水下無人航行器燃料電池技術(shù)淺談

宋強(qiáng)

(中國人民解放軍92578 部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

無人潛航器（UUV）是一種可在水下長時(shí)間潛航工作的海上無人化裝備，包括自主潛航器（AUV）和有纜遙控潛航器（ROV）。UUV 以無人水下航行器為平臺加裝可執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的模塊化任務(wù)載荷，包括各類水下作戰(zhàn)傳感器設(shè)備、水下武器等多種功能載荷，可滿足情報(bào)/監(jiān)視/偵察、反水雷、隱蔽攻擊等不同任務(wù)需求，具有自主控制、隱蔽性強(qiáng)、安全可靠、高效靈活等特點(diǎn)[1]。

鋰離子電池為目前國內(nèi)外UUV 電源系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υ矗饶芰考s為100～200 Wh/kg，如美國的REMUS 系列及挪威“休金I”型UUV 均采用二次鋰離子電池。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，UUV 對能源系統(tǒng)的要求越來越高，傳統(tǒng)動(dòng)力源已經(jīng)不能滿足裝備遠(yuǎn)航程、長航時(shí)動(dòng)力需求。燃料電池系統(tǒng)則是一種高能量密度新型電源的代表，其系統(tǒng)的重量比能可達(dá)到200～400 Wh/kg，意味著在規(guī)定的重量和體積內(nèi)儲存更多的能量，為遠(yuǎn)航程、長航時(shí)UUV 的最佳動(dòng)力源之一。

1 燃料電池技術(shù)發(fā)展概況

燃料電池系統(tǒng)在無人水下航行器領(lǐng)域的研究應(yīng)用也很廣泛。美國海軍2011 年發(fā)布2 項(xiàng)無人水下航行器（UUV）燃料電池招標(biāo)項(xiàng)目，分別為大直徑UUV（LDUUV）創(chuàng)新性海軍樣機(jī)項(xiàng)目和長航時(shí)UUV（LEUUV）未來海軍能力項(xiàng)目，2 個(gè)項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注了固態(tài)氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。德國2007 年研發(fā)的DeepC 采用3.6 kW 質(zhì)子交換膜燃料電池，總能量140 kWh，最大航速為6 kn，4 kn 航速下的續(xù)航力為60 h。國外前期用燃料電池的具體情況如表1 所示。

表 1 國外潛器用燃料電池發(fā)展情況表Tab. 1 The development of fuel cell for foreign submersible vehicles

綜上所述，燃料電池系統(tǒng)在提高水下裝置續(xù)航力和隱蔽性方面優(yōu)勢非常明顯。燃料電池系統(tǒng)將成為未來深海空間站、常規(guī)潛艇、無人潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺、深潛器等水下裝置動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展主流，代表著水下用高密度能源技術(shù)的發(fā)展方向。

2 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)原理與組成

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)是將自身攜帶的氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)換為電能的能量供應(yīng)裝置，是一種高能量密度新型能源動(dòng)力裝置的代表。燃料電池動(dòng)力裝置的基本原理是：氫燃料以特定形式儲存，氧化劑以液氧方式儲存。裝置工作時(shí)，儲氫設(shè)備通過化學(xué)反應(yīng)供應(yīng)氫氣，液氧吸收余熱后汽化為氣態(tài)氧，氫氣和氧氣通過管路輸送到燃料電池電堆；2 種物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，以直流電的形式輸出。裝置運(yùn)行產(chǎn)生的熱量部分用于儲氫設(shè)備供氫和液氧汽化，多余的熱量通過熱量交換輸出，反應(yīng)產(chǎn)物通過汽水分離，液態(tài)水直接輸入水箱，極少量的氫氣通過產(chǎn)物處理設(shè)備消除[2-4]。

UUV 用燃料電池電源系統(tǒng)是由燃料電池模塊、氫源、氧源、監(jiān)控及輔助等組成，如表2 所示。組成框圖如圖1 所示，三維模擬布置圖如圖2 所示。

表 2 燃料電池電源系統(tǒng)組成Tab. 2 Fuel cell power system composition

圖 1 燃料電池電源系統(tǒng)組成框圖Fig. 1Block diagram of fuel cell power supply system

圖 2 燃料電池電源系統(tǒng)三維模擬布置圖Fig. 2Three-dimensional simulation layout of fuel cell power system

3 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)

燃料電池具有效率高、比能大，振動(dòng)噪聲與紅外特征小等顯著特點(diǎn)，特別適合在中型、大型UUV 上大規(guī)模成組使用。美國大型UUV 已確定采用燃料電池，燃料電池是UUV 能源技術(shù)的未來重點(diǎn)研究方向。按照UUV 的分類以及對能源系統(tǒng)的需求，總儲能量200 kWