2020年 05月

未来绿色环保船舶技术 – 氢能源和燃料电池

2020年 5月 18日

Future Technology Research Team / Principal Surveyor ROH Gilltae

船舶适用氢能源大致可分为两种类别。一种是适用于氢气运输的技术，另一种是使用燃料电池在船舶上生产电力的技术。2019年1月韩国政府发行的《激活氢经济的指南》中包含了各类别的开发战略。

通过船舶运输氢气可以成为大量、远程以及国际运输的实用方法。氢以氨气（NH3）、有机化合物（LOHC：Liquid Organic Hydrogen Carrier）或液态氢气的形式通过船舶运输。该领域的技术开发日本是比较领先的，韩国从2016年开始进行了液体状态下运输氢气的研究。

图1. 日本氢能源开发计划(来源：METI)

为了开发液体氢气运输船，需要开发并确保低温绝热技术、装载/卸载技术和BOG处理技术等核心技术是最重要的。目前，韩国为了适用液体氢气运输船，正在通过研究课题进行加入液体氢气的货物围护系统（CCS）技术的研发。本研究课题由KR主导，由船厂（三星重工、现代重工、大宇造船海洋）和相关器材企业、大学等共同参与，确保设计所需参数和模拟结果，并确保船舶应用的测试规定。今后还需要确保其他核心技术，通过实证来建造船舶，验证其安全性之后，并在2030年氢经济开始时进行商业化。

图2. CCS薄膜型的基本设计(来源SHI)

航运业界认为，燃料电池发电系统比现有的柴油机效率高，而且能减少燃料消耗及相关污染物质，因此正在重新崛起。氢燃料电池是通过氢和氧之间的电化学反应产生电和热的系统，可以排除NOx、SOx和微粒物质（PM），减少CO2排放量。船用燃料电池系统的另一个好处是，虽然会随着船舶种类的差异会有所不同，但可以减少噪音、振动、模块式及灵活的设计等。

氢燃料电池船舶是指利用燃料电池系统生成的电，由电机来推进的船舶。从燃料电池效率的角度来看，纯粹氢作为燃料使用是最理想的，但也应该考虑有效地储存在船上的方法。作为参考，在质量标准中，氢气的能量含量是比天然气高2.5倍，比柴油高2.8倍的120M/kg，具有最高的质量能量密度。但是，容积标准来看的话是8.5 GJ/m3（液体氢气）的能量密度，相当于同一体积的天然气和柴油的40%，23%，具有相对较低的容积能量密度。为了将燃料电池系统应用于商用船舶，船用燃料电池的开发固然重要，但也要开发有效地储存在船上的方法。氢气可以通过压缩氢、液氢、LNG、甲醇、金属氢化物、LOHC等方法储存，其中还需要考虑航海资料、船舶类型等，选择最合适的方法。

氢燃料电池推进船舶早就以欧盟及美国为中心开始实证。虽然韩国有点晚，但韩国拥有世界最高水平的燃料电池和船舶设计技术，政府将氢燃料电池推进船舶技术选定为造船领域未来希望项目，预计今后会有快速的技术开发。燃料电池推进船舶以欧洲为中心，目前已经进行了30多个实证项目，正在逐渐开发适用于大型船舶的技术。和ABB-Ballard、Siemens—PowerCell等一样，通过造船和燃料电池企业之间的技术合作来引领市场。

图3. PowerCell公司燃料电池模块
（来源 ship & Offshore (www.shipandoffshore.net)）

韩国也在政府的支持下执行了将燃料电池应用到船舶上的项目。
其中，KR参与了“船舶辅助电源用MCFC系统开发（2011）”、“新概念动力源船舶应用基础技术开发（2011）”、“船舶（游轮）推进用50kW级混合动力PEMFC系统开发及实证（2012）”等多个项目。最近通过KR主管的“微尘无排放船用PEMFC混合动力系统开发及实证（2017）”课题，为了将燃料电池应用到船舶而不断努力。

韩国的燃料电池技术和造船技术处于世界最高水平。但是，目前的情况是，还没有将这些技术相结合的经验，可以扩大市场的氢基础设施也不够。但是，韩国国内与现代汽车、斗山等燃料电池企业和造船企业及造船器材企业之间的合作越来越多，政府也在努力建立相关产业生态系统，因此预计会比预想更快的在船用氢燃料电池领域也可以主导技术。

图4. 氢气运输船(来源：KR)

图5. 氢气燃料电池推进船舶(来源：KR)

KR Webzine Vol.134