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1 氢能船艇动力系统
氢能船艇动力系统是指将氢燃料的化学能转化为电能来为船（舰）艇提供动力（一般为主动力）的系统。该系统由燃料电池系统、电池系统、能量管理系统、配电系统、推进系统以及负载系统等组成。
1.1 燃料电池系统
氢燃料电池是一种能够将氢燃料中的化学能转化为电能的发电装置，主要由阳极、阴极、电解质和外电路组成[5]。目前，常用的氢燃料电池以 PEM（质子交换膜燃料电池）为主，属于由电化学反应进行的能量转换，因此能量转换效率比较高。
PEM 燃料电池的原理如图 1 所示。反应原料通过管道输送到燃料电池正极，在正极端发生氧化反应，释放电子的同时生成氢原子（H+），电子经回路到达电池负极，该电子的定向移动遂产生电能，反应中的氢原子穿过质子交换膜后到达负极，与在负极上空气中的氧气发生还原反应，产生水并释放热能。
燃料电池系统通常是由燃料电池堆、氢气/氧气供给系统、气体加湿系统、氢气/氧气循环系统、水循环冷却系统及监控系统等组成。
氢燃料电池系统原理如图 2 所示。在系统工作过程中，氢气和氧气通过供给系统输送到气体加湿系统，加湿后的反应气输送到燃料电池堆进行电化学反应，其中过量的氢气和氧气通过各自的循环系统回收利用，反应过程释放的热量和产生的水蒸气则通过水循环冷却系统进行冷却和循环利用，控制电堆温度的同时为气体加湿系统提供冷却水，从而保证整个燃料电池动力系统正常工作。
1.2 动力电池系统
该系统配有电池管理系统（BMS），一般采用磷酸铁锂电池组作为储能介质，主要用于“剥峰削谷”，动力锂电池系统采用双向 DC/DC 升压母联分段并网馈电设计。电池系统的容量应可以满足船艇正常航行和日用负载用电需求，其工作环境温度为充电：0℃～ 55℃，放电：−20℃～55℃，存储温度范围：−20℃～55℃（2 个月内）；0～45℃（长期）。
1.3 配电系统
配电系统主要是对氢燃料电池及磷酸铁锂电池组进行管理，并将电源转换为稳定的满足船用要求的电压，供船舶其他负载使用。主流技术路线根据直流配电系统和交流配电系统分为两类，交流配电系统相对船舶行业而言技术成熟，简单可靠。 直流配电系统主要功能如表 1 所示。
1.4 能量管理系统
能量管理系统（简称 EMS）用于控制和管理本船的电网，控制对象为锂电池系统和配电板。可根据功率的实时需求对燃料电池和电池组进行监控并协调工作，自动管理燃料电池、锂电池的运行和电能的分配。EMS 功能包括：EMS 模式选择、氢燃料电池自动运行、电池组自动管理、输配电监控保护、配电开关监控、HMI 监测、氢燃料电池和动力电池组并网、重载问询、充电模式、系统冗余、数据同步、系统自检及通信（EMS 系统对外接口一般可支持 MODBUS、CAN、以太网等通信）。
1.5 推进系统
主推进控制系统在驾驶室设置了主推进变频驱动系统的控制面板，同时在机旁设置了带有信号采集功能的主推进变频驱动系统机旁控制箱兼信号采集箱。该系统主要功能有：转速转舵控制、变频驱动系统设备起停、变频驱动系统信号采集、变频驱动系统信号显示及复位、变频驱动系统安全保护、越控、控制站点切换、驾控室点动操作、联锁控制、急停及非随动控制等。
1.6 负载系统
负载系统可为船舶日用负载供电，一般采用空冷的冷却方式。负载系统通常为交流电，该系统与直流配电系统通过逆变电源模块和隔离变压器实现连接。负载电制通常为 220V、380V，220V 通常用于船艇的照明等功率相对较小的日用电，380V 通常用于电机、泵及马达等功率稍大设备的日用电。
2 国内外最新发展现状
船舶海事行业标准化、产业化首先面对的便是法规，由于海事行业具备如不满足法规要求不能投入运营的特殊性，法规对行业的发展至关重要也是前提条件，而能否取得船级社认证是该技术在船舶行业是否得到认可的标志性要素。
2.1 国外发展现状
2.1.1国外典型示范案例
美国 SF-BREEZE 氢燃料摆渡船项目，船长 21m，电力推进动力功率是 2 × 300kW，主要用于从海底采集样本。
德国 212 型潜艇项目，采用不依赖空气推进系统（氢燃料电池提供动力），大幅度提升了该艇的隐身性能[6]。“Alsterwasser”号氢燃料电池船，该船采用氢燃料电池系统为主动力，系统功率约为 100kW，航速较高[7]。
2021年，日本应用试验 300kW 级的燃料电池船艇。该船长 12.4m，总重 7.9 吨；推进动力 250kW；燃料电池系统有两组；氢气系统为 8 个 70MPa 气瓶；载 12 人；航速可达 20 节。
法国“Energy Observer”号新能源船[8]，该船为双体船，采用功率 20-30kW 的氢燃料电池系统。
