UUV動力電池氧源

朱新功 王敏

(中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢430064)

1 引言

用于 UUV的氧氣電池，由于水下的特殊應用環(huán)境，不能直接利用空氣中的氧氣，必須利用海水中溶解的氧或者自身攜帶氧源。海水中溶解的氧只有0.3mM，不能滿足大部分水下動力的功率需求，所以攜帶氧源的選擇和控制對于水下金屬/氧氣動力電池顯得異常重要，合適有效的氧源必須滿足安全、可控、輕便的原則。

氧源的種類很多：液態(tài)臭氧、高壓壓縮氧、低溫液態(tài)氧、雙氧水(H2O2英文簡寫 HP)、氧燭KClO4+MnO2(或者 LiClO4)等。液態(tài)臭氧、KClO4+MnO2轉換為O2時需要高溫加熱，不適合目標產品使用。目前壓縮O2、LOX和H2O2都被用于UUV或潛艇上，本文根據實際情況結合O2不同形態(tài)的現(xiàn)狀進行分析。

2 氧源狀態(tài)

狀態(tài)描述見表1。

表1 氧源狀態(tài)描述

2.1 狀態(tài)描述

2.2 氧源貯存濃度比較

表2為氧源貯存濃度比較。

HP的貯存效率較低，但反應過程中會生成水，這些水可以用于冷卻電池的發(fā)熱。高壓氧易于貯存、易于控制，但壓力太高不安全，一般潛艇上的安全要求不大于 3500 psig。液體氧 LOX能提供較高的體積濃度，從本質上講，在非使用狀態(tài)，也沒有高壓帶來的安全問題。

表2 氧源貯存濃度比較[1]

3 不同氧源系統(tǒng)具體對比

3.1 高壓壓縮O2.

3.1.1 壓縮O2儲存罐現(xiàn)狀

壓縮氧氣系統(tǒng)關鍵部件為氧氣罐的設計。為了提高系統(tǒng)質量比能，目前國外采用不銹鋼或鋁合金內膽+碳纖維或其它有機物纖維纏繞，由于它的價格十分昂貴，出于成本考慮，目前僅小容量儲存被接受。

3.1.2 壓縮O2控制系統(tǒng)

壓縮氧氣控制系統(tǒng)分為高壓系統(tǒng)和壓力調節(jié)系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)包含高壓氣體儲存系統(tǒng)、氣體加料系統(tǒng)。壓力調節(jié)系統(tǒng)包含系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)或流量控制系統(tǒng)（具體與電池本體放電狀態(tài)有關）。其簡單的示意圖如圖1。

圖1 高壓氧控制

3.1.2.1 高壓系統(tǒng)

高壓系統(tǒng)主要考慮的是氧氣泄漏率、發(fā)生故障時高壓氣源有效隔離、壓力升高時氣體的有效排放、氧氣罐內壓力的準確測量等問題，它是決定系統(tǒng)安全性能的關鍵因素。

3.1.2.2 壓力調節(jié)系統(tǒng)

壓力調節(jié)系統(tǒng)主要是將高壓源的氣體減壓后，以等于電池本體消耗的流量輸送到電池本體，并使其壓力維持在一定范圍內。壓力調節(jié)系統(tǒng)設計考慮減壓恒壓問題：包含高壓氣體減壓、管道阻力（與管道結構及管道直徑有關）、氣體流量控制和氣體泄漏等問題。

3.1.3 壓縮O2系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

壓縮 O2用復合材料氧氣罐主要用于潛水員便攜式供氧，航天設備供氧及便攜式 UUV供氧等。

根據對復合材料氧氣罐的要求不同，高壓供氧體積比能和重量比能都會發(fā)生變化。表3是文獻報道中的數據。

表3 不同系統(tǒng)壓縮氧比能

3.2 液體氧LOX

3.2.1 LOX罐的設計

LOX罐材質根據儲存物質不同，內外膽均采用不銹鋼或鋁合金。國內內外膽之間的夾層填滿珠光砂（減少輻射傳熱），并抽成真空（減小氣體傳熱）；國外內外層之間用大約40層絕熱膜，材料為反射鋁或鋁聚合物膜通過玻璃纖維分開，以減少輻射傳熱，采用真空減小氣體傳熱。

