燃料電池和鋰電池在船用領域的對比分析

王 振，雷 剛

應用研究

燃料電池和鋰電池在船用領域的對比分析

王 振1,2，雷 剛1,2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術研究中心，武漢 430064）

本文首先比較燃料電池和鋰電池的技術特點，然后以功率范圍120~1200 kW，儲能范圍1 ~10 MWh的船用燃料電池和鋰電池系統為對象，對比分析其重量、體積和價格，最后針對大功率、高儲能的船型提出燃料電池和鋰電池混合的動力方案。

燃料電池 鋰電池 船用 動力系統方案

0 引言

高技術船舶是國家實施海洋強國和制造強國戰略的重要支撐。有關船舶排污法律、法規的密集出臺，揭示“綠色航運”和“綠色船舶”的環保節能理念，已成為當今高新技術船舶設計的重要指標和進入船舶市場的關鍵要素。

相比傳統船舶動力系統，燃料電池和鋰電池都是綠色船舶的理想動力源。其中，氫燃料電池系統具有能量轉化效率高、振動噪聲低、零排放、無污染等優點；鋰電池相對其它儲能電池具有更高的電壓、能量密度和壽命的優點，而且自放電低，無記憶效應。本文結合兩種電池特點，對其船舶應用適應性進行分析。

1 燃料電池和鋰電池技術特點對比

1）成本：鋰電池產業鏈成熟，成本較低；燃料電池尚未大規模應用，目前成本較高，未來成本下降潛力巨大。

燃料電池：催化劑、質子交換膜等關鍵零部件尚無大規劃生產，成本較高；而且由于用氫需求不足和制氫過程復雜，氫氣成本也較高。

鋰電池：得益于相對較早的市場化進程和大規模生產，生產成本較低；重復充電利用方便，具有更高的成本效益。

2）環境影響：在生產和報廢過程中鋰電池污染性相對燃料電池更大。

燃料電池：反應產物為水，不會產生汽油/柴油燃燒后生成的溫室氣體；但生產過程中存在有機物污染。

鋰電池：放電產物可能有氧化鋰、氫氧化鋰等，對環境造成影響較小；但是在生產和報廢處理過程中會造成重金屬和有機物污染。

3）能量密度：鋰電池能量密度受制于理論瓶頸；燃料電池能量密度主要取決于儲氫密度，在大儲能的條件下燃料電池的能量密度更高。

燃料電池：需要提供燃料才能對外發電，而燃料電池電堆本身的重量和體積在整個系統的比重較低，其能量密度主要取決于儲氫方式的能量密度。以最成熟的35 MPa高壓氣瓶為例，其重量儲氫密度約4.0%，針對船用大儲能數MWh的燃料電池系統，質量能量密度可達400Wh/kg以上，體積能量密度可達，300 Wh/kg以上，如圖1所示；隨著儲氫技術的進步，能量密度可進一步提高。

鋰電池：作為蓄電池的一種，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實也只有汽油的1/4，而且商業化的技術難度極大。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160 Wh/kg提高至300 Wh/kg，再考慮其BMS、安全保護設備和檢修空間，實際質量比能更低。

圖1 燃料電池和鋰電池質量比能對比

圖2 燃料電池和鋰電池體積比能對比

4）安全性。

鋰電池：從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，需要特殊的安保設備；燃料電池的安全性主要在氫氣儲存，本質安全略好于汽油蒸汽和天然氣，安全性可控。

燃料電池：氫氣具有燃點低，爆炸區間范圍寬和擴散系數大等特點，長期以來被作為危化品管理。氫氣是已知密度最小的氣體，比重遠低于空氣，擴散系數是汽油的12倍，發生泄漏后極易消散，不容易形成可爆炸氣霧，爆炸下限濃度遠高于汽油和天然氣。因此，在開放空間情況下安全可控。但氫氣在不同形式受限空間中，如隧道、地下停車場的泄漏擴散規律仍有待深入研究。

表1 氫氣與汽油蒸汽、天然氣的性質比較

鋰電池：作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容。因此現在主流方案中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500~600℃時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設備；而三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350℃就會分解，安全性差。

5）補給性。

燃料電池：其充氫速度取決于儲氫方式，常用的高壓儲氫方式充氫速度受制于氫氣增壓泵散熱能力，一般為1~2公斤每分鐘，適合汽車等小儲能應用；常溫常壓的有機液體類制氫方式補給與汽柴油類似，快速方便；合金儲氫方式受制于其換熱能力，充氫速度慢。