挪威“Viking Lady”号由与瓦锡兰集团、MTU 以及挪威船级社合作研发，该船采用总功率为 320 千瓦的氢燃料电池系统。此外，“UlsteinSX190”海上工程船、“Topeka”滚装船也是挪威建造的典型氢能船艇[9]。
2.1.2国外法规现状
2021年初，国际海事组织（IMO）推出《船舶应用燃料电池安全临时导则》。
2021年中，国际领先的挪威船级社（DNV）于发布《DNV Handbook for hydrogen-fuelled vessels》（氢能船舶手册）。
美国船级社（ABS）总结了脱碳的基本路径并发布了相关白皮书《SETTING THE COURSE TO LOW CARBON SHIPPING-2030outlook|2050vision 》和《Guide for FuelCell Power Systems For Marine and Offshore Applications》。
法国船级社（BV）也发布《Guidelines for FuelCell Systems Onboard Commercial Ships》。此外，英国劳氏船级社（LR）、意大利船级社（RINA）、日本船级社（NK）以及韩国船级社（KR）也相继发布自己船级社的指南和手册。
2.2 国内最新发展现状
2.2.1 国内氢能船舶典型案例
近年来，我国船用氢能燃料电池技术的发展成熟，氢能船舶迎来了大发展。从 2021 年开始我国氢能船舶行业有爆发式增长，2021 年也被行业称为中国氢能船舶行业发展“元年”。发展历程如表 2 所示。
自 2015 年开始，中国船级社与中国海事局开始为船用燃料电池制定相关标准。2017 年中国船级社出台了《船舶应用替代燃料指南》；2021 年 5 月颁布了《船舶应用燃料电池发电装置指南》；2022 年 3 月，中国船级社颁布《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则 2022》，后陆续又发布《氢燃料电池》《氢气瓶》《重整装置》三份产品检验指南。三份产品检验指南为《船舶应用燃料电池发电装置指南》的有效补充，其主要为指导氢燃料电池产品及配套设备制造企业在其产品上船安装使用之前通过一系列验证手段得以满足 CCS 规范和指南的各项技术要求和环境适应性要求，从而达到上船使用的条件。
3 存在的主要问题
3.1 船用燃料电池技术不成熟
现有的燃料电池技术主要来源于氢能汽车，但是汽车行业的燃料电池技术不能直接移植到船舶，这主要是因为船舶的特殊性：在公海航行时船舶算是独立个体，在大多数情况下都不能依靠外界的帮助，需要 “自给自足”，而且由于海上环境以及船舶自身空间的限制，船上的安全距离比类似的陆地装置要小；暴露于海洋环境条件需要面临高盐雾，以及由波浪运动引起的冲击、振动和倾斜摇摆等环境挑战；此外，船舶与氢燃料汽车、公共汽车或卡车相比对电力需求也完全不同，在船上安装氢气装置通常会有更大的规模。
因此，船用燃料电池技术目前尚不成熟。
3.2 安全、规范和标准不完善
目前，中国已经启动氢能船舶专项验证工作有 7 项，加之已颁布的氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则及相关指南文件，已初步形成了体系性的标准。这些专项验证工作以及规范指南体系为氢能船艇的示范应用奠定了基础。与普通船舶相比，氢能船舶对总体布置、结构、安全区设置等要求较高，目前的法规都是初步的，对具体的技术细节尚未明确。
3.3 技术、成本是面临主要难题
在发展模式方面，技术、成本和规模之间的相辅相成的难题是行业面临的主要问题之一。行业内普遍认为加强海上风电制氢等大规模制氢技术攻关，可降低氢气燃料使用成本，有利于氢燃料电池技术的推广应用，而大规模的氢燃料电池技术利用将进一步降低相关系统的成本。
3.4 基础配套不完善
目前，船用氢燃料电池技术方面已经逐步成熟，已不是行业发展的主要问题。氢气供应、氢燃料加注等基础配套设施不完善是目前船用燃料电池产业急需要解决的问题。需要指出的是要解决快速加氢以及由于船舶会随海浪及风等因素影响，相对于加氢站码头非静止的问题，需要突破船用应急可切断的快速氢气加注技术。
4 氢能船艇动力系统关键核心技术
4.1 船用燃料电池系统
需要开发满足以下要求的船用燃料电池：
（1） 满足海事船用振动和冲击、倾斜和摇摆及高盐雾、油雾和霉菌环境等要求；
（2） 满足布置在密闭舱室内，遵循防爆型设计理念设计制造；
（3） 安全可靠的大功率船用燃料电池技术。
4.2 动力电池系统
