編者按

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。從中長期來看，氫、氨等零碳燃料技術將是水路交通載運工具實現零排放的重要途徑。氫動力船舶基于燃料電池的氫能應用模式，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，可以適應未來綠色船舶市場需求，并且具有廣闊應用前景。

中國工程院嚴新平院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第3期發表《我國氫動力船舶創新發展研究》一文。文章梳理了氫動力船舶的發展現狀，從氫動力船舶產業鏈發展態勢、協同發展戰略布局的視角完成了氫動力船舶產業布局研判；完成了發展氫動力船舶的技術經濟可行性分析，覆蓋氫和氨燃料、氫燃料電池、氫內燃機、基礎設施、總擁有成本等角度；從氫氣制取、氫氣運輸、大容量儲氫、安全加氫、燃料電池、氫內燃機、多能源協同控制、氫應用安全等方面系統展開了氫動力船舶產業鏈關鍵環節分析。立足國情提出了我國氫動力船舶多階段發展目標，論證形成了氫動力船舶發展路線圖、氫燃料供應體系建設路徑。研究建議，明晰應用場景、突破關鍵技術、完善配套設施、創新運營體系，以此推動我國氫動力船舶快速優質發展。

一、前言

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1.2×108 t，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。

在近期，天然氣、甲醇等低碳燃料，蓄電池技術是降低船舶CO2排放量的過渡方案；在中長期，氫、氨等零碳燃料技術將是水路交通載運工具實現零排放的重要途徑。氫能作為清潔能源，通過燃料電池方式實現高效發電且不排放CO2，有望在水路交通運輸行業的碳減排過程中發揮積極作用。根據國際能源署發布的《中國能源體系碳中和路線圖》，航運業的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術和燃料的開發及商業化；在承諾目標情景中，2060年基于燃料電池的氫能應用模式將滿足水路交通運輸領域約10%的能源需求，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，適應綠色船舶市場需求且應用前景廣闊。

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。

二、 氫動力船舶發展現狀與產業布局研判

（一）氫動力船舶發展現狀

1. 氫動力船舶

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。

2. 燃料電池系統

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。

3. 儲氫裝置

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3 d、2 d。

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。

（二）氫動力船舶產業鏈發展態勢

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。

1. 上游環節

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。

2. 中游環節

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。

3. 下游環節

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。

（三）氫動力船舶產業鏈協同發展戰略布局

1. 上游環節

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。

2. 中游環節

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。

3. 下游環節

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。

三、發展氫動力船舶的技術經濟可行性

（一）氫和氨燃料

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5.4×107 t增加至2060年的8×107 t，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。

（二）氫燃料電池

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（3000~4000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。

（三）氫內燃機

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100 kW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。

（四）基礎設施

在我國，現有加氫技術與基礎設施以車輛應用為主，而船舶應用基本空白；主流的加氫站規模為500 kg/d、1000 kg/d，對應的建設成本分別為1200~1500萬元、2000~2500萬元（不考慮土地成本），其中設備、土建成本占比超過70%。氫氣壓縮機、儲氫罐（分為高壓儲氫罐和液氫儲罐）、加氫機是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機方面，隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機已實現國產化，未來有望逐步占據國內市場，而離子式壓縮機需進一步研制。加氫站儲氫裝置已具備一定的自主化基礎，如中集安瑞科控股有限公司生產的45 MPa大容積無縫鋼制儲氫氣瓶已實現出口，300 m3大型液氫儲罐完成了方案設計和小批量生產。35 MPa規格的加氫機基本實現國產，但加氫槍、流量計、閥件等核心零部件依賴進口；國內企業已掌握70 MPa加氫技術，但相關應用落后于國外。

在氫動力船舶發展初期，宜借助氫動力汽車的良好發展勢頭，積累基礎設施相關技術；逐步開展船舶領域的氫能應用，以技術改進與裝備更新的方式匹配氫動力船舶的專有應用需求。

（五）船舶總擁有成本

船舶總擁有成本（TCO）包括建造成本、運營成本：前者分為主動力系統成本、輔助動力成本、燃料儲罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵蓋燃料成本、維修成本、箱位損失、人員工資、保修費等。由于氫動力船舶仍處于研制與小規模應用階段，相關的TCO分析依然不夠充分。針對15 000 TEU氨氫動力集裝箱船開展的TCO分析表明，假定配備1臺51 MW氨發動機作為主動力，2臺4 MW、2臺2 MW氫燃料電池系統作為輔助動力，則TCO約是同等條件下傳統燃料船舶的2倍；燃料成本是影響氨氫動力船舶經濟性能的重要參數。

