當前，航運業迅猛發展，柴油機動力船舶伴生的能耗與環境問題日益顯現，如2020年我國航運業的CO2排放量達到1.2×108t，約占交通運輸領域排放量的12.6%。水路交通載運工具綠色化是水運行業的技術前沿和未來趨勢，也是航運業實現碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標的重要舉措，發展綠色船舶對促進我國船舶工業轉型升級、實施交通強國戰略具有重要意義。

 

發達國家積極提出氫能源戰略并開展氫能相關產業布局，掌握了氫能和燃料電池相關的核心技術，開展了包括氫動力船舶在內的多項示范項目，正在研制新型氫動力船舶。在我國，應對“雙碳”目標牽引，加速布局氫能的交通領域應用；部分企業和機構基于國產化氫能和燃料電池技術進步而相繼啟動了氫動力船舶研制，但整體處于前期探索階段；后續需要細化和完善我國氫能領域的頂層設計，為氫動力船舶發展提供科學指引。針對于此，本文在梳理氫動力船舶發展現狀并研判相關產業布局態勢的基礎上，重點開展技術經濟可行性與產業鏈關鍵環節分析，探討提出領域目標任務、建設路徑，以期為我國氫動力船舶快速優質發展研究提供參考。

 

 

 

氫及氫基燃料是航運行業碳減排及脫碳的良好解決方案，其應用范圍將隨著燃料應用技術的成熟、配套設施的完善而逐步擴大。氫動力船舶通常用于湖泊、內河、近海等場景，以客船、渡船、內河貨船、拖輪等類型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級游艇等大型氫動力船舶研制是當前的國際趨勢，潛艇采用氫燃料電池動力系統同樣具有良好前景。

 

在現階段，氫燃料電池適用于多種內河船舶，可作為小型船舶的主動力，也可作為大型船舶的輔助動力；以質子交換膜燃料電池（PEMFC）類型為主，功率等級相比傳統柴油機動力有較大差距。發達國家已成功研制不同類型氫動力船舶并取得示范應用效果，如德國“Alsterwasser”游船、日本燃料電池漁船、法國“Energy Observer”游艇、美國“Water-Go-Round”渡船、韓國“Gold Green Hygen”氫動力旅游船等；后續將深化研究與應用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗船等（見圖1）。除燃料電池外，氫內燃機也是船舶應用氫能的重要途徑，如比利時、日本研制的氫內燃機拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企業（如川崎重工業株式會社、洋馬株式會社等）積極研制氫內燃機，正在開發中速四沖程發動機、中高速四沖程發動機、低速二沖程發動機。

 

圖片

 

圖1 國內外氫動力船舶的產品情況

 

我國前期研制了“富原一號”“天翔1號”氫動力實驗船（見圖1），但船型、功率均較小。隨著陸上新能源汽車產業的蓬勃發展，氫能和燃料電池技術快速成熟，為我國氫動力船舶提供了良好的發展機遇。2021年下水的“蠡湖號”游艇、“仙湖1號”游船，燃料電池功率分別為70 kW、30 kW；正在研制中的“綠色珠江號”內河貨船、“三峽氫舟1號”公務船，燃料電池功率達到500千瓦級。盡管如此，國內船型與國際先進產品相比仍存有一定差距，同時我國氫動力船舶的系統集成技術尚未完全成熟。

 

 

目前，氫動力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級，裝船使用時通常采用多組燃料電池級聯而成，如“Alsterwasser”游船配備了2組48 kW PEMFC、214型潛艇配備了2組120 kW PEMFC，“綠色珠江號”內河貨船擬配備4組135 kW PEMFC。兆瓦級燃料電池系統作為未來重點發展方向，是實現燃料電池在船舶上廣泛應用的基礎；“Topeka”滾裝船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料電池系統功率分別為3 MW、2 MW；巴拉德動力系統公司研制了200 kW船用燃料電池模塊，最多可6組使用，即燃料電池系統功率可擴展至1.2 MW。國產船用燃料電池功率等級與國外產品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動力系統科技有限公司取得船用燃料電池產品型式認可證書，相應的TWZFCSZ-80燃料電池裝置額定功率為80 kW，正在研制200 kW船用燃料電池系統。

 

船舶燃料電池系統通常配備一定容量的蓄電池來對燃料電池輸出功率進行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄電池，“Water-Go-Round”渡船搭載了100 kW·h蓄電池，荷蘭“AQUA”概念游艇的蓄電池容量達到1.5 MW·h。可根據船舶功率需求，結合燃料電池和蓄電池供能特征，構建匹配的系統模型以優化蓄電池配置。

