳中和要求，替代燃料和新動力形式的應(yīng)用，已經(jīng)成為未來三十年海事業(yè)最急迫的任務(wù)。
船舶動力形式的變革以能量轉(zhuǎn)換方式（如內(nèi)燃機、燃料電池、動力電池等）為主要關(guān)注點，這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景最具不確定性，也最可能產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新。其中，燃料電池，因其技術(shù)的快速迭代和在車輛上的推廣應(yīng)用，正在引起海事工業(yè)的極大關(guān)注。
雖然業(yè)界討論未來動力時，把燃料電池更多歸為內(nèi)河和短途運輸船舶的可能選擇，但就未來的發(fā)展趨勢看，燃料電池動力船舶有對傳統(tǒng)內(nèi)燃機船舶實現(xiàn)顛覆性替代的可能性，進而可能完全改變船舶動力形式和產(chǎn)業(yè)競爭賽道。
關(guān)注并超前15年至20年研究和布局這一重要方向，是中國工業(yè)在船舶動力領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的關(guān)鍵。
一、船用燃料電池的商用化研發(fā)還處于發(fā)展初期，但研發(fā)活動逐漸聚焦
過去很長一段時期，燃料電池技術(shù)一直處于緩慢發(fā)展中，多數(shù)成果處于技術(shù)驗證階段。近十年來，燃料電池技術(shù)的突破并在汽車工業(yè)的快速應(yīng)用，吸引了更多投資，推動了商業(yè)化進程，技術(shù)轉(zhuǎn)化節(jié)奏明顯加快。
從船用燃料電池專利方面看，據(jù)中國船協(xié)知識產(chǎn)權(quán)分會統(tǒng)計，截至2022年4月，全球船用燃料電池相關(guān)專利申請量累計達3409件、專利授權(quán)1786件。其中1999-2008年是船舶燃料電池專利申請的高峰期。2010年以來，船用燃料電池專利申請量呈現(xiàn)下滑趨勢。
這一方面說明船用燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用依然處于發(fā)展初期，另一方面也說明，經(jīng)過前期大規(guī)模研發(fā)嘗試之后，船用燃料電池技術(shù)路線逐漸聚焦，研發(fā)活動也逐漸集中在少數(shù)頭部科技企業(yè)。
考慮到船用燃料電池技術(shù)的進一步發(fā)展和外部環(huán)境的利好，以及近期車用燃料電池風口的到來，船用燃料電池有可能掀起新一輪研發(fā)熱潮。
二、燃料電池的基本屬性決定了其發(fā)展的巨大潛力
燃料電池是一種把化學能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，并不是我們傳統(tǒng)認識上的“電池”，而是一種化學“發(fā)電機”，且具備極高的能量轉(zhuǎn)換效率和燃料靈活性。燃料電池是實現(xiàn)運輸工具“全電化”原動機重要選擇之一。
燃料電池的轉(zhuǎn)換效率高于低速機熱效率，并可以使用當前低速機的主要替代燃料。
目前各國大力推進的燃料電池技術(shù)路線主要為低溫運行的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和高溫運行的固體氧化物燃料電池(SOFC)。
PEMFC功率密度相對較高，電化學效率在60%左右，輔以燃料重整裝置，可以使用氨、甲烷、甲醇等富氫燃料。
SOFC的電化學效率在60%左右，運行溫度高達650℃以上，可以使用氫、氨、甲烷、甲醇、柴油等多種燃料，且不需要貴金屬催化劑，在熱電聯(lián)產(chǎn)情況下，總效率可以達到90%，遠遠高于當前船用低速機50%左右的熱效率。
此外，燃料電池還具有工況越低、效率越高的特性，在船舶經(jīng)濟航速工況下，其發(fā)電效率還可以進一步提升。
燃料電池為船舶的能效提升和溫室氣體減排提供了極具誘惑的解決方案。
歐洲一些機構(gòu)的相關(guān)研究表明，在使用同一種燃料時，與船用低速機相比，由燃料電池提供船舶電力推進和輔助電力，在當前技術(shù)水平下，能夠降低10%以上的燃料成本。同樣使用LNG作為燃料，低速機能夠降低20%左右的溫室氣體排放，SOFC能夠降低34%的溫室氣體排放，甲烷逃逸問題也得到更好解決。
三、燃料電池模塊化和直流輸出有利于全船電力化、智能化發(fā)展
燃料電池以電堆為功率輸出的基本單位，通過模塊化組合，可以實現(xiàn)數(shù)百兆瓦的功率輸出，能夠滿足遠洋船舶的功率需求。燃料電池輸出的為直流電，與當前船舶直流組網(wǎng)技術(shù)有著巨大結(jié)合空間。