鋰電池：一般為保證安全性，充電電流受限，所以大容量鋰電池充電時間較長，一般需要數個小時。

6）潛力。

燃料電池：還有多項關鍵技術有待解決，如鉑催化劑的高成本、密封技術的復雜工藝以及高致密氫源等，而且制、儲、運、加氫的基礎設施也有待發展，未來潛力巨大，是汽油/柴油動力形式的主要替代者之一。

鋰電池：其能量密度、循環壽命和充電基礎設施普遍程度有待進一步提高。目前已經開始商業化推廣，是儲能裝置的主要發展方向。

2 典型船用能源系統分析

以功率范圍120~1200 kW，儲能范圍1 ~10 MWh的船用燃料電池和鋰電池系統為對象，分析對比其重量、體積和價格。其中燃料電池采用氫空質子交換膜燃料電池技術，氫源采用有機液體制儲氫技術，鋰電池采用安全性好的磷酸鉄鋰體系。

圖3 燃料電池和鋰電池重量對比

圖4 燃料電池和鋰電池體積對比

圖5 燃料電池和鋰電池價格對比

由圖3~5可知，隨著儲能增加，鋰電池的重量、體積和價格增加的幅度比燃料電池更高，主要因為鋰電池作為儲能裝置，其重量和體積比能基本固定，單位儲能價格也固定，所以系統重量、體積和價格與儲能成正比。而燃料電池作為發電裝置，其儲能的增加體現在燃料的增加，所以燃料電池系統重量、體積和價格與儲能也成正比，但其增量相對較小，主要因為儲氫燃料本身的儲能密度遠高于鋰電池，但價格遠低于鋰電池。

同儲能的條件下，功率的變化對鋰電池系統影響不大，但對燃料電池系統影響較大，功率越高，燃料電池系統重量、體積和價格越高，特別是價格變化很大。主要因為系統功率增加后，主要引起燃料電池系統中燃料電池電堆和制氫裝置的增加，而且燃料電池電堆和制氫裝置的價格一般占整個燃料電池系統總價的70%以上。

綜上所述，小功率、小儲能的船型，燃料電池和鋰電池都適合。小功率、大儲能的船型，燃料電池更加適合。大功率、小儲能的船型，鋰電池更適合。大功率、大儲能的船型，如采用燃料電池方案，其重量和體積較小，但價格昂貴；如采用鋰電池方案，其價格相對便宜，但重量和體積較大，建議采用燃料電池&鋰電池混合動力形式。

3 大功率大儲能船用能源系統分析

以某型科考船為案例，對比分析全燃料電池、全鋰電池和燃料電池&鋰電池混合動力方案在重量、體積和價格上的區別。該科考船最大功率需求1200 kW，最大儲能要求10 MWh。

圖6 重量對比

圖7 體積對比

由圖3~5可知，采用燃料電池&鋰電池混合動力方案后，相對全鋰電池方案其重量和體積大幅下降，相對全燃料電池方案其價格大幅下降。而且混合動力中，燃料電池功率占比越低，其系統重量、體積和價格越低；燃料電池儲能占比越高，其系統重量、體積和價格越低。所以，在燃料電池&鋰電池混合動力方案中，燃料電池更適合用于長時經航工況，功率低、時間長、耗能相對高；鋰電池更適合用于高速運行或特種作業工況，功率高、時間短、耗能相對低。

圖8 價格對比

4 結論

由燃料電池和鋰電池的技術特點對比可知，兩類電池都是未來綠色船舶動力裝置的理想能源，但各自適用的船型不同。燃料電池更加適合小功率、大儲能的船型；鋰電池更適合大功率、小儲能的船型；針對大功率、大儲能的船型，可采用燃料電池&鋰電池混合動力形式，然后根據具體船舶運行工況，選擇兩種動力形式功率和儲能的配比。

[1] 衣寶廉. 燃料電池-原理· 技術· 應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2003.

[2] 中國氫能聯盟-中國氫能源及燃料電池產業白皮書[R]. 北京: 中國氫能源及燃料電池產業白皮書編委會, 2019: 03-05.

[3] 郭炳焜, 徐徽, 王先友等. 鋰離子電池[M]. 長沙: 中南大學出版, 2002.

Comparative Analyses of Fuel Cells and Lithium Battery in the Field of Marine

Wang Zhen1,2, Lei Gang1,2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2021）02-0018-03

2020-07-03

王振（1983-），男，高工。研究方向：燃料電池系統集成。E-mail: kingowang@163.com