引言

随着现代经济社会的发展，人们对于环境的要求越来越高。减少有害气体和温室气体的排放，对世界范围内的节能减排具有重要的战略意义，尤其是对于能源消耗比较大的行业，如船舶行业有着更加深远的意义。

目前，船用燃料主要是价格低廉、污染较高的燃料油。燃料油燃烧伴随着NO_X、SO_X等大量有害气体的产生。为减少对环境的污染，LNG动力船（以液化天然气为动力的船舶）应运而生。从短期看，船舶以LNG为燃料能几乎不产生NO_X，SO_X的排放也能大幅度减少，确实能够起到节能减排的作用，但是由于它的主要成分是甲烷，燃烧会产生温室气体二氧化碳，而国际海事组织（IMO）在2018年4月就提出了减少航运业温室气体排放的倡议 ^[1]，因此需要引进更加环保的替代型燃料。

氢是目前所知能源中最为清洁的能源，其燃烧产物只有水，不会产生二氧化碳和其他污染物，而且氢的热值高。因此，从长远来看，氢是一种较为理想的船用燃料。

对于氢能源在船舶上的应用技术，美国、韩国、日本等发达国家和地区处于领先地位，氢燃料电池作为船舶的动力推进装置也已经得到了实现，并且进入了推广阶段。

美国国家航空航天局建造专用的驳船用来输送液氢，储氢量可达到70吨，为液氢的海上运输创造了有利条件。2018年，美国提出建造氢燃料电池船的计划。该船舶由双电机、燃料电池和电池组供电。

2019年，韩国正式发布了名为“激活清净剂发展的线路图”的氢燃料研究计划，加大了对氢燃料汽车的研究 ^[2]。近期，韩国Hydrogen FusionAlliance Bureau (H2KOREA)组织的运营官也表示，要大力发展“氢技术”，包括氢气动力船和液氢运输船，以解决当前韩国船舶企业所面临的危机。

图1 液氢运输船概念图

日本由于资源短缺，对氢能的研究力度更大。早在2015年日本就已经开始研发氢能源作为主动力装置的燃料电池船舶。在氢能源的运输方面日本也积极采用液氢运输。2019年12月，日本川崎重工业公司举行了全球首艘液态氢运输船（SUISO FRONTIER）的下水仪式，大大提高了氢能源运输的效率。其概念图如图1所示。

2017年，中国船级社（CCS）在《船舶应用替代燃料指南》中对船用氢燃料电池的设计与检验进行了技术规范，中国船舶重工集团第七一二研究所对船用氢燃料电池进行了技术推进 ^[3]。2019年氢能源被写进中国政府的工作报告中，主要应用在商用车方面，在船舶应用方面还处于起步阶段。

随着人们对环境问题的重视，发展清洁能源将是未来的主流趋势。氢能源作为一种优质的清洁能源，具有无可比拟的“零排放”优势。因此，在氢能源利用技术不断成熟的条件下，氢能源在船舶上的应用前景将会十分广阔。

目前，世界范围内船舶数量众多，其类型各式各样，所以船舶采用的主动力装置也都不尽相同。

2.1 传统船舶的主动力装置

传统船舶的动力推进装置有柴油机、汽轮机、燃气轮机，其特点、燃油类型和热效率如表1所示。

表1 不同类型动力装置对照

柴油机重量轻，结构紧凑，有较高的经济性，被广泛应用在一些民用船舶和中小型军舰上，是目前应用最为广泛的主机型式。汽轮机由于其运行稳定、可靠，多在一些LNG运输船和航空母舰上使用，而燃气轮机则在军舰上应用较多。

传统的船舶主动力装置大多使用价格低廉、污染较重的重油作为燃料油，运行时会产生CO₂、NO_X、SO_X等废气和颗粒物，对生态环境造成污染。因此，在“绿色”航运的大趋势下，传统的主动力装置已日渐不能满足船舶排放的要求。

2.2氢燃料的船舶主动力装置的可能形式

2.2.1 氢燃料发动机

氢燃料发动机的工作原理与传统柴油发动机的工作原理相似。它是氢气在气缸内燃烧推动活塞做功，输出机械功，带动螺旋桨旋转，使船运动。

由于氢气燃点较高，氢燃料发动机需要具备引燃系统，采用引燃油来引燃氢燃料，所以氢燃料发动机通常较为复杂。但也正是氢气的自燃点较高，氢燃料可以获得更高的压缩比，提高发动机的热效率。此外，氢气是气体燃料，在气缸内可以有效扩散，形成更加均匀的混合物，改善气体在汽缸内的燃烧性能 ^[4]。