一是有望實現(xiàn)船舶主動力裝置的標準化、大批量生產(chǎn)。
船用低速機體積龐大，設(shè)計、生產(chǎn)極為復(fù)雜。如果燃料電池大規(guī)模應(yīng)用在近海甚至大型遠洋船舶，可以實現(xiàn)不同噸位、不同船型的動力系統(tǒng)使用同一標準的燃料電池模塊進行組裝，將極大降低船舶動力設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)的復(fù)雜性，也為船舶設(shè)計提供更加靈活的總布置選擇。
二是有望為全船電力化提供更高效的解決方案。
當前動力設(shè)備和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域均呈現(xiàn)出明顯的電動化浪潮，交通運輸設(shè)備的電動化也從高鐵、汽車等向船舶領(lǐng)域蔓延。在鋰電池能量密度難以滿足大型船舶能量需求的背景下，燃料電池已經(jīng)成為船舶電動化的主要方向。
燃料電池的直流輸出也為船舶直流組網(wǎng)和電力推進在船舶上的廣泛應(yīng)用提供了更加有利條件。船舶直流組網(wǎng)技術(shù)作為一種新興的船舶電力系統(tǒng)技術(shù)，能夠進一步降低船舶能耗，節(jié)省配電設(shè)備空間，與燃料電池的模塊化特點相結(jié)合，將為船舶動力系統(tǒng)的設(shè)計提供巨大靈活性。
此外，基于燃料電池實現(xiàn)的船舶電動化，將對智能船舶的發(fā)展起到極大促進作用。燃料電池和直流系統(tǒng)的應(yīng)用，也將為船員提供靜音、低震動的工作和生活環(huán)境，同時也能夠為應(yīng)對未來國際海事法規(guī)關(guān)于水下噪聲控制的行動提供技術(shù)解決方案。
四、技術(shù)加速迭代推動船用燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用成為可能
長期以來，阻礙燃料電池在船舶上應(yīng)用的主要因素是燃料電池系統(tǒng)占用體積大、使用壽命短、燃料獲取難度大、投資成本高等問題。
然而，隨著近些年燃料電池技術(shù)的發(fā)展和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境的巨大變化，船用燃料電池的商業(yè)化逐步成為可能。
一是燃料電池系統(tǒng)的空間占用已經(jīng)接近氣體燃料低速機及其燃料系統(tǒng)。
燃料電池系統(tǒng)占用空間大的主要原因是燃料能量密度低或電池功率密度低。其中，PEMFC使用氫作為燃料，導致燃料罐體積較大；SOFC可以直接采用氨、LNG等燃料，但電池功率密度低、體積較大。
為解決上述問題，PEMFC可以通過加裝燃料重整裝置，進而可以采用氨、LNG等其他燃料，能夠較大程度較低整體體積。SOFC則主要依靠技術(shù)研發(fā)，進一步降低電池體積；近十年來，國際領(lǐng)先的SOFC企業(yè)已經(jīng)將功率密度提升了10倍以上。
2020年韓國企業(yè)開展的一項研究顯示，使用液氨作為燃料，為一艘2500TEU集裝箱船提供全部推進和輔助電力，在充分考慮功率冗余和空間冗余的情況下，PEMFC及其燃料系統(tǒng)和SOFC及其燃料系統(tǒng)的體積，僅比氨燃料低速機及其燃料系統(tǒng)大25%和47%。
未來，隨著燃料電池功率密度的進一步提升以及系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，船用燃料電池及其燃料系統(tǒng)的體積有望進一步快速下降。
二是船用燃料電池壽命已達數(shù)年并仍在不斷提升之中。
目前國內(nèi)汽車PEMFC壽命約5000小時，最新研究成果已經(jīng)提升至20000小時。船舶運行不會出現(xiàn)頻繁的負載變化，電池系統(tǒng)能夠得到較好維護，壽命也較長。歐洲已經(jīng)開展的船用PEMFC項目中，電池壽命最長達到35000小時（4年）。
美國公司推出的SOFC產(chǎn)品壽命已經(jīng)超過5年，部分固定式SOFC持續(xù)運行了90000小時（10年）以上。
目前一些國家從能源戰(zhàn)略角度出發(fā)，加快更高壽命燃料電池的研發(fā)。日本提出了將PEMFC壽命延長至15年的研發(fā)目標，我國國家科技部也在展開高效率、長壽命燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的科技攻關(guān)。