 

 

現有的氫動力船舶較多采用高壓氣態儲氫方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖號”游艇等；也有少量船舶采用金屬氫化物儲氫方式，如214型潛艇、“ZEUS”試驗船等。鑒于高壓氣態儲氫方式的儲氫密度較低、液氫相關技術成熟，發達國家的大型氫動力船舶設計方案多采用低溫液態儲氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動力船舶的續航里程與船載儲氫量密切相關。一般認為受制于船載儲氫技術，氫動力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設計續航時間分別為3d、2d。

 

氫動力汽車相關的加氫技術快速成熟，為解決氫動力船舶加注問題確定了良好基礎。在“Alsterwasser”游船示范運營過程中，德國林德集團在搭建碼頭加氫站，為氫動力船舶提供持續的氫源供應；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更換的儲氫模塊，通過“換罐”方式補充氫能，為氫動力船舶的燃料補給提供了新思路。在我國，船用儲氫技術目前以高壓儲氫為主，后續朝著能量密度更高的儲氫技術路線方向發展。

 

船舶產業鏈包括上游的原材料及配套設施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務等環節。

 

 

船舶上游環節涉及原材料供應、零部件配套等。國外船用燃料電池技術研發活動開展較早，巴拉德動力系統公司、豐田汽車公司等率先推出船用動力系統，在包括氫氣設備開發、船體設計與建造、運營管理、氫燃料供應在內的船舶價值鏈方面具有優勢，尤其在船舶大功率燃料電池技術方面保持領先。

 

我國企業生產的質子交換膜（PEM）性能滿足商用需求且具備批量供貨能力，形成了自研和批量制備催化劑的能力，推動了膜電極產品的車載批量應用。武漢眾宇動力系統科技有限公司自主研制的船用燃料電池系統、中集安瑞科控股有限公司生產的30 MPa船用儲氫瓶組已批量出口，都反映了國內氫能與燃料電池行業的良好發展勢頭。也要清醒認識到，我國船舶相關配套技術水平與世界先進水平仍有不小差距，部分核心配套設備依賴進口的局面有待打破。

 

 

美國、歐盟、日本、韓國的相關航運或燃料電池企業都在積極參與氫動力船舶研發，所開展的示范應用體現出了良好的運營效果。

 

從綜合指標看，我國部分船舶制造企業在規模上已進入世界大型船舶企業集團之列，但在新船型、高端船型的開發與設計方面相比世界一流水平還存在差距。我國氫動力船舶仍處于探索發展階段，已下水的“蠡湖號”“仙湖1號”船型較小，PEMFC系統輸出功率僅為數十千瓦；500千瓦級“綠色珠江號”“三峽氫舟1號”氫動力船舶處于研制階段，應用示范明顯滯后。

 

 

在美國、歐盟，資源型或綜合型港口都積極參與氫能港口轉型行動，如美國長灘港、洛杉磯港開展了氫燃料電池拖車與物流車的應用試驗，西班牙瓦倫西亞港通過H2Ports試點項目來示范應用氫動力正面吊。

 

著眼“雙碳”發展目標，我國港口正在開展氫能應用示范以推進港口綠色化建設。例如，青島港以打造“中國氫港”為目標，應用了氫動力自動化軌道吊；寧波舟山港穿山港區正在開展“風、光、儲、氫”多能源融合示范項目，以風光可再生資源發電、電解水制氫的形式為港區氫負荷（包括氫動力集卡、叉車等）提供穩定氫源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。

 

 

近年來，歐盟、日本、美國、加拿大等相繼發布了氫能發展戰略或路線圖。我國《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確了氫能發展的戰略定位。可以看出，發展氫能成為世界各國共識，而交通領域將率先開展氫能普及應用。

 

在政策引導和支持下，我國氫能及燃料電池產業發展迅猛，截至2021年年底氫燃料電池汽車保有量約為8938輛，后續有望保持快速增長勢頭。因與氫動力汽車在上游環節未有明顯分化，氫動力船舶在發展初期，可采取氫燃料電池相關的基礎研究和關鍵零部件研制仍以車用燃料電池為源頭的發展模式，而在應用過程中需及時評估兩類產品的差異性。同時，針對船舶功率需求，著重研制大功率燃料電池系統；針對船舶續航里程需求，著重研制大容量儲氫裝置。

 

 

目前，我國多地相繼布局新能源船舶發展，包括純電池船舶、液化天然氣（LNG）船舶、氫動力船舶等類型。為了加快氫動力船舶的示范和推廣，氫動力船舶的綜合定位及其領域發展頂層設計有待明確和細化。

