燃料电池和锂电池在船用领域的对比分析

王 振，雷 刚

应用研究

燃料电池和锂电池在船用领域的对比分析

王 振1,2，雷 刚1,2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉市氢燃料电池工程技术研究中心，武汉 430064）

本文首先比较燃料电池和锂电池的技术特点，然后以功率范围120~1200 kW，储能范围1 ~10 MWh的船用燃料电池和锂电池系统为对象，对比分析其重量、体积和价格，最后针对大功率、高储能的船型提出燃料电池和锂电池混合的动力方案。

燃料电池 锂电池 船用 动力系统方案

0 引言

高技术船舶是国家实施海洋强国和制造强国战略的重要支撑。有关船舶排污法律、法规的密集出台，揭示“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，已成为当今高新技术船舶设计的重要指标和进入船舶市场的关键要素。

相比传统船舶动力系统，燃料电池和锂电池都是绿色船舶的理想动力源。其中，氢燃料电池系统具有能量转化效率高、振动噪声低、零排放、无污染等优点；锂电池相对其它储能电池具有更高的电压、能量密度和寿命的优点，而且自放电低，无记忆效应。本文结合两种电池特点，对其船舶应用适应性进行分析。

1 燃料电池和锂电池技术特点对比

1）成本：锂电池产业链成熟，成本较低；燃料电池尚未大规模应用，目前成本较高，未来成本下降潜力巨大。

燃料电池：催化剂、质子交换膜等关键零部件尚无大规划生产，成本较高；而且由于用氢需求不足和制氢过程复杂，氢气成本也较高。

锂电池：得益于相对较早的市场化进程和大规模生产，生产成本较低；重复充电利用方便，具有更高的成本效益。

2）环境影响：在生产和报废过程中锂电池污染性相对燃料电池更大。

燃料电池：反应产物为水，不会产生汽油/柴油燃烧后生成的温室气体；但生产过程中存在有机物污染。

锂电池：放电产物可能有氧化锂、氢氧化锂等，对环境造成影响较小；但是在生产和报废处理过程中会造成重金属和有机物污染。

3）能量密度：锂电池能量密度受制于理论瓶颈；燃料电池能量密度主要取决于储氢密度，在大储能的条件下燃料电池的能量密度更高。

燃料电池：需要提供燃料才能对外发电，而燃料电池电堆本身的重量和体积在整个系统的比重较低，其能量密度主要取决于储氢方式的能量密度。以最成熟的35 MPa高压气瓶为例，其重量储氢密度约4.0%，针对船用大储能数MWh的燃料电池系统，质量能量密度可达400Wh/kg以上，体积能量密度可达，300 Wh/kg以上，如图1所示；随着储氢技术的进步，能量密度可进一步提高。

锂电池：作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也只有汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从目前的160 Wh/kg提高至300 Wh/kg，再考虑其BMS、安全保护设备和检修空间，实际质量比能更低。

图1 燃料电池和锂电池质量比能对比

图2 燃料电池和锂电池体积比能对比

4）安全性。

锂电池：从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，需要特殊的安保设备；燃料电池的安全性主要在氢气储存，本质安全略好于汽油蒸汽和天然气，安全性可控。

燃料电池：氢气具有燃点低，爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点，长期以来被作为危化品管理。氢气是已知密度最小的气体，比重远低于空气，扩散系数是汽油的12倍，发生泄漏后极易消散，不容易形成可爆炸气雾，爆炸下限浓度远高于汽油和天然气。因此，在开放空间情况下安全可控。但氢气在不同形式受限空间中，如隧道、地下停车场的泄漏扩散规律仍有待深入研究。

表1 氢气与汽油蒸汽、天然气的性质比较

锂电池：作为封闭的能量体系，从原理上高能量密度和安全性就很难兼容。因此现在主流方案中，能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度达到500~600℃时才开始分解，基本不需要太多的保护辅助设备；而三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250~350℃就会分解，安全性差。

5）补给性。

燃料电池：其充氢速度取决于储氢方式，常用的高压储氢方式充氢速度受制于氢气增压泵散热能力，一般为1~2公斤每分钟，适合汽车等小储能应用；常温常压的有机液体类制氢方式补给与汽柴油类似，快速方便；合金储氢方式受制于其换热能力，充氢速度慢。