四、氫動力船舶產業鏈關鍵環節分析

（一）高效低碳的氫氣制取技術

當前，氫氣主要利用化石能源來獲得，約占世界氫氣生產量的95%，生產過程排放CO2；利用可再生能源獲得的電能來進行電網規模級別的電解水制氫，生產過程屬于零碳排放，但所占比例僅約4%~5%。碳捕集、利用與封存（CCUS）技術可應用于傳統的化石能源制氫過程以降低碳排放量，但考慮現有技術和基礎設施的成熟度，預計2030年前基于CCUS技術的化石能源制氫難有明顯突破。因此，基于可再生能源的電解水制氫是未來氫氣制取的發展趨勢。

電解水制氫分為堿水電解、PEM水電解、固體氧化物水電解。堿水電解、PEM水電解被認為是當前可實際應用的技術：前者在我國已經工業化，國產設備的生產率達到1000 Nm3/h；后者正處于從研發走向工業化的前期階段。近年來，我國電解水制氫設備的裝機容量顯著提升，2020年裝機容量為18 MW，約占世界增量的1/4。在“雙碳”目標背景下，隨著技術提升和配套制造業的完善，2030年、2060年我國電解水制氫設備裝機容量將分別達到25 GW、750 GW，分別占世界總量的15%、40%。

（二）大規模低成本的氫氣運輸技術

可實現規模化運輸氫氣的方式主要有高壓氣氫長管拖車、低溫液氫槽車、氫氣管道。高壓氣氫長管拖車方式技術成熟，適用于運輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級的用戶，與當前的氫能產業發展規模相適應。國內長管拖車氫氣瓶的工作壓力多為20 MPa，TT11-2140-H2-20-I型集裝箱束箱每次可充裝氫氣約347 kg。高壓氣氫長管拖車適用于200 km以內的運輸， 200 km距離的運輸成本約為7.72 ~8.82元/kg。

低溫液氫槽車的運氫能力強（是高壓氣氫長管拖車的10倍以上），在200 km以上距離的運輸成本僅為高壓氣氫長管拖車的1/5~1/8，但氫氣液化能耗較高，如20 MPa高壓氣氫的壓縮成本約為2元/kg，而大型氫氣液化裝置的液化成本約為12.5元/kg。此外，氫氣液化裝備的初始投資成本不容忽視。在解決相關成本和效率問題后，液氫罐車在中遠距離的輸氫領域將有良好的應用前景。近期，液氫海運船受到廣泛關注，有可能成為新興的液氫運輸方式，如日本“Suiso Frotier”液氫運輸船。

基于氣態氫的管道運輸分為兩類：純氫的管道運輸、天然氣摻氫的管道運輸。管道運輸適用于大規模、長距離的氫氣運輸，但前期投資較大。當氫氣儲運設施尚不完善時，將氫氣摻入天然氣中并利用天然氣管道進行運輸，是一種兼顧技術與成本的大規模運氫方式（當摻氫天然氣的含氫量約為15%時，僅需對原有管道進行適當改造即可），主要涉及天然氣運輸管道與氫氣的相容性、氫氣泄漏與檢測、終端氫氣分離等。隨著氫能產業規模的擴大、應用需求的增加，具有運輸規模優勢的管道輸氫將成為優選方式。

（三）船舶大容量儲氫技術

儲氫技術發展呈現出“低儲氫密度—高儲氫密度”的趨勢。高密度儲氫技術仍不成熟，技術路線仍在進行多方案探索，包括超高壓氣態儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫、液態有機物儲氫等。

