燃料電池和鋰電池在船用領(lǐng)域的對(duì)比分析

王 振，雷 剛

應(yīng)用研究

燃料電池和鋰電池在船用領(lǐng)域的對(duì)比分析

王 振1,2，雷 剛1,2

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

本文首先比較燃料電池和鋰電池的技術(shù)特點(diǎn)，然后以功率范圍120~1200 kW，儲(chǔ)能范圍1 ~10 MWh的船用燃料電池和鋰電池系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)比分析其重量、體積和價(jià)格，最后針對(duì)大功率、高儲(chǔ)能的船型提出燃料電池和鋰電池混合的動(dòng)力方案。

燃料電池 鋰電池 船用 動(dòng)力系統(tǒng)方案

0 引言

高技術(shù)船舶是國(guó)家實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要支撐。有關(guān)船舶排污法律、法規(guī)的密集出臺(tái)，揭示“綠色航運(yùn)”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念，已成為當(dāng)今高新技術(shù)船舶設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)和進(jìn)入船舶市場(chǎng)的關(guān)鍵要素。

相比傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池和鋰電池都是綠色船舶的理想動(dòng)力源。其中，氫燃料電池系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、振動(dòng)噪聲低、零排放、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)；鋰電池相對(duì)其它儲(chǔ)能電池具有更高的電壓、能量密度和壽命的優(yōu)點(diǎn)，而且自放電低，無(wú)記憶效應(yīng)。本文結(jié)合兩種電池特點(diǎn)，對(duì)其船舶應(yīng)用適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 燃料電池和鋰電池技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

1）成本：鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟，成本較低；燃料電池尚未大規(guī)模應(yīng)用，目前成本較高，未來(lái)成本下降潛力巨大。

燃料電池：催化劑、質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵零部件尚無(wú)大規(guī)劃生產(chǎn)，成本較高；而且由于用氫需求不足和制氫過(guò)程復(fù)雜，氫氣成本也較高。

鋰電池：得益于相對(duì)較早的市場(chǎng)化進(jìn)程和大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低；重復(fù)充電利用方便，具有更高的成本效益。

2）環(huán)境影響：在生產(chǎn)和報(bào)廢過(guò)程中鋰電池污染性相對(duì)燃料電池更大。

燃料電池：反應(yīng)產(chǎn)物為水，不會(huì)產(chǎn)生汽油/柴油燃燒后生成的溫室氣體；但生產(chǎn)過(guò)程中存在有機(jī)物污染。

鋰電池：放電產(chǎn)物可能有氧化鋰、氫氧化鋰等，對(duì)環(huán)境造成影響較??；但是在生產(chǎn)和報(bào)廢處理過(guò)程中會(huì)造成重金屬和有機(jī)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(chǔ)氫密度，在大儲(chǔ)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(duì)外發(fā)電，而燃料電池電堆本身的重量和體積在整個(gè)系統(tǒng)的比重較低，其能量密度主要取決于儲(chǔ)氫方式的能量密度。以最成熟的35 MPa高壓氣瓶為例，其重量?jī)?chǔ)氫密度約4.0%，針對(duì)船用大儲(chǔ)能數(shù)MWh的燃料電池系統(tǒng)，質(zhì)量能量密度可達(dá)400Wh/kg以上，體積能量密度可達(dá)，300 Wh/kg以上，如圖1所示；隨著儲(chǔ)氫技術(shù)的進(jìn)步，能量密度可進(jìn)一步提高。

鋰電池：作為蓄電池的一種，是個(gè)封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運(yùn)行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經(jīng)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(shí)也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)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(hù)設(shè)備和檢修空間，實(shí)際質(zhì)量比能更低。

圖1 燃料電池和鋰電池質(zhì)量比能對(duì)比

圖2 燃料電池和鋰電池體積比能對(duì)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(shè)備；燃料電池的安全性主要在氫氣儲(chǔ)存，本質(zhì)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(diǎn)低，爆炸區(qū)間范圍寬和擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被作為危化品管理。氫氣是已知密度最小的氣體，比重遠(yuǎn)低于空氣，擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍，發(fā)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(yuǎn)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(chǎng)的泄漏擴(kuò)散規(guī)律仍有待深入研究。

表1 氫氣與汽油蒸汽、天然氣的性質(zhì)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(xiàn)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(dá)到500~600℃時(shí)才開始分解，基本不需要太多的保護(hù)輔助設(shè)備；而三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350℃就會(huì)分解，安全性差。

5）補(bǔ)給性。

燃料電池：其充氫速度取決于儲(chǔ)氫方式，常用的高壓儲(chǔ)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(chǔ)能應(yīng)用；常溫常壓的有機(jī)液體類制氫方式補(bǔ)給與汽柴油類似，快速方便；合金儲(chǔ)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(shí)間較長(zhǎng)，一般需要數(shù)個(gè)小時(shí)。