锂电池：一般为保证安全性，充电电流受限，所以大容量锂电池充电时间较长，一般需要数个小时。

6）潜力。

燃料电池：还有多项关键技术有待解决，如铂催化剂的高成本、密封技术的复杂工艺以及高致密氢源等，而且制、储、运、加氢的基础设施也有待发展，未来潜力巨大，是汽油/柴油动力形式的主要替代者之一。

锂电池：其能量密度、循环寿命和充电基础设施普遍程度有待进一步提高。目前已经开始商业化推广，是储能装置的主要发展方向。

2 典型船用能源系统分析

以功率范围120~1200 kW，储能范围1 ~10 MWh的船用燃料电池和锂电池系统为对象，分析对比其重量、体积和价格。其中燃料电池采用氢空质子交换膜燃料电池技术，氢源采用有机液体制储氢技术，锂电池采用安全性好的磷酸鉄锂体系。

图3 燃料电池和锂电池重量对比

图4 燃料电池和锂电池体积对比

图5 燃料电池和锂电池价格对比

由图3~5可知，随着储能增加，锂电池的重量、体积和价格增加的幅度比燃料电池更高，主要因为锂电池作为储能装置，其重量和体积比能基本固定，单位储能价格也固定，所以系统重量、体积和价格与储能成正比。而燃料电池作为发电装置，其储能的增加体现在燃料的增加，所以燃料电池系统重量、体积和价格与储能也成正比，但其增量相对较小，主要因为储氢燃料本身的储能密度远高于锂电池，但价格远低于锂电池。

同储能的条件下，功率的变化对锂电池系统影响不大，但对燃料电池系统影响较大，功率越高，燃料电池系统重量、体积和价格越高，特别是价格变化很大。主要因为系统功率增加后，主要引起燃料电池系统中燃料电池电堆和制氢装置的增加，而且燃料电池电堆和制氢装置的价格一般占整个燃料电池系统总价的70%以上。

综上所述，小功率、小储能的船型，燃料电池和锂电池都适合。小功率、大储能的船型，燃料电池更加适合。大功率、小储能的船型，锂电池更适合。大功率、大储能的船型，如采用燃料电池方案，其重量和体积较小，但价格昂贵；如采用锂电池方案，其价格相对便宜，但重量和体积较大，建议采用燃料电池&锂电池混合动力形式。

3 大功率大储能船用能源系统分析

以某型科考船为案例，对比分析全燃料电池、全锂电池和燃料电池&锂电池混合动力方案在重量、体积和价格上的区别。该科考船最大功率需求1200 kW，最大储能要求10 MWh。

图6 重量对比

图7 体积对比

由图3~5可知，采用燃料电池&锂电池混合动力方案后，相对全锂电池方案其重量和体积大幅下降，相对全燃料电池方案其价格大幅下降。而且混合动力中，燃料电池功率占比越低，其系统重量、体积和价格越低；燃料电池储能占比越高，其系统重量、体积和价格越低。所以，在燃料电池&锂电池混合动力方案中，燃料电池更适合用于长时经航工况，功率低、时间长、耗能相对高；锂电池更适合用于高速运行或特种作业工况，功率高、时间短、耗能相对低。

图8 价格对比

4 结论

由燃料电池和锂电池的技术特点对比可知，两类电池都是未来绿色船舶动力装置的理想能源，但各自适用的船型不同。燃料电池更加适合小功率、大储能的船型；锂电池更适合大功率、小储能的船型；针对大功率、大储能的船型，可采用燃料电池&锂电池混合动力形式，然后根据具体船舶运行工况，选择两种动力形式功率和储能的配比。

[1] 衣宝廉. 燃料电池-原理· 技术· 应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[2] 中国氢能联盟-中国氢能源及燃料电池产业白皮书[R]. 北京: 中国氢能源及燃料电池产业白皮书编委会, 2019: 03-05.

[3] 郭炳焜, 徐徽, 王先友等. 锂离子电池[M]. 长沙: 中南大学出版, 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：燃料电池系统集成。E-mail: kingowang@163.com