高壓儲氫是當前船舶適用的方式，儲氫瓶有35 MPa、70 MPa兩種規格，對應的體積儲氫密度分別為25 g/L、41 g/L。國外的70 MPa高壓儲氫技術基本成熟并實現商業化，如豐田Mirai氫燃料電池汽車即采用70 MPa儲氫瓶。我國的35 MPa高壓儲氫瓶技術標準成熟，國產氫燃料電池汽車較多采用；正在研發70 MPa高壓氣瓶，已接近商業應用階段。因此，我國氫動力船舶，如“綠色珠江號”內河貨船先期采用了35 MPa高壓氣瓶儲氫方式，待技術條件成熟后再轉向更高規格。

液氫的密度為70.8 g/L，在儲存密度上較高壓儲氫有明顯優勢；隨著氫能產業的快速發展，低溫液態儲氫將逐步擴大民用范圍，有望成為未來的主流儲氫方式。考慮到現有高壓儲氫技術的儲存密度較低，無法滿足未來船舶續航力的要求，船舶儲氫將朝著能量密度更高的方向發展，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇計劃采用低溫液態儲氫方式。金屬氫化物儲氫方式具有儲氫體積密度大、壓力低、安全性高等優點，在潛艇上具有良好應用前景，推廣應用過程需著力解決成本、吸脫氫溫度、反應速率等問題。

理論上氨的儲氫密度約為17.6%，液氨的體積儲氫密度是液氫的1.5倍，加之氨的液化、儲存、運輸技術成熟，使得以氨為載體的儲氫方式成為極具潛力的大容量儲氫解決方案。氨的裂化分解是以氨為載體的儲氫系統需要解決的關鍵技術問題，開發低壓、低溫、高活性、低成本的催化劑是后續研究重點。甲醇具有較高的儲氫密度且自身含氫量達12.5%，可作為綠氫的載體來實現高效儲存和運輸，當距離大于200 km時較直接運氫具有經濟優勢。考慮到甲醇制氫會產生CO，需配備氫氣純化裝置以避免PEMFC催化劑中毒。

（四）快速安全加氫技術

現有的氫動力船舶儲氫方式多樣，相應的加氫方式和耗時不盡相同。在“Alsterwasser”游船示范項目中，林德集團在碼頭建立加氫站為該船提供穩定氫源，船上最多可存儲50 kg氫氣，單次加氫過程耗時約為12 min；德國212A型潛艇采用基于金屬氫化物儲氫方式，完成80%、100%加氫量分別耗時10 h、25 h。鑒于陸上車用高壓氣態儲氫及加氫技術相對成熟，在氫動力船舶發展初期采用車用方案是可行的發展模式。

與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大，持續時間長的特點，加注設備應采用更加可靠的加注連接方式，同時應具有船岸之間緊急切斷的聯動功能以滿足緊急脫開需要。船舶在碼頭進行燃料加注時一般不允許船舶斷電，因而既保證加氫時燃料電池系統正常工作（供電）以及裝卸貨等同步操作（SIMOPs）的需要，又保障氫燃料加注操作的安全性，是亟需解決的問題。

（五）船舶大功率燃料電池技術

船用燃料電池技術表現為“小功率—大功率”的發展趨勢。燃料電池主要分為以PEMFC為代表的低溫燃料電池，以熔融碳酸鹽（MCFC）和固體氧化物（SOFC）為代表的高溫燃料電池：前者技術成熟，正在進行產業化、規模化發展，力求實現價格更低、壽命更長、功率更高；后者因其功率高、效率高、氫氣純度要求低等技術優勢，更適合船舶應用，也是未來大型船舶的發展方向。

船舶功率需求與船型、操作工況相關，不同船型的需求功率如表1所示。PEMFC系統可作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。在現有的氫動力船舶示范項目中，PEMFC系統輸出功率基本為百千瓦級。為了拓寬氫動力船舶的適用場景，未來PEMFC系統的輸出功率應提高至兆瓦級，這是船舶燃料電池亟需攻克的關鍵技術。

表1 船舶需求功率情況

（六）船舶氫內燃機技術

氫氣燃燒火焰傳播速度快、放熱集中，因而氫內燃機相對傳統內燃機具有更高的熱效率。普通內燃機熱效率約為30%~40%，而德國企業研制的氫內燃機驗證機熱效率最高達到42%，我國正在研發的氫內燃機熱效率有望達到44%。也要注意到，氫內燃機雖然具有輸出功率高、熱效率高、節能環保的優點，但存在爆燃、早燃、回火等技術難題，也會產生NO，因而提升動力系統性能、降低NO排放是后續氫內燃機研究亟待攻關的方面。

