劉 彪，吳鵬飛，趙云杰，張海波，王 振

應(yīng)用研究

氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用可行性分析

劉 彪1，吳鵬飛2，趙云杰1，張海波1，王 振1

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430000）

本文從氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)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(shù)對比、市場前景、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決思路分析，對我國氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用可行性具有一定參考價(jià)值。

氫燃料電池發(fā)電裝置 孤島微電網(wǎng) 船用電源

0 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(shí)的“藍(lán)色煤?！?。近年來，加快海洋能開發(fā)利用、推進(jìn)海洋能技術(shù)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(xué)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(yīng)用場景豐富的二次能源[1]，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(yuǎn)離大陸孤島能源利用、航運(yùn)清潔能源選擇的最佳解決方案之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國面積達(dá)500平方米以上的島嶼為6536個(gè)，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(gè)。偏遠(yuǎn)孤島遠(yuǎn)離電廠、人口稀少，遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電網(wǎng)絡(luò)不符合經(jīng)濟(jì)效益，鋪設(shè)海底電纜的前期投入和后期維護(hù)費(fèi)用巨大。因此，目前有人島的供電多由柴油發(fā)電機(jī)提供。隨著島嶼用電負(fù)荷越來越大，傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)的柴油消耗量越來越大，靠遠(yuǎn)程運(yùn)輸獲得燃料的方式越來越捉襟見肘。同時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)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(diǎn)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(cuò)配。比方說當(dāng)海風(fēng)活躍時(shí)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能可以直接傳遞給用戶。但是當(dāng)海島處于弱風(fēng)期時(shí)，風(fēng)力發(fā)電無法滿足用戶的日常用電需求。因此，在遠(yuǎn)離大陸的孤島組建孤島微電網(wǎng)，采用“風(fēng)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(lǐng)域，目前國內(nèi)外大部分船舶由柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，船用電源基于柴油發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行儲能?，F(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(shù)成熟度高、得到廣泛應(yīng)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(jī)+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(yùn)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(jì)，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(wù)船等，對于一些長距離航行、大批量運(yùn)送貨物的沿海及遠(yuǎn)洋傳輸?shù)呢洿瑹o法滿足動力需求。

氫燃料電池是21世紀(jì)綠色能源技術(shù)的制高點(diǎn)，可將自身攜帶的氫燃料與氧化劑（空氣、純氧）中的化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能供人們?nèi)粘Ｊ褂肹2]。其優(yōu)點(diǎn)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(jī)、電站、船用動力系統(tǒng)等領(lǐng)域已得到充分驗(yàn)證。由此可見，對于遠(yuǎn)離大陸的孤島采用“風(fēng)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(yīng)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(wù)船、貨輪、遠(yuǎn)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(yīng)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(shù)對比、市場前景、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決思路，為我國燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用可行性提供了一定參考價(jià)值。

1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外技術(shù)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(shè)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(jī)，1臺3.3 kW/50 kWh蓄電池/逆變器系統(tǒng)。蘇美達(dá)能源公司為菲律賓萊特省南部的利馬薩瓦島設(shè)計(jì)并建設(shè)了光伏發(fā)電+柴油機(jī)發(fā)電的混合能源智能孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利馬薩瓦島7×24小時(shí)不間斷穩(wěn)定電力供應(yīng)。該項(xiàng)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(diǎn)。2009年，日本啟動島嶼新能源獨(dú)立電網(wǎng)實(shí)證項(xiàng)目，在鹿兒島縣和沖繩縣地區(qū)的10個(gè)海島上完成了孤島微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，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(yán)重的大范圍停電。震災(zāi)期間，仙臺市微電網(wǎng)在大電網(wǎng)失電的情況下，獨(dú)立運(yùn)行60余個(gè)小時(shí)內(nèi)通過儲能設(shè)備和燃?xì)獍l(fā)電實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵負(fù)荷的不間斷供電，有力保障了微電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行。災(zāi)害過后，日本更加重視微電網(wǎng)的研究和建設(shè)，以提高其電力供應(yīng)的抗災(zāi)害能力及缺口。