三是燃料供應(yīng)問題已經(jīng)不再是制約船用燃料電池發(fā)展的障礙。
在各國積極推動氫能產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)和氫燃料電池研發(fā)應(yīng)用推廣，特別是隨著航運業(yè)溫室氣體減排戰(zhàn)略的深入推進，全球正在加快建設(shè)LNG、甲醇、氨/氫等替代燃料供應(yīng)鏈，基本掃清了長期制約船用燃料電池發(fā)展的富氫燃料供應(yīng)障礙。
四是燃料電池成本加速下降。
船用燃料電池尚未形成市場，近年來相關(guān)燃料電池示范船項目中，船用PEMFC平均價格約1000美元/KW，最低價格僅為45美元/KW；船用SOFC平均價格約為2000美元/KW，最低價格為558美元/KW（已經(jīng)接近低速機的功率單價）。
燃料電池的價格與規(guī)?；a(chǎn)息息相關(guān)。過去10年，車用燃料電池價格下降了60%。隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷增長，特別是中國企業(yè)的大規(guī)模進入這一領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計，未來5年P(guān)EMFC價格有望進一步下降70%左右。SOFC主要應(yīng)用于分布式發(fā)電，目前商業(yè)化項目不斷增多，SOFC價格也有望繼續(xù)下跌
五、主要造船國正在加快燃料電池動力船舶研發(fā)
燃料電池的眾多優(yōu)點吸引了歐美及日韓海事業(yè)界的極大關(guān)注和不斷探索。尤其是2018年以來，在IMO頗具雄心的溫室氣體減排目標下，燃料電池憑借其極高的能量轉(zhuǎn)換效率和燃料類型的巨大靈活性，成為企業(yè)開展低碳/零碳船舶研發(fā)的重要方向。
歐美國家長期關(guān)注和持續(xù)開展燃料電池船舶的研發(fā)試驗。
2000年以來，在歐盟、德國、美國等相關(guān)科研項目的持續(xù)支持下，歐美相關(guān)機構(gòu)和企業(yè)開展的燃料電池實船應(yīng)用案例超過30項。上述項目中，船用PEMFC超過20項，應(yīng)用方式包括作為船舶的輔助發(fā)電單元、輔助推進和主推進等多個方面，積累了大量工程試驗數(shù)據(jù)，形成了可觀的燃料電池船舶設(shè)計和系統(tǒng)集成成果。
歐洲SOFC項目近年來明顯增多，地中海郵輪為一艘正在建造的20萬總噸豪華郵輪安裝美國Bloom Energy提供的以LNG為燃料的SOFC發(fā)電系統(tǒng)，并將SOFC作為其未來零碳戰(zhàn)略的重要方向；阿法拉伐正在參與由丹麥支持的SOFC4 Maritime項目，探索SOFC完全替代船舶內(nèi)燃機的可行性。
日本擁有較好的燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)，近期開始加快燃料電池船舶的研發(fā)。
日本企業(yè)長期深耕燃料電池領(lǐng)域，尤其是在車用PEMFC技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，SOFC在家庭熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域也形成了較大的市場規(guī)模，但在燃料電池船舶方面發(fā)展相對緩慢。2018年以來，日本政府和企業(yè)開始加快燃料電池船舶的研發(fā)。2019年日本洋馬使用豐田燃料電池汽車的組件，在試驗船上開發(fā)和測試船用氫燃料電池系統(tǒng)。
2020年，日本郵船、東芝能源系統(tǒng)公司、川崎重工、ClassNK和ENEOS宣布合作開發(fā)氫燃料電池船舶。2021年，該項目獲得日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)管理的日本政府綠色創(chuàng)新基金的支持。該項目計劃于2023年建造一艘150噸級試驗船，重點驗證大功率船舶燃料電池系統(tǒng)的實現(xiàn)與操作技術(shù)、燃料電池與蓄電池相結(jié)合的能源管理系統(tǒng)(EMS)等工程技術(shù)問題。
韓國三大造船企業(yè)掀起了SOFC替代低速機的研發(fā)競賽。
2018年以來，韓國三大造船企業(yè)不約而同的開展了SOFC替代內(nèi)燃機的船舶研發(fā)項目。