氫內燃機相比PEMFC系統具有輸出功率優勢，待攻克相關技術難題后，將在船舶領域獲得廣闊應用。2017年，比利時海事集團推出了世界首制柴氫雙燃料客船，搭載的Behydro發動機輸出功率為1000~2670 kW。目前我國的氫內燃機技術集中在汽車領域而尚未開展船舶應用研究，相較國際先進水平還存在較大差距。

（七）船舶多能源協同控制技術

常規船舶采用船舶柴油機并以燃用輕 / 重柴油為主，部分采用柴油發電機的電力推進系統用能形式，能源結構相對單一。船舶供能形式的多樣化是未來發展趨勢，如“Energy Observer”游艇搭載了太陽能光伏發電系統、風力發電系統、鋰電池系統、海水淡化系統、PEM電解水制氫系統、PEMFC系統等；在日本郵輪超級環保船（NYK Super Eco-ship）設計方案中，動力系統將采用LNG燃料電池、太陽能電池、風力助推等。

在船舶能源供給趨于多樣化的形勢下，多種供能系統之間的協同控制技術日益顯現出重要性。未來氫動力船舶的動力系統涉及燃料電池、蓄電池（或超級電容）、變流裝置、推進電機等設備，這就需要利用多能源協同控制技術來進行各類設備之間的優化匹配與協同控制，保障動力系統的安全性、可靠性、經濟性。

（八）船舶氫應用安全技術

船舶航行環境復雜，易受氣象、水文、航道等因素的影響；船舶系統相對孤立，若發生安全事故，人員不易迅速逃離而需等待救援。因此，船舶需要有較高的安全性。在氫能源及燃料電池的推廣應用過程中，需將與燃料相關的火災、爆炸等風險發生概率及后果限制在極低水平，確保相關裝置擁有與基于化石燃料的常規主機 / 輔機具有同等安全水平。現有氫動力船舶相關的安全規范及應急措施有待進一步完善。氫應用安全技術是氫動力船舶安全運行的基礎，采用數值模擬方法預測船舶氫氣泄漏擴散及其風險演變規律，是制定相關風險應對措施的有效途徑。

（九）氫動力船舶標準及規范

在陸上領域，氫能及燃料電池技術標準基本成熟，我國發布的相關技術標準多達91項。然而氫動力船舶標準及規范尚不成熟，相關燃料電池系統以及儲氫、加氫系統主要沿用陸上標準。國際海事組織正在開展《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》關于納入船舶應用燃料電池系統的技術要求編制工作，但并不包含燃料存儲、供應系統。氫動力船舶技術標準環節存在的問題在于：規范法規缺項、操作規范缺項、安全研究不足。例如，船用氫氣加注標準（包括液氫加注和金屬氫化物的船舶加氫技術）、70 MPa儲氫瓶上船標準、船舶重整制氫標準等均處于缺失狀態。

面向氫動力船舶快速發展需求，相關船舶標準及規范需要盡快進行補充完善：① 船用燃料電池動力系統專項研究驗證，船舶功率需求較大，對燃料電池單體的一致性、電池管理系統、散熱等要求高于車用系統；② 氫燃料電池動力船舶設計方案風險評估分析與船用燃料電池及其處所安全防護專項研究驗證，高鹽霧腐蝕和潮濕的海上環境、船舶振動等因素可能降低系統的可靠性和耐久性；③ 船舶氫燃料加注方式、安全操作規程及監管方式研究，我國港口或錨地尚無船用氫燃料加注設施，相關技術與規范需深入研究；④ 船用儲氫系統、氫氣供給系統專項研究驗證，及時制定并持續完善氫燃料電池動力船舶的技術標準體系。