 

傳統設計與制造相關企業，均可與氫能企業積極開展合作，結合自身優勢以拓展氫動力船舶業務。例如，廣州船舶及海洋工程設計研究院與中船動力研究院有限公司、廣船國際有限公司等聯合開展了500千瓦級內河氫燃料電池動力貨船的研制工作，已獲得中國船級社的原理認可證書。與此同時，船級社也需新增并完善氫動力船舶相關的標準和指南，為氫動力船舶優質發展提供關鍵支撐。

 

 

氫動力船舶應用必然要經歷從示范應用到擴大部署再到商業化應用的發展過程，預計2030年前的氫動力船舶應用率仍較低。目前我國水路交通相關的氫能基礎設施基本空白，從發展效率的角度考慮，可借助陸上氫燃料電池汽車快速發展的勢頭，統籌考慮陸路交通、水路交通的氫能基礎設施布局與規劃，適度超前開展港口、碼頭的加氫站建設布局，由此促進氫動力船舶的高效率發展。

 

利用陸海綜合制氫加氫站平臺，結合純氫管網，力爭同步解決港口氫動力船舶涉及的加氫站加氫量大、占用港口土地面積、影響港口正常作業三大應用難題。基于氫能的物流與工業能源解決方案，在解決港口物流、裝卸設備、航運應用等問題之外，宜進一步發揮潛在優勢，提前籌劃與內部港口岸電、近海風力發電、內陸陸上交通體系的協同發展。

 

 

制氫技術分為化石能源制氫、工業副產制氫、電解水制氫等。化石能源制氫盡管將過渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時間內仍占重要地位。利用可再生能源實現低成本、高效率制氫是未來大規模制氫的發展方向，也是各國氫能領域支持的重點方面。現階段綠氫成本依然偏高（約為32.2元/kg），其中可再生能源電力、電解槽的成本占比達到90%，因此控制綠氫成本關鍵在于降低可再生能源電價與電解槽成本。未來通過降低可再生能源發電成本、提升電解槽技術水平、以規模化應用促進成本下降，我國綠氫成本有望在2030年、2040年、2050年分別降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，這就為氫動力船舶的規模化應用逐步提供了經濟可行性。

 

氨燃料是另一種具有應用前景的零碳燃料，還可作為儲氫載體，其能量密度較高、生產成本低、易于儲存和運輸、產業基礎完善，在船舶應用方面具有優勢。我國合成氨技術和產業成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本較低（約4000元/t）。《中國能源體系碳中和路線圖》預測，在“雙碳”目標背景下，我國氨產量將由2020年的5.4×107t增加至2060年的8×107t，且2060年有2/3的氨燃料應用于航運行業，至少滿足水運行業40%的能源需求。可再生能源電解水制氫再合成氨的成本較高，因而降低可再生能源制氫的成本是控制綠氨生產成本的關鍵，預計2020—2060年我國可再生能源電解水制氫再合成氨的成本將下降70%以上。

 

 

2010年以來，氫燃料電池成本降低了約60%。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019版）》提出的目標，燃料電池系統的成本將從2019年的8000元/kW下降到2025年的4000元/kW、2035年的800元/kW、2050年的300元/kW；假定船舶燃料電池系統的功率為500 kW，則2050年單船燃料電池系統成本可控制在15萬元左右。

 

隨著我國氫能產業的蓬勃發展，國產燃料電池的電堆功率、最低啟動溫度、壽命等指標均得以大幅改善，自主化程度也在不斷提升。燃料電池電堆成本約占燃料電池系統成本的65%，電堆成本仍有下降空間，中長期的降幅可達85%。我國企業積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機、氫氣循環泵等燃料電池關鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產的燃料電池電堆，58個核心一級零部件全部實現國產化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優化結構進一步提升了燃料電池效率并降低了制造成本。2020年，燃料電池電堆的成本出現了明顯下降勢頭（3000元——4000元/kW），甚至部分產品報價下降至2000元/kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統的可靠性、耐久性是商業化應用的關鍵，仍待持續優化提升。

 

 

現有氫內燃機的有效熱效率為35%——45%，而PEMFC系統的效率為50%——60%；雖然氫內燃機的效率偏低，但功率可以達到高值（目前可達到兆瓦級），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內燃機明顯低于PEMFC系統，以100kW發電裝置為例，基于當前技術的氫內燃機成本僅為PEMFC系統的50%。可以預判，隨著船舶儲氫技術的發展、氫能基礎設施的完善，氫內燃機在船舶上可取得廣泛應用。