LOX輸送系統(tǒng)的關鍵是LOX抽取問題，目前采用抽取的方法是在LOX罐出口安裝汽化器，來保證供氣量，安裝止回閥防止氣體進入 LOX罐，并不能保證沒有熱量進入罐中。LOX罐中壓力的控制一般采用安全閥。控制系統(tǒng)如圖2所示。

3.2.2 LOX系統(tǒng)的現(xiàn)狀

LOX系統(tǒng)主要用于醫(yī)療供氧，工業(yè)供氧，動力供氧等。德國將 LOX系統(tǒng)用于潛艇中，美國21英寸UUV也使用液氧系統(tǒng)。比能如表4總結。

3.3 雙氧水H2O2

H2O2作為氧源用于電池中，主要有2種形式：

圖2 液氧系統(tǒng)控制原理圖

表4 不同系統(tǒng)比能

圖3 微反應示意圖

H2O2直接進入電解液系統(tǒng)，H2O2分解生成氧氣進入氣體室，目前兩種形態(tài)并存。表5列出了直接和間接反應的有缺點比較。

3.3.1 間接H2O2反應速率的控制器

間接H2O2反應，即使在對流冷卻的條件下仍會引起溫升，需要額外的冷卻控制技術[5]。美國水下戰(zhàn)中心采用微管反應器控制反應的溫度和速率。微管反應器的設計包含：催化劑的形態(tài)(溶凝膠、電沉積、膠體沉積等)催化劑的含量，各種溫度、反應物濃度和催化劑加載工況下反應器的幾何形態(tài)，熱交換的有效模式等。目前國外已完成反應器的設計，H2O2的分析方法。[6]微反應控制原理如圖3。

表5 直接反應與間接反應[3、4]

表6 不同系統(tǒng)比能

表7 氧源比較

3.3.2 H2O2系統(tǒng)的現(xiàn)狀

直接H2O2系統(tǒng)已被挪威用于UUV中，目前，挪威及法國又在研究間接 H2O2系統(tǒng)。表 6為直接H2O2系統(tǒng)比能報道。

4 結論

表7總結了上述三種氧源的優(yōu)缺點，從比能看：LOX最好，高壓氧和 H2O2系統(tǒng)相當；從成本方面看：LOX及 H2O2占很大優(yōu)勢；從安全性能，對電池性能影響及儲存來看：高壓氧氣罐性能最好，其次為H2O2系統(tǒng)，LOX次之；從控制系統(tǒng)看，高壓氧及 H2O2系統(tǒng)簡單，LOX復雜。從空間利用率看，H2O2系統(tǒng)容器可做成不同形狀，最大可能利用空間，高壓氧氣罐及 LOX不能。

對于容量小的 LOX罐，由于控制系統(tǒng)相對復雜，在比能上的優(yōu)勢與其它二者相比并不明顯，一般不采用液氧系統(tǒng)。

對于復合材料高壓氧氣罐主要是成本問題，而 H2O2系統(tǒng)主要是催化劑選擇，熱量控制，反應速率控制等技術方面的問題。

[1] 彭光明. 潛艇密閉艙室供氧措施分析. 船海工程,2005,(5): 64～67.

[2] A.Alan Burke, Louis G.Carreiro. System modeling of an air-independent solid oxide fuel cell system for unmanned undersea vehicles. Journal of Power Sourcess, 158(2006): 428-435.

[3] фistein Hasvold, Kjell Havard Johansen, Ole Mollestad; The alkaline aluminium/hydrogen peroxide power source in the Hugin II unmanned underwater vehicle; Journal of Power, 80: 254-260.

[4] G.D.Deuchars, J.R.Hill, J.H.Stannard; Aluminumhydrogen peroxide power system for an unmanned underwater vehicle; O-7803-1385-2/93, 1993 IEEE: II 158-165.

[5] E.Lennon, A.A.Burke, R.S.Besser; Modeling controlled hydrogen peroxide (H2O2) decomposition for a SOFC oxidant source in a Microreactor;COMSOL Users Conference: October 5, 2007.

[6] E.Lennon, R.S.Besser, A. A. Burke; Safe and efficient conversion of hydrogen peroxide for air-independent UUV power sources with microchemical systems.NUWC.