五、我國氫動力船舶的發展目標與建設路徑

（一）我國氫動力船舶的發展目標

應對“雙碳”發展目標，我國乃至全世界在航運業碳減排問題上都面臨著巨大壓力。發展氫動力船舶，全面牽引水路交通領域從氫能基礎設施到終端應用的建設，革新水路交通運輸裝備的用能構成，支持實現清潔能源轉型。圍繞交通強國、《中國制造2025》等行動綱領，推動傳統船舶制造行業的轉型與升級，催生新型船舶設計與研究單位及產業鏈配套企業，引領船舶制造業高質量發展。實施大功率燃料電池、大容量儲氫、快速加氫、多能源協同控制、氫利用安全等核心關鍵技術攻關，制定氫動力船舶標準及規范，完善氫能配套設施，推動多類型氫動力船舶的示范應用。

至2025年為技術積累階段。借助燃料電池汽車技術進展，重點突破船用氫燃料電池等關鍵技術，制定氫動力船舶標準及規范；完成氫動力船舶裝備研發，在內河 / 湖泊等場景實現氫動力船舶示范應用。

2025—2030年為完善產業階段。構建氫動力船舶設計、制造、調試、測試、功能驗證、性能評估體系，建立配套的氫氣“制儲運”基礎設施；擴大內河/湖泊等場景的氫動力船舶示范應用規模，完善水路交通相關基礎設施。

2030—2035年為提升質量階段。降低燃料電池和氫氣成本，提高船用氫燃料電池系統壽命、轉化效率和船上儲氫量，研發高溫燃料電池和余熱利用技術；構建完備的水路交通載運裝備技術和產業體系，在近海場景實現氫動力船舶應用示范。

2035—2060年為推廣應用階段。優化氫動力船舶的綜合性能，推廣本土商業化應用；與綠氨、碳中和LNG / 甲醇等動力形式船舶協同，完成我國水路交通運輸裝備領域碳中和目標；在國際航線上開展氫動力船舶應用示范，提升我國氫動力船舶產業的國際競爭力。

（二）我國氫動力船舶的建設路徑

1. 面向碳中和的氫動力船舶總體路線圖

LNG船舶應用前景良好，將是近期船舶清潔用能的主要形式。蓄電池技術是現階段盡快實現內河及近海船舶零排放的解決方案，但能量密度有限，主要在短程、小型船舶上有應用空間，而在中短途運輸領域未有廣泛應用。氫燃料是實現船舶零排放的重點發展方向，近期將在內河及近海船上開展應用研究。在制氫方面，目前化石能源制氫是主要方式，未來占比將逐步下降，可在CCUS技術成熟后引入以進一步降低碳排放；可再生能源制氫是未來主要的制氫途徑。在儲氫方面，為滿足國際遠洋航行船舶的續航要求，需進一步發展包括液氫儲氫在內的高效儲氫技術，甲醇重整制氫、氨分解制氫等現場制氫技術。

氫的最佳應用載體是燃料電池，PEMFC受限于功率等級較低以及氫氣純度要求高，將主要應用于內河及近海船舶，未來繼續發展高溫PEMFC。高溫燃料電池（如SOFC）可使用富氫液體燃料而不再依賴純氫，采用余熱利用技術可進一步提升系統效率，功率等級有望達到兆瓦級，在遠期是適用于遠洋船舶的技術路線。氫內燃機是另一種氫能動力系統，隨著船載儲氫技術發展表現出良好的應用前景，將在水路交通“雙碳”目標實現過程中發揮重要作用。

氫動力船舶發展路徑與氫燃料電池、氫內燃機、儲氫等技術以及氫能基礎設施緊密相關，按照先內河 / 內湖、再近海、最后遠洋的路線分步實施（見表2）：湖泊區域的游船 / 渡船等，可采用氫燃料電池動力系統；內河干線小型船舶（8000 t以下）可采用氫燃料電池動力系統，內河干線大型船舶（8000 t以上）可采用基于氫、氨、甲醇等燃料的內燃機系統；近海、遠洋船舶可采用混合動力系統。

表2 氫動力船舶發展進度

2. 氫燃料供應體系建設路徑

在近期，化石能源制氫仍占據主導地位，主要分為煤制氫、天然氣制氫、化工副產品制氫。煤制氫具有成熟可靠、生產成本低的優勢，就生產潛力而言完全可以滿足氫能發展需要；在更強調清潔低碳的背景下，CCUS技術應用會對煤制氫路線產生重要影響。在中期，可再生能源制氫比重將逐步提高，與碳捕獲技術結合生產藍氫也將形成一定的規模。在遠期，利用可再生能源發電，再通過水電解制氫將是重要的制氫方式（見圖3）。