燃料電池因技術(shù)成熟度較低雖在孤島微電網(wǎng)場景下尚無應(yīng)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(yùn)行。2020年，西歌與丹麥電解設(shè)備供應(yīng)商計(jì)劃將在丹麥建設(shè)一個(gè)直接在風(fēng)機(jī)附近制氫的風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目“Brande Hydrogen”。該項(xiàng)目使用“孤島模式”在一臺3 MW陸上風(fēng)機(jī)旁放置一套400 kW電解設(shè)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(jìn)國家在船用燃料電池技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，已實(shí)現(xiàn)燃料電池船舶示范及應(yīng)用，正步入推廣應(yīng)用階段[3]。燃料電池發(fā)電裝置可為船舶推進(jìn)動力和日常負(fù)荷提供電能，應(yīng)用于公務(wù)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(jìn)動力，功率達(dá)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(dá)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(yùn)營。船長70英尺，可搭載75名乘客，最高時(shí)速可達(dá)22海里/小時(shí)。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(shí)集成了100 kWh鋰離子電池。

1.2 國內(nèi)技術(shù)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(shè)和示范運(yùn)行。2011年，浙江東福山島微電網(wǎng)項(xiàng)目建成投運(yùn)，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(xiàng)目配置100 kWp光伏、210 kW風(fēng)電、200 kW柴油機(jī)和960 kWh鉛酸電池，電壓400，總裝機(jī)容量510 kW。

2012年，浙江省南麂島微電網(wǎng)項(xiàng)目開工建設(shè)。該項(xiàng)目配置1000 kW風(fēng)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(shè)生態(tài)海島、環(huán)保海島的需要。同時(shí)，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(xiàng)目采用“光伏發(fā)電+儲能為主電源，柴油發(fā)電機(jī)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(yán)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(lǐng)域尚處于小規(guī)模試驗(yàn)和測試階段。2005年11月，上海海事大學(xué)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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?fù)P州試驗(yàn)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(shù)船舶科研項(xiàng)目“氫燃料動力船舶關(guān)鍵技術(shù)研究”，開展500 kW級船用燃料電池系統(tǒng)的工程化研制，重點(diǎn)針對三峽公務(wù)船、珠江散貨船等船型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)與示范應(yīng)用。

1.3 國內(nèi)外技術(shù)對比分析

總體來看，國內(nèi)外在孤島微電網(wǎng)領(lǐng)域均未見燃料電池應(yīng)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(lǐng)域已基本實(shí)現(xiàn)燃料電池船舶示范及應(yīng)用，并不斷走向?qū)嵺`。我國在各個(gè)領(lǐng)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(yùn)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(yùn)營，但大都采用風(fēng)力（太陽能）發(fā)電+柴油機(jī)發(fā)電+蓄電池儲能的模式。然而，蓄電池儲能能力有限，同時(shí)也會帶來一定的環(huán)境問題。孤島風(fēng)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(lǐng)域尚處空白，亟需相關(guān)技術(shù)和關(guān)鍵裝備研制攻關(guān)。

2）燃料電池發(fā)電裝置技術(shù)成熟度較低

我國燃料電池起步較晚，整體技術(shù)成熟度水平偏低。燃料電池電堆、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件耐久性較差。據(jù)相關(guān)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(shí)，家用小型電站電堆壽命超過10萬小時(shí)。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(shí)，氫氣循環(huán)泵的壽命一般不超過5千小時(shí)，與國外差距較大亟待進(jìn)一步提高。

3）船用燃料電池發(fā)電裝置產(chǎn)品譜系嚴(yán)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(yù)計(jì)2023年可實(shí)現(xiàn)500 kW級高壓儲氫燃料電池船舶示范運(yùn)行，產(chǎn)品譜系單一，亟需進(jìn)一步擴(kuò)展開發(fā)。

2 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用前景

2.1 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)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(shè)運(yùn)行需求迫切。通過建設(shè)光伏發(fā)電、風(fēng)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(yīng)。采用“風(fēng)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(shí)候，通過電解將水分解為氫氣和氧氣將能量存儲起來；低風(fēng)或無風(fēng)時(shí)，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(jì)將是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的黃金時(shí)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(bào)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(jìn)一步發(fā)展，原油價(jià)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(yīng)用市場如集裝箱船等將會被開放，市場容量有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