6）潛力。

燃料電池：還有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待解決，如鉑催化劑的高成本、密封技術(shù)的復(fù)雜工藝以及高致密氫源等，而且制、儲(chǔ)、運(yùn)、加氫的基礎(chǔ)設(shè)施也有待發(fā)展，未來(lái)潛力巨大，是汽油/柴油動(dòng)力形式的主要替代者之一。

鋰電池：其能量密度、循環(huán)壽命和充電基礎(chǔ)設(shè)施普遍程度有待進(jìn)一步提高。目前已經(jīng)開始商業(yè)化推廣，是儲(chǔ)能裝置的主要發(fā)展方向。

2 典型船用能源系統(tǒng)分析

以功率范圍120~1200 kW，儲(chǔ)能范圍1 ~10 MWh的船用燃料電池和鋰電池系統(tǒng)為對(duì)象，分析對(duì)比其重量、體積和價(jià)格。其中燃料電池采用氫空質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，氫源采用有機(jī)液體制儲(chǔ)氫技術(shù)，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(duì)比

圖4 燃料電池和鋰電池體積對(duì)比

圖5 燃料電池和鋰電池價(jià)格對(duì)比

由圖3~5可知，隨著儲(chǔ)能增加，鋰電池的重量、體積和價(jià)格增加的幅度比燃料電池更高，主要因?yàn)殇囯姵刈鳛閮?chǔ)能裝置，其重量和體積比能基本固定，單位儲(chǔ)能價(jià)格也固定，所以系統(tǒng)重量、體積和價(jià)格與儲(chǔ)能成正比。而燃料電池作為發(fā)電裝置，其儲(chǔ)能的增加體現(xiàn)在燃料的增加，所以燃料電池系統(tǒng)重量、體積和價(jià)格與儲(chǔ)能也成正比，但其增量相對(duì)較小，主要因?yàn)閮?chǔ)氫燃料本身的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于鋰電池，但價(jià)格遠(yuǎn)低于鋰電池。

同儲(chǔ)能的條件下，功率的變化對(duì)鋰電池系統(tǒng)影響不大，但對(duì)燃料電池系統(tǒng)影響較大，功率越高，燃料電池系統(tǒng)重量、體積和價(jià)格越高，特別是價(jià)格變化很大。主要因?yàn)橄到y(tǒng)功率增加后，主要引起燃料電池系統(tǒng)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(jià)格一般占整個(gè)燃料電池系統(tǒng)總價(jià)的70%以上。

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

3 大功率大儲(chǔ)能船用能源系統(tǒng)分析

以某型科考船為案例，對(duì)比分析全燃料電池、全鋰電池和燃料電池&鋰電池混合動(dòng)力方案在重量、體積和價(jià)格上的區(qū)別。該科考船最大功率需求1200 kW，最大儲(chǔ)能要求10 MWh。

圖6 重量對(duì)比

圖7 體積對(duì)比

由圖3~5可知，采用燃料電池&鋰電池混合動(dòng)力方案后，相對(duì)全鋰電池方案其重量和體積大幅下降，相對(duì)全燃料電池方案其價(jià)格大幅下降。而且混合動(dòng)力中，燃料電池功率占比越低，其系統(tǒng)重量、體積和價(jià)格越低；燃料電池儲(chǔ)能占比越高，其系統(tǒng)重量、體積和價(jià)格越低。所以，在燃料電池&鋰電池混合動(dòng)力方案中，燃料電池更適合用于長(zhǎng)時(shí)經(jīng)航工況，功率低、時(shí)間長(zhǎng)、耗能相對(duì)高；鋰電池更適合用于高速運(yùn)行或特種作業(yè)工況，功率高、時(shí)間短、耗能相對(duì)低。

圖8 價(jià)格對(duì)比

4 結(jié)論

由燃料電池和鋰電池的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比可知，兩類電池都是未來(lái)綠色船舶動(dòng)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(chǔ)能的船型；鋰電池更適合大功率、小儲(chǔ)能的船型；針對(duì)大功率、大儲(chǔ)能的船型，可采用燃料電池&鋰電池混合動(dòng)力形式，然后根據(jù)具體船舶運(yùn)行工況，選擇兩種動(dòng)力形式功率和儲(chǔ)能的配比。

[1] 衣寶廉. 燃料電池-原理· 技術(shù)· 應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2] 中國(guó)氫能聯(lián)盟-中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書[R]. 北京: 中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書編委會(huì), 2019: 03-05.

[3] 郭炳焜, 徐徽, 王先友等. 鋰離子電池[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)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(tǒng)集成。E-mail: kingowang@163.com