船舶能效、替代燃料及船舶動力形式等三大領域的技術變革是當前全球海事工業最重要的創新高地。面對極具可能性的2050年海運碳中和要求，替代燃料和新動力形式的應用，已經成為未來三十年海事業最急迫的任務。
船舶動力形式的變革以能量轉換方式（如內燃機、燃料電池、動力電池等）為主要關注點，這一領域的技術發展和應用前景最具不確定性，也最可能產生顛覆性創新。其中，燃料電池，因其技術的快速迭代和在車輛上的推廣應用，正在引起海事工業的極大關注。
雖然業界討論未來動力時，把燃料電池更多歸為內河和短途運輸船舶的可能選擇，但就未來的發展趨勢看，燃料電池動力船舶有對傳統內燃機船舶實現顛覆性替代的可能性，進而可能完全改變船舶動力形式和產業競爭賽道。
關注並超前15年至20年研究和佈局這一重要方向，是中國工業在船舶動力領域實現顛覆性創新的關鍵。
一、船用燃料電池的商用化研發還處於發展初期，但研發活動逐漸聚焦
過去很長一段時期，燃料電池技術一直處於緩慢發展中，多數成果處於技術驗證階段。近十年來，燃料電池技術的突破並在汽車工業的快速應用，吸引了更多投資，推動了商業化程序，技術轉化節奏明顯加快。
從船用燃料電池專利方面看，據中國船協智慧財產權分會統計，截至2022年4月，全球船用燃料電池相關專利申請量累計達3409件、專利授權1786件。其中1999-2008年是船舶燃料電池專利申請的高峰期。2010年以來，船用燃料電池專利申請量呈現下滑趨勢。
這一方面說明船用燃料電池的商業化應用依然處於發展初期，另一方面也說明，經過前期大規模研發嘗試之後，船用燃料電池技術路線逐漸聚焦，研發活動也逐漸集中在少數頭部科技企業。
考慮到船用燃料電池技術的進一步發展和外部環境的利好，以及近期車用燃料電池風口的到來，船用燃料電池有可能掀起新一輪研發熱潮。
二、燃料電池的基本屬性決定了其發展的巨大潛力
燃料電池是一種把化學能轉換成電能的能量轉換裝置，並不是我們傳統認識上的“電池”，而是一種化學“發電機”，且具備極高的能量轉換效率和燃料靈活性。燃料電池是實現運輸工具“全電化”原動機重要選擇之一。
燃料電池的轉換效率高於低速機熱效率，並可以使用當前低速機的主要替代燃料。
目前各國大力推進的燃料電池技術路線主要為低溫執行的質子交換膜燃料電池（PEMFC）和高溫執行的固體氧化物燃料電池（SOFC）。
PEMFC功率密度相對較高，電化學效率在60%左右，輔以燃料重整裝置，可以使用氨、甲烷、甲醇等富氫燃料。
SOFC的電化學效率在60%左右，執行溫度高達650℃以上，可以使用氫、氨、甲烷、甲醇、柴油等多種燃料，且不需要貴金屬催化劑，在熱電聯產情況下，總效率可以達到90%，遠遠高於當前船用低速機50%左右的熱效率。
此外，燃料電池還具有工況越低、效率越高的特性，在船舶經濟航速工況下，其發電效率還可以進一步提升。
燃料電池為船舶的能效提升和溫室氣體減排提供了極具誘惑的解決方案。
歐洲一些機構的相關研究表明，在使用同一種燃料時，與船用低速機相比，由燃料電池提供船舶電力推進和輔助電力，在當前技術水平下，能夠降低10%以上的燃料成本。同樣使用LNG作為燃料，低速機能夠降低20%左右的溫室氣體排放，SOFC能夠降低34%的溫室氣體排放，甲烷逃逸問題也得到更好解決。
三、燃料電池模組化和直流輸出有利於全船電力化、智慧化發展
燃料電池以電堆為功率輸出的基本單位，透過模組化組合，可以實現數百兆瓦的功率輸出，能夠滿足遠洋船舶的功率需求。燃料電池輸出的為直流電，與當前船舶直流組網技術有著巨大結合空間。
一是有望實現船舶主動力裝置的標準化、大批次生產。
船用低速機體積龐大，設計、生產極為複雜。如果燃料電池大規模應用在近海甚至大型遠洋船舶，可以實現不同噸位、不同船型的動力系統使用同一標準的燃料電池模組進行組裝，將極大降低船舶動力裝置設計、生產的複雜性，也為船舶設計提供更加靈活的總佈置選擇。
二是有望為全船電力化提供更高效的解決方案。
當前動力裝置和工業裝置領域均呈現出明顯的電動化浪潮，交通運輸裝置的電動化也從高鐵、汽車等向船舶領域蔓延。在鋰電池能量密度難以滿足大型船舶能量需求的背景下，燃料電池已經成為船舶電動化的主要方向。
燃料電池的直流輸出也為船舶直流組網和電力推進在船舶上的廣泛應用提供了更加有利條件。船舶直流組網技術作為一種新興的船舶電力系統技術，能夠進一步降低船舶能耗，節省配電裝置空間，與燃料電池的模組化特點相結合，將為船舶動力系統的設計提供巨大靈活性。