圖3 我國氫動力船舶的氫燃料供應體系建設路徑

適合大規模工程化應用的氫氣運輸方式主要有高壓氣氫長管拖車運輸、低溫液氫槽車運輸。目前以高壓氣氫儲運為主，后續將逐步過渡到低溫液氫儲運為主、以高壓氣氫儲運為輔。未來隨著氫氣的廣泛應用及規模化生產，涉及純氫的管道運輸、天然氣摻氫的管道運輸的輸氫管網建設（或改造）將是能源基礎設施的建設重點。

在內河航運領域加大氫能利用范圍與規模，形成以船舶為重點、以港口為中心的航運氫能產業生態，將支撐水路交通綠色化發展。積極拓展氫能的港口應用，探索在途氫燃料補給模式，既是制氫產業綠色化發展的需要，也可支持氫動力船舶應用并完善水路交通氫能生態鏈。

我國沿江經濟發達、化工園區集中，工業副產氫產能多臨近港口，氫能來源較豐富；氫源附近的港口可就地集中消納氫能，同時利用航運在供需港口間進行遠距離的氫能運輸，以氫氣規模化運輸來降低運氫成本。加氫站布局可考慮與現有油氣加注站合建，充裕的工業用地和遠離城鎮的區位也為加氫站建設審批提供便利條件，還可考慮更加靈活的移動式加氫站。

海上風電制氫指直接通過水電解制氫設備將海上風力發電轉化為氫氣，再以氫為能源載體實現清潔能源的長期存儲，這就為氫動力船舶的海上補充氫燃料提供了可能性。發達國家積極布局海上風電制氫項目，認為未來的樞紐設施可由設置在海上風電場周邊的氫燃料中心組成；我國能源體系規劃鼓勵建設海上風電基地，推動海上風電場向深水遠岸區域布局。開展海上風電制氫項目具有一定的趨勢性，海上綠氫生產基地有望成為氫燃料供應體系的重要組成部分。

六、推動我國氫動力船舶發展的建議

（一）明晰應用場景

針對氫燃料電池動力系統的發展現狀及未來演變趨勢，借鑒先發國家的氫動力船舶運營經驗，結合我國氫能戰略規劃與產業布局，明晰適應國情的氫動力船舶應用場景。可按照先內河 / 湖泊、再近海、最后遠洋的發展次序，制定產業規劃，梯次推進技術攻關、裝備研制、應用示范、基礎設施建設。

（二）突破關鍵技術

發揮宏觀戰略的引導作用，兼顧自主創新與對外合作，系統發揮企業、科研院所、高校的差異化優勢，以企業為主體實施氫動力船舶裝備創新。著力突破氫動力船舶研發、示范、推廣面臨的關鍵核心技術，如高效低碳的氫氣制取技術、船舶大容量儲氫技術、大功率燃料電池技術等；促進水路交通載運工具氫能應用水平盡快達到國際先進，為更大規模的氫動力船舶應用示范筑牢基礎。

（三）完善配套設施

建議在國家層面開展交通領域能源需求演變態勢論證，統籌“水陸空”交通的氫能綜合應用格局，研究提出燃料供應體系、基礎設施建設等專項規劃。鼓勵各地區結合自有能源與技術優勢，發展低成本、少污染、高可靠的制氫項目并開展應用示范，以試驗試用積累工程化經驗，為后續的大規模氫能基礎設施建設提供依托。

（四）創新運營體系

針對氫動力船舶產業化應用存在的前期投資大、回報周期長的客觀實際，積極配套政策、資金等資源支持，鼓勵各類企業依托自身優勢提前布局氫動力船舶市場，以示范運營支持新型運營模式探索；同步支持傳統船舶下游環節積極開拓針對氫動力載運裝備的檢測、維修、培訓等業務。以產業鏈協同模式探索建立我國氫動力船舶創新運營體系。

審核編輯 ：李倩