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(chǎng)景下的國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比、市場(chǎng)前景、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決思路分析，對(duì)我國(guó)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。

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(guó)的普遍共識(shí)和一致行動(dòng)。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(chǔ)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(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)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(guó)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(zhǎng)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(huì)帶來環(huán)境污染的問題。對(duì)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(dòng)性。波動(dòng)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(yáng)能）發(fā)電+儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外大部分船舶由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，船用電源基于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行儲(chǔ)能?，F(xiàn)如今，國(guó)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(huì)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(dòng)機(jī)+蓄電池”模式向新能源純電動(dòng)船舶、柴電混合動(dòng)力船舶轉(zhuǎn)型。目前，新能源純電動(dòng)船舶普遍使用鋰離子電池作為動(dòng)力能源系統(tǒng)，其運(yùn)營(yíng)和建造市場(chǎng)主要集中在歐洲和中國(guó)市場(chǎng)。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(duì)于一些長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)噪聲低、紅外特征低、零排放等。目前，燃料電池在車用發(fā)動(dòng)機(jī)、電站、船用動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域已得到充分驗(yàn)證。由此可見，對(duì)于遠(yuǎn)離大陸的孤島采用“風(fēng)力（太陽(yáng)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(duì)于船用動(dòng)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(chǎng)景下的國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比、市場(chǎng)前景、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決思路，為我國(guó)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(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)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(tái)光伏發(fā)電單元，共11 kW，1臺(tái)5 kW柴油機(jī)，1臺(tái)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(guó)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(dòng)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(tái)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(chǔ)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(chǎng)景下尚無應(yīng)用案例，但近年來國(guó)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(tái)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(guó)等先進(jìn)國(guó)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(dòng)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(guó)研制出100客“Alsterwasser”號(hào)燃料電池游船，其采用燃料電池系統(tǒng)作為主推進(jìn)動(dòng)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(guó)首艘氫燃料電池船“Sea Change”號(hào)在加利福尼亞州舊金山灣投入運(yùn)營(yíng)。船長(zhǎng)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(chǔ)氫罐組成，同時(shí)集成了100 kWh鋰離子電池。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 孤島微電網(wǎng)

近年來，國(guó)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(guó)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(cè)試階段。2005年11月，上海海事大學(xué)研制了“天翔一號(hào)”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(hào)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(dòng)力。2019年，中船712所在國(guó)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(dòng)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(dòng)力船舶關(guān)鍵技術(shù)研究”，開展500 kW級(jí)船用燃料電池系統(tǒng)的工程化研制，重點(diǎn)針對(duì)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(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比分析

總體來看，國(guó)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(guó)在各個(gè)領(lǐng)域與歐洲等國(guó)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(yíng)尚處空白

我國(guó)雖然在部分島嶼開展孤島微電網(wǎng)示范運(yùn)營(yíng)，但大都采用風(fēng)力（太陽(yáng)能）發(fā)電+柴油機(jī)發(fā)電+蓄電池儲(chǔ)能的模式。然而，蓄電池儲(chǔ)能能力有限，同時(shí)也會(huì)帶來一定的環(huán)境問題。孤島風(fēng)力（太陽(yáng)能）發(fā)電制氫+燃料電池儲(chǔ)能的模式既可以解決儲(chǔ)能的問題，又滿足綠色環(huán)保的要求。然而，我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(jí)高壓儲(chǔ)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(chǎng)規(guī)模分析

中國(guó)島嶼眾多，對(duì)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(yáng)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(chǔ)起來；低風(fēng)或無風(fēng)時(shí)，通過燃料電池將存儲(chǔ)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(guó)勞氏船級(jí)社和漢堡城市發(fā)展與環(huán)境管理局的市場(chǎng)研究報(bào)告表明：全世界范圍內(nèi)，船舶用燃料電池的市場(chǎng)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(chǎng)如集裝箱船等將會(huì)被開放，市場(chǎng)容量有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

由此可見，在國(guó)家雙碳目標(biāo)的加持下，未來我國(guó)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(chǎng)規(guī)模將呈現(xiàn)井噴式，對(duì)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(dòng)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(chǎng)景及燃料形式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全電動(dòng)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(duì)微型船、小型船等，采用鋰離子動(dòng)力電池基本可以滿足要求。但是針對(duì)中大型甚至巨型船舶而言，鋰離子動(dòng)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(guó)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(dòng)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(chǔ)存，安全、高效儲(chǔ)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(chǔ)氫、液氫、合金儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、含氫燃料制氫等方式。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)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(guó)產(chǎn)化能力分析

1）燃料電池電堆

國(guó)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(zhǎng)，產(chǎn)能量級(jí)快速提升，但總體與國(guó)外技術(shù)存在不小差距，特別是在核心材料及組件國(guó)產(chǎn)化方面亟需持續(xù)追趕。目前國(guó)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(guó)外電堆技術(shù)引進(jìn)合作，如廣東國(guó)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(guó)產(chǎn)化仍需突破。

2）燃料電池關(guān)鍵輔助部件

近年來，國(guó)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(shì)加透博的空氣壓縮機(jī)等。但國(guó)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(jí)低、缺乏船級(jí)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(guó)內(nèi)廠商紛紛已布局啟動(dòng)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(guó)內(nèi)在燃料電池發(fā)電裝置國(guó)產(chǎn)化方面處于初級(jí)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(chǎng)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(guó)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(chǎng)景主要集中在車用領(lǐng)域，針對(duì)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(jí)，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(duì)大功率系統(tǒng)、抗鹽霧腐蝕、可靠性和安全性要求更高。針對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)、氣體壓力、應(yīng)力場(chǎng)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(chǔ)存和安全，特別是目前在孤島、船舶等場(chǎng)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(chǔ)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(píng)價(jià)體系，對(duì)儲(chǔ)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)椋涸诘蜏亍⒒馂?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(duì)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(chǔ)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(cè)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(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)氫燃料電池技術(shù)總體上落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，專利研究的布局需要盡快展開。

（2）解決思路

以國(guó)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(duì)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(duì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析與解讀；針對(duì)分析與解讀中發(fā)現(xiàn)的問題，為我國(guó)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(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略需求。為我國(guó)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。