由此可見，在國家雙碳目標(biāo)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(lǐng)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(shí)，燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)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(lǐng)域，其必將帶動材料、電機(jī)、控制系統(tǒng)、氫能設(shè)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(yīng)用場景及燃料形式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全電動標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。以大型船為例，其主尺度為50～100 m，排水量大于700噸，推進(jìn)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(shù)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(jìn)動力和日常負(fù)荷應(yīng)用于該類船型。另外，氫氣因其自身特點(diǎn)很難被高密度地儲存，安全、高效儲運(yùn)是氫能在海上領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)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(jī)液體儲氫、含氫燃料制氫等方式。不同的應(yīng)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(shù)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(jī)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(shù)引進(jìn)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(shù)引進(jìn)取得較大的進(jìn)步。但其膜電極為巴拉德專供，核心技術(shù)國產(chǎn)化仍需突破。

2）燃料電池關(guān)鍵輔助部件

近年來，國內(nèi)關(guān)于燃料電池關(guān)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(lǐng)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(jī)等。但國內(nèi)燃料電池關(guān)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(rèn)證等問題，尚不能完全滿足燃料電池系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)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(guān)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(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，但其市場前景廣闊。

3 技術(shù)難點(diǎn)及解決思路分析

3.1 氫燃料電池發(fā)電裝置技術(shù)研究

1）技術(shù)難點(diǎn)

目前國內(nèi)燃料電池電堆研發(fā)相關(guān)企業(yè)繁多，其中也不乏多個(gè)龍頭企業(yè)，但電堆應(yīng)用場景主要集中在車用領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)研究

針對氫燃料電池發(fā)電模塊海上應(yīng)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(yīng)性研究以及應(yīng)對大功率電堆的模塊化集成設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)技術(shù)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(yīng)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(guān)系開展電堆零部件的材料研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(gè)組件設(shè)計(jì)要求，形成氫燃料電池發(fā)電裝置封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（3）開展氫燃料電池發(fā)電裝置水熱管理技術(shù)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(yùn)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(shù)方案。

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

1）技術(shù)難點(diǎn)

應(yīng)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(yīng)用案例作為參照，相關(guān)法規(guī)規(guī)范亟待頒布實(shí)施。

2）解決思路

（1）儲氫設(shè)施海上應(yīng)用的合規(guī)性

建立相關(guān)性能指標(biāo)的試驗(yàn)評價(jià)體系，對儲氫和燃料電池發(fā)電裝置的安全性進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)備、電氣設(shè)備、控制設(shè)備和安全裝置等。另外，包含燃料補(bǔ)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(yīng)用氫能源及氫燃料電池的安全性

海上應(yīng)用氫能源及氫燃料電池的主要安全控制方向?yàn)椋涸诘蜏?、火?zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性下保護(hù)船員、船舶、孤島等設(shè)施，確保使用氫氣或其他富氫燃料的氫燃料電池設(shè)備擁有與現(xiàn)有設(shè)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(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)后，借鑒陸上氫燃料電池的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)解決電池系統(tǒng)故障影響及后果、儲氫設(shè)備布置建議、供電可靠性、防泄漏、滅火、通風(fēng)、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(guān)的技術(shù)要求。

3.3 氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用專利布局研究

1）技術(shù)難點(diǎn)

世界范圍內(nèi)，氫燃料電池發(fā)電裝置海上應(yīng)用的相關(guān)示范已陸續(xù)實(shí)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(shè)備、輔助裝置組成的獨(dú)立系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中正逐漸增多。目前，世界氫燃料電池專利技術(shù)主要集中在日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家。我國氫燃料電池技術(shù)總體上落后于發(fā)達(dá)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(shè)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(gè)領(lǐng)域氫燃料電池專利的布局情況，以不同的維度為劃分進(jìn)行專利對標(biāo)分析。同時(shí)，從專利中摘取并歸納出氫燃料電池核心技術(shù)點(diǎn)，并針對各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)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(shù)專利領(lǐng)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(yīng)用前景和發(fā)展必要性，既符合發(fā)電技術(shù)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。

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Feasibility analysis of offshore application of hydrogen fuel cell power generator

Liu Biao1, Wu Pengfei2, Zhao Yunjie1, Zhang Haibo1, Wang Zhen1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen and Fuel Cell Industrial Technology Research Institute Co. LTD, Wuhan 430000, China)

U665

A

1003-4862（2023）09-0007-05

2023-03-01

劉彪，男（1989-），博士，研究方向：燃料電池總體設(shè)計(jì)。E-mail：biao.liu89@hotmail.com