氢能动力船现场制氢技术的研究综述

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.06.004

摘要/Abstract

摘要：

在国际海事组织设定的航运业减排目标背景下，基于航运业减碳现状，介绍了氢能动力船的发展历程和减排优势，分析了国内外氢能动力船的储氢方式和氢能上船存在的安全隐患，对比了各项船用储氢方式的技术优势以及氢能上船可行性，得出了船载甲醇水蒸气制氢技术对解决氢能动力船的氢安全问题具有重大意义的结论，提出了当前国内发展船载制氢装置及氢能动力船所面临的问题。

关键词: 氢能动力船, 现场制氢技术, 甲醇重整制氢, 船载制氢

Abstract:

In the context of the shipping industry emission reduction target set by the International Maritime Organization and based on the current situation of carbon reduction in the shipping industry, this paper introduces the development history and emission reduction advantages of hydrogen powered ships, analyzes the hydrogen storage methods of hydrogen powered ships at home and abroad and the safety risks of hydrogen energy onboard, and compares the technical advantages and onboard feasibility of various Marine hydrogen storage methods. It is concluded that the hydrogen production technology of shipboard methanol steam reforming is of great significance to solve the hydrogen safety problem of hydrogen?powered ships. At last, the problems faced in developing hydrogen?powered ships with shipboard hydrogen production units are put forward.

Key words: Hydrogen?powered ships, Field hydrogen production technology, Methanol reforming for hydrogen production, Hydrogen production on ship

中图分类号:

TE91

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图/表 10

图1 氢能动力船推进系统原理

图2 质子交换膜燃料电池的工作原理

图3 世界上典型的氢能动力船

表1 船用储氢方式参数对比

种类	优点	缺点	上船可行性	上船安全性
高压气瓶储氢	结构简单，充放氢气速度快，成本低，能耗小	单位体积储氢气密度小	技术成熟，是目前大部分氢能动力船的储氢方式	易泄漏，安全性差
金属氢化物储氢	单位体积储氢气密度大，能耗小	单位质量储氢气密度小，充放效率低	技术不成熟，少部分氢能动力船使用该方式储存氢气	安全性好
低温液态储氢	单位体积储氢气密度大	气态氢液化能耗大，对储存容器要求高	技术较成熟，少部分氢能动力船使用该方式储存氢气	安全性较好
现场制氢	灵活，现用现制，只需储存大量制氢气原料	电解水制氢成本高，甲醇水蒸气制氢需要考虑CO对燃料电池的毒性	仍处于实验室阶段，少部分氢能动力船使用该方式储存氢气	氢气现用现制，船上无氢气储存，安全性高

图4 电解水制氢的工作原理

表2 四类电解水制氢技术参数对比

项目	碱性电解水制氢	质子交换膜电解水制氢	碱性阴离子交换膜制氢	固态氧化物制氢
电解质隔膜	30%KOH@石棉布	质子交换膜	碱性阴离子交换膜	固态氧化物
电流密度/(A·cm^-2）	<1.0	1.0~4.0	1.0~2.0	0.2~0.4
电耗/（kW $⋅$ h $⋅$ m^-3）	4.5~5.5	4.0~5.0	<4.3	2.6~3.8
工作温度/℃	≤90	≤80	≤60	≥80
产氢气纯度/%	≥99.80	≥99.99	≥99.99	≥99.99
操作特征	需控制压差	快速启停	快速启停	启停不便
可维护性	维护性低	维护方便	维护方便	维护方便
腐蚀性	强碱腐蚀性	无腐蚀性介质	无腐蚀性介质	无腐蚀性介质
环保性	石棉膜有危害性	无污染	无污染	无污染
产业化程度	允许产业化	商业化初期	实验室阶段	实验室阶段

表2 四类电解水制氢技术参数对比

项目	碱性电解水制氢	质子交换膜电解水制氢	碱性阴离子交换膜制氢	固态氧化物制氢
电解质隔膜	30%KOH@石棉布	质子交换膜	碱性阴离子交换膜	固态氧化物
电流密度/(A·cm^-2）	<1.0	1.0~4.0	1.0~2.0	0.2~0.4
电耗/（kW $⋅$ h $⋅$ m^-3）	4.5~5.5	4.0~5.0	<4.3	2.6~3.8
工作温度/℃	≤90	≤80	≤60	≥80
产氢气纯度/%	≥99.80	≥99.99	≥99.99	≥99.99
操作特征	需控制压差	快速启停	快速启停	启停不便
可维护性	维护性低	维护方便	维护方便	维护方便
腐蚀性	强碱腐蚀性	无腐蚀性介质	无腐蚀性介质	无腐蚀性介质
环保性	石棉膜有危害性	无污染	无污染	无污染
产业化程度	允许产业化	商业化初期	实验室阶段	实验室阶段

图5 “Energy Observer”号氢动力游艇

图6 甲醇水蒸气制氢流程图

图7 搭载甲醇重整制氢装置的氢能动力船推进系统原理

图8 40 kW船用甲醇重整制氢样机反应器结构简图

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