因此，氢燃料发动机具有良好的加速性能和广阔的应用前景。

2.2.2氢燃料电池

氢燃料电池以氢气作为还原剂，以氧气作为氧化剂。如图2所示，当电池工作时，氢气和氧气分别供给相应的两个电极，在电极催化剂的作用下，氢气和氧气通过反应生成水，氢电极有多余的电子带负电荷，而氧电极则缺少电子带正电荷，这样就构成了一个电源，直接把化学能转换成电能，不需要热能和机械能的转换，因此效率比较高。在理论上，氢燃料电池的效率能达100%，实际效率已达60%-80%，是普通内燃机热效率的2至3倍。

图2 氢燃料电池

氢燃料电池作为船舶动力装置，还需将电能转化为机械能。这就需要船舶设置电力推进系统。船舶的电力推进系统通常由原动机、电能分配系统与存储系统、推进组件三大子系统组成 ^[5]。

如图3所示，氢燃料电池工作时，通过氢气和氧气供应系统提供一定的氢气和氧气。气体通过增湿分系统增湿。为了达到船舶的启动功率，燃料电池里面设有燃料电池堆单元。加湿后的气体进入氢氧燃料电池堆单元，进行电化学反应，再通过各自的循环分系统进行循环使用。使用过程中释放出的热量通过冷却系统进行冷却，来控制电池堆的温度，保证它的正常工作。燃料电池所产生的电能通过电力系统输送给配电单元，使电机驱动螺旋桨，为船舶提供前进动力或储存在储能单元 ^[6,7]。

图3 燃料电池发电系统

由于氢氧燃料电池产生的是直流电，船舶电压平台的电压为48V，所以需对氢氧燃料电池发出的直流电进行DC-DC变换。

图4 燃料电池推进系统控制框图

另外，船舶在海洋中往往是变工况航行的。为避免出现氢氧燃料电池供电不足的现象，通常需要配备锂电池等储存装置。当船舶航行工况所需功率较小，氢氧燃料电池的输出功率能够满足船舶的功率要求时，船舶则采用如图4 (a)所示的电力推进系统。当船舶航行工况所需的功率很小，氢氧燃料电池的输出功率大于船舶的功率需求时，船舶可采用如图4 (b)所示的电力推进系统，将氢氧燃料电池输出的多余电量储存在锂电池中。当船舶航行工况所需的功率大于氢氧燃料电池的额定输出功率时，则船舶可采用如图4 (c)所示的电力推进系统，氢氧燃料电池和锂电池联合供电，以满足船舶航行的需要。

这种联合电力推进装置可以根据船舶实际的功率需求情况选择合适的电力推进方式，最大程度提高船舶动力系统的稳定性。

但由于当前技术的制约，氢燃料电池的功率较小，一般在几百千瓦左右。对于大型船舶而言，通常需要几千千瓦，甚至上万千瓦功率用于推进，氢燃料电池的现有功率显然不足以支撑，所以在氢能源发展的前期，可利用氢能源作为一些小型船舶如交通艇、执法艇、游艇等主动力装置，或者为一些大型船舶辅助供电。随着技术发展的不断成熟，氢能源有望替代传统的船舶主动力装置，实现 “绿色”航运。

氢燃料若要在船舶上得到应用，需解决氢的储存以及液氢的汽化和加注等技术问题。

3.3液氢的加注和驳运

液氢有三种水上加注方式：船—船加注，槽车—船加注，岸站—船加注。如图5，便是船—船的加注图。

图5 液氢的加注

液氢的加注需采用耐低温的液氢泵。由于液氢的温度较低，所以为减少液氢在输送过程中的传热损失，可以在满足需求的情况下缩短液氢输送管道。

液氢可以用船舶或者车辆进行运输。相关文献显示，大型储罐的储氢效果要优于小型储罐。驳船上装有大型绝热储罐储存液氢，陆上运输受到各种因素的影响一般是小型储罐，因此，海上运输比陆上运输更加经济。

为实现氢能源的进一步发展，国家和政府应制定鼓励、引导政策；安全监管部门要善于借助LNG船舶技术的经验，建立系统全面的标准和氢能源安全管理制度；国家相关部门也应加快推进氢燃料在船舶上的应用，加强国际合作，在制氢、储氢、用氢、输送等方面制定严格的标准体系，力求在不远的将来，实现清洁无污染的氢能源广泛应用于船舶行业，甚至遍布各行各业。