三星重工選擇與Bloom Energy合作，先后開發(fā)了SOFC替代發(fā)電機的阿芙拉型原油船，SOFC完全替代內(nèi)燃機的LNG船初步設(shè)計，均獲得DNV的原則性批復(fù)；Bloom Energy的船用SOFC產(chǎn)品還獲得了ABS概念驗證成熟度聲明。
現(xiàn)代重工和大宇造船海洋則選擇與斗山燃料電池公司及英國Ceres Power合作，開發(fā)了SOFC替代發(fā)電機的VLCC，相關(guān)SOFC系統(tǒng)獲得ABS原則性批復(fù)。
韓國船廠在燃料電池船舶動力標準化方面展開了布局。
2021年，三星重工在其SOFC動力LNG船初步設(shè)計獲DNV原則認可時明確表示，公司將引領(lǐng)燃料電池對船用內(nèi)燃機的完全替代和燃料電池推進系統(tǒng)的國際標準化。
2022年2月，大宇造船海洋與KR、STX Engine簽署協(xié)議，聯(lián)合開展“固體氧化物燃料電池的技術(shù)標準化和商業(yè)化”，旨在通過共享技術(shù)資源，促進未來船舶動力系統(tǒng)的變革。
六、中國船舶企業(yè)對燃料電池動力船舶的研發(fā)亟待加強
當前國際海事業(yè)在探討航運去碳化的解決方案時，迫于緊迫的公約制定與履約時間限制，不得不從最易實現(xiàn)的方案中進行選擇，并且主要依托成熟的供應(yīng)體系和工業(yè)基礎(chǔ)，因此未來五年將會出現(xiàn)以氨、甲醇等為替代燃料的新型內(nèi)燃機接續(xù)原來的柴油發(fā)動機作為船舶的主動力選擇。
但在去碳化背景下，疊加智能化航運、水下噪聲治理等要求，航運全電化將呈現(xiàn)出新的生命力，燃料電池發(fā)展應(yīng)用具有極強的想象空間。
目前，我國已經(jīng)掀起了PEMFC研發(fā)熱潮，目標市場仍主要集中在汽車領(lǐng)域，整體技術(shù)水平與國外企業(yè)存在一定差距；SOFC目前研究尚處于起步階段。
我國燃料電池動力船舶的研發(fā)進度相較歐美也存在明顯落后的情況，目前僅中國船舶集團712所推出了500kW級船用PEM燃料電池系統(tǒng)，全行業(yè)在燃料電池動力船舶方面的研發(fā)工作亟待加強。
一是加快大型燃料電池動力船舶的設(shè)計研發(fā)和專利布局。
大型燃料電池動力船舶設(shè)計的關(guān)鍵是電池系統(tǒng)集成和動力系統(tǒng)布置。國外船企已在開展相關(guān)標準和專利布局。一旦燃料電池動力船舶市場成熟，我國船舶工業(yè)將可能處于被動的局面。
二是加快燃料電池船舶動力系統(tǒng)設(shè)備的合作研發(fā)。
大型燃料電池動力船舶涉及PEMFC技術(shù)，SOFC技術(shù)，直流組網(wǎng)技術(shù)，直流電驅(qū)技術(shù)以及相關(guān)用電設(shè)備、轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制系統(tǒng)、儲能單元等，船舶工業(yè)企業(yè)在上述多數(shù)領(lǐng)域與國外均存在較大差距，亟需進一步聯(lián)合燃料電池企業(yè)、電機企業(yè)、電力系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)（如國網(wǎng)、中車等）以及高校等研究機構(gòu)開展合作研發(fā)，促進各設(shè)備間協(xié)同優(yōu)化，并逐步形成自主品牌。
三是急需推出持續(xù)性的政策支持措施。
交通部海事局已經(jīng)發(fā)布了《氫燃料電池動力船舶技術(shù)與檢驗暫行規(guī)則(2022)》，中國船級社已經(jīng)發(fā)布了《氫燃料電池》《氫氣瓶》《重整裝置》三份產(chǎn)品檢驗指南，并即將發(fā)布《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》，這些措施對我國燃料電池動力船舶的發(fā)展起到積極引導作用。
燃料電池雖然存在對內(nèi)燃機的替代潛力，但在國際規(guī)則、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)等方面仍需要一段時間，這也為我國燃料電池船舶的發(fā)展爭取了時間窗口。
研究和出臺相關(guān)研發(fā)支持政策和市場推廣政策，為我國燃料電池動力船舶起步創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，是加速推動燃料電池船舶技術(shù)發(fā)展和市場推廣的重要保障，并將有利推動中國在船舶動力領(lǐng)域原創(chuàng)技術(shù)的群體性突破，進而在新一輪國際船舶動力競賽中取得主動權(quán)。