此外，基於燃料電池實現的船舶電動化，將對智慧船舶的發展起到極大促進作用。燃料電池和直流系統的應用，也將為船員提供靜音、低震動的工作和生活環境，同時也能夠為應對未來國際海事法規關於水下噪聲控制的行動提供技術解決方案。
四、技術加速迭代推動船用燃料電池的商業化應用成為可能
長期以來，阻礙燃料電池在船舶上應用的主要因素是燃料電池系統佔用體積大、使用壽命短、燃料獲取難度大、投資成本高等問題。
然而，隨著近些年燃料電池技術的發展和燃料電池產業發展環境的巨大變化，船用燃料電池的商業化逐步成為可能。
一是燃料電池系統的空間佔用已經接近氣體燃料低速機及其燃料系統。
燃料電池系統佔用空間大的主要原因是燃料能量密度低或電池功率密度低。其中，PEMFC使用氫作為燃料，導致燃料罐體積較大；SOFC可以直接採用氨、LNG等燃料，但電池功率密度低、體積較大。
為解決上述問題，PEMFC可以透過加裝燃料重整裝置，進而可以採用氨、LNG等其他燃料，能夠較大程度較低整體體積。SOFC則主要依靠技術研發，進一步降低電池體積；近十年來，國際領先的SOFC企業已經將功率密度提升了10倍以上。
2020年韓國企業開展的一項研究顯示，使用液氨作為燃料，為一艘2500TEU集裝箱船提供全部推進和輔助電力，在充分考慮功率冗餘和空間冗餘的情況下，PEMFC及其燃料系統和SOFC及其燃料系統的體積，僅比氨燃料低速機及其燃料系統大25%和47%。
未來，隨著燃料電池功率密度的進一步提升以及系統整合技術的應用，船用燃料電池及其燃料系統的體積有望進一步快速下降。
二是船用燃料電池壽命已達數年並仍在不斷提升之中。
目前國內汽車PEMFC壽命約5000小時，最新研究成果已經提升至20000小時。船舶執行不會出現頻繁的負載變化，電池系統能夠得到較好維護，壽命也較長。歐洲已經開展的船用PEMFC專案中，電池壽命最長達到35000小時（4年）。
美國公司推出的SOFC產品壽命已經超過5年，部分固定式SOFC持續運行了90000小時（10年）以上。
目前一些國家從能源戰略角度出發，加快更高壽命燃料電池的研發。日本提出了將PEMFC壽命延長至15年的研發目標，我國國家科技部也在展開高效率、長壽命燃料電池關鍵技術的科技攻關。
三是燃料供應問題已經不再是制約船用燃料電池發展的障礙。
在各國積極推動氫能產業鏈建設和氫燃料電池研發應用推廣，特別是隨著航運業溫室氣體減排戰略的深入推進，全球正在加快建設LNG、甲醇、氨/氫等替代燃料供應鏈，基本掃清了長期制約船用燃料電池發展的富氫燃料供應障礙。
四是燃料電池成本加速下降。
船用燃料電池尚未形成市場，近年來相關燃料電池示範船專案中，船用PEMFC平均價格約1000美元/KW，最低價格僅為45美元/KW；船用SOFC平均價格約為2000美元/KW，最低價格為558美元/KW（已經接近低速機的功率單價）。
燃料電池的價格與規模化生產息息相關。過去10年，車用燃料電池價格下降了60%。隨著燃料電池汽車產業規模的不斷增長，特別是中國企業的大規模進入這一領域，業內普遍預計，未來5年PEMFC價格有望進一步下降70%左右。SOFC主要應用於分散式發電，目前商業化專案不斷增多，SOFC價格也有望繼續下跌
五、主要造船國正在加快燃料電池動力船舶研發
燃料電池的眾多優點吸引了歐美及日韓海事業界的極大關注和不斷探索。尤其是2018年以來，在IMO頗具雄心的溫室氣體減排目標下，燃料電池憑藉其極高的能量轉換效率和燃料型別的巨大靈活性，成為企業開展低碳/零碳船舶研發的重要方向。
歐美國家長期關注和持續開展燃料電池船舶的研發試驗。
2000年以來，在歐盟、德國、美國等相關科研專案的持續支援下，歐美相關機構和企業開展的燃料電池實船應用案例超過30項。上述專案中，船用PEMFC超過20項，應用方式包括作為船舶的輔助發電單元、輔助推進和主推進等多個方面，積累了大量工程試驗資料，形成了可觀的燃料電池船舶設計和系統整合成果。
歐洲SOFC專案近年來明顯增多，地中海郵輪為一艘正在建造的20萬總噸豪華郵輪安裝美國Bloom Energy提供的以LNG為燃料的SOFC發電系統，並將SOFC作為其未來零碳戰略的重要方向；阿法拉伐正在參與由丹麥支援的SOFC4 Maritime專案，探索SOFC完全替代船舶內燃機的可行性。