氢内燃机输出特性偏软，瞬态响应较慢，应用于船舶动力时不适合单独作为主推进动力，因此需要与储能电池匹配的混合动力推进系统。 动力电池主要作为辅源，用于“削峰剥谷”，且与燃料电池组成混合动力系统时，需要注意能量融合管理及满足充放电需要的双向 DCDC。此外，需要注意动力电池系统需要满足船级社规范及指南要求。
4.3 直流组网技术
直流组网技术核心是直流母排，通常采用集中式布置方案：采用变频直流配电柜集成了发电系统、储能系统、推进系统、能量管理系统和故障监测报警系统等控制单元。系统通常配置了 2 组 DC/DC 模块将氢燃料电池和船用动力电池组与直流母线相连接。两个日用逆变电源模块分别连接在两个直流母线上，推进逆变模块分别与两段母线连接。
直流组网技术系统的主要配件要严格依照国际标准（如 IEC）、船级社等相关标准进行研发设计、制造及测试。直流配电系统结构精简，设备尺寸更加紧凑，能够实现负载加减载控制、DC/DC 变流器功率控制、直流母线电压控制及恒频恒压输出控制等功能。
4.4 能量管理系统
氢燃料电池船舶电力驱动模式通常可分为如下几种情况：
（1） 在船舶起动时，由锂电池单独或燃料电池和锂电池共同满足启动需求。
（2） 低速航行时，模式一：锂电池可以单独输出能量；模式二：燃料电池不仅可以满足推进和日用电的需求，还可对锂电池进行充电。
（3） 高速巡航情况下，燃料电池输出自身全功率，锂电池协助供电（削峰填谷），工作于恒压充/放电模式，补偿系统缺额或盈余功率，以维持全局功率平衡，此时由氢燃料电池与锂电池共同驱动船舶。
（4） 特殊情况下，在船舶航行过程中，当船舶存储的氢气耗尽或氢燃料电池动力系统发生故障时，推进负载所需功率由锂电池单独提供，此时锂电池动力系统工作于恒压放电模式维持母线电压稳定。
4.5 船用燃料电池氢安全技术
氢气本身低密度、低点火能量、较宽的易燃性范围和非常高的潜在爆炸能力等理化特性使得氢安全成为影响氢燃料电池动力船舶能否应用和商业化推广的关键因素之一。在国内，已经启动七个氢能船舶专项验证工作，其中有六项与安全相关。由此可以看出氢安全在氢能船舶领域的重要程度，氢应用安全技术是氢动力船舶安全运行的基础。
5 技术展望
5.1 氢能船艇动力系统主要技术路线
氢能船艇动力系统主流技术路线方面短期内以压缩氢气 + 燃料电池为主，后期随着技术的发展进步固态储氢、液态储氢及富氢燃料（+ 氢气重整装置）+ 燃料电池将成为主流。
5.2 大容量船用燃料电池技术
船用燃料电池技术呈现出向大容量、大功率发展的趋势。目前行业内已取得船级社认证的船用燃料电池，主流为 60～120kW，200kW 容量的尚少，仅能基本满足内河小型船用功率需求。并联构成 MW 级大系统的案例较为缺乏，需开展技术攻关并进行船上试验验证，尚无法直接满足大型船舶功率需求。根据目前行业情况分析，短期内以 PEM 燃料电池为主，后期以更适合大型船舶的高温燃料电池为主流。
5.3 氢能船舶氢安全技术
对于船舶海事行业新技术，通常要求：确保与传统常规技术具有同等的安全水平，并将各种风险发生概率及后果降到最低。因此，现有氢能船艇非常重视氢安全相关问题。氢安全通常借鉴船舶行业成熟的风险分析方法［如 FEMA、技术验证（TQ）、定量风险分析（QRA）和爆炸风险分析（ERA）等］来对风险发生的频率和后果（其严重程度）进行评估，并综合各种因素给出最终风险。
5.4 新型氢能船艇推进系统-电动舷外机技术舷外机可将机、桨、轴、舵、变速、悬挂及操控七大系统集合成一体。与传统的主机（柴油机）+ 减速箱 + 轴系 + 螺旋桨组合的燃油推进系统相比，舷外机具有结构紧凑、轻便、可维修性好、易操作、振动小等特点，而电动舷外机不仅具备以上优点，还可将循环使用的电能为能量来源，因此在使用过程中并不会产生振动和噪音。
5.5 氢能船艇基础配套相关技术
目前，氢能产业基础配套是限制氢能船艇行业发展的最大障碍，行业急需与之配套的高效低碳的氢气制取、大容量储氢、大规模低成本的运输及船用快速安全加氢等配套设(（上接第71页） )施。在制取方面，根据行业预测，可再生能源如风能、太阳能的电解水制氢将是行业主要发展方向；大容量储氢方面，液态储氢将逐渐成为主要的储氢手段；运输方面，液氢将成为主要发展方向；船用加氢方面，将产生如液态运氢船加注等更加快速便捷和安全的加注方式。
6 结语
本文梳理了氢能船艇动力系统国内外最新发展现状，总结归纳氢能船舶行业发展所面临技术不成熟、标准规范不完善、技术成本以及基础配套不完善等一系列突出问题，重点介绍了船用燃料电池系统、动力电池系统、直流组网技术、能量管理系统以及氢安全等氢能船艇动力系统的关键核心技术，并对氢能船艇动力系统技术的发展进行了展望。
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