日本擁有較好的燃料電池技術基礎，近期開始加快燃料電池船舶的研發。
日本企業長期深耕燃料電池領域，尤其是在車用PEMFC技術方面處於世界領先地位，SOFC在家庭熱電聯產領域也形成了較大的市場規模，但在燃料電池船舶方面發展相對緩慢。2018年以來，日本政府和企業開始加快燃料電池船舶的研發。2019年日本洋馬使用豐田燃料電池汽車的元件，在試驗船上開發和測試船用氫燃料電池系統。
2020年，日本郵船、東芝能源系統公司、川崎重工、ClassNK和ENEOS宣佈合作開發氫燃料電池船舶。2021年，該專案獲得日本新能源和工業技術發展組織（NEDO）管理的日本政府綠色創新基金的支援。該專案計劃於2023年建造一艘150噸級試驗船，重點驗證大功率船舶燃料電池系統的實現與操作技術、燃料電池與蓄電池相結合的能源管理系統（EMS）等工程技術問題。
韓國三大造船企業掀起了SOFC替代低速機的研發競賽。
2018年以來，韓國三大造船企業不約而同的開展了SOFC替代內燃機的船舶研發專案。
三星重工選擇與Bloom Energy合作，先後開發了SOFC替代發電機的阿芙拉型原油船，SOFC完全替代內燃機的 LNG 船初步設計，均獲得DNV的原則性批覆；Bloom Energy的船用SOFC產品還獲得了ABS概念驗證成熟度宣告。
現代重工和大宇造船海洋則選擇與斗山燃料電池公司及英國Ceres Power合作，開發了SOFC替代發電機的VLCC，相關SOFC系統獲得ABS原則性批覆。
韓國船廠在燃料電池船舶動力標準化方面展開了佈局。
2021年，三星重工在其SOFC動力LNG船初步設計獲DNV原則認可時明確表示，公司將引領燃料電池對船用內燃機的完全替代和燃料電池推進系統的國際標準化。
2022年2月，大宇造船海洋與KR、STX Engine簽署協議，聯合開展“固體氧化物燃料電池的技術標準化和商業化”，旨在透過共享技術資源，促進未來船舶動力系統的變革。
六、中國船舶企業對燃料電池動力船舶的研發亟待加強
當前國際海事業在探討航運去碳化的解決方案時，迫於緊迫的公約制定與履約時間限制，不得不從最易實現的方案中進行選擇，並且主要依託成熟的供應體系和工業基礎，因此未來五年將會出現以氨、甲醇等為替代燃料的新型內燃機接續原來的柴油發動機作為船舶的主動力選擇。
但在去碳化背景下，疊加智慧化航運、水下噪聲治理等要求，航運全電化將呈現出新的生命力，燃料電池發展應用具有極強的想象空間。
目前，我國已經掀起了PEMFC研發熱潮，目標市場仍主要集中在汽車領域，整體技術水平與國外企業存在一定差距；SOFC目前研究尚處於起步階段。
我國燃料電池動力船舶的研發進度相較歐美也存在明顯落後的情況，目前僅中國船舶集團712所推出了500kW級船用PEM燃料電池系統，全行業在燃料電池動力船舶方面的研發工作亟待加強。
一是加快大型燃料電池動力船舶的設計研發和專利佈局。
大型燃料電池動力船舶設計的關鍵是電池系統整合和動力系統佈置。國外船企已在開展相關標準和專利佈局。一旦燃料電池動力船舶市場成熟，我國船舶工業將可能處於被動的局面。
二是加快燃料電池船舶動力系統裝置的合作研發。
大型燃料電池動力船舶涉及PEMFC技術，SOFC技術，直流組網技術，直流電驅技術以及相關用電裝置、轉換裝置、控制系統、儲能單元等，船舶工業企業在上述多數領域與國外均存在較大差距，亟需進一步聯合燃料電池企業、電機企業、電力系統相關企業（如國網、中車等）以及高校等研究機構開展合作研發，促進各裝置間協同最佳化，並逐步形成自主品牌。
三是急需推出持續性的政策支援措施。
交通部海事局已經發布了《氫燃料電池動力船舶技術與檢驗暫行規則（2022）》，中國船級社已經發布了《氫燃料電池》《氫氣瓶》《重整裝置》三份產品檢驗指南，並即將釋出《船舶應用燃料電池發電裝置指南》，這些措施對我國燃料電池動力船舶的發展起到積極引導作用。
燃料電池雖然存在對內燃機的替代潛力，但在國際規則、技術成熟度、產業鏈建設等方面仍需要一段時間，這也為我國燃料電池船舶的發展爭取了時間視窗。
研究和出臺相關研發支援政策和市場推廣政策，為我國燃料電池動力船舶起步創造良好的政策環境，是加速推動燃料電池船舶技術發展和市場推廣的重要保障，並將有利推動中國在船舶動力領域原創技術的群體性突破，進而在新一輪國際船舶動力競賽中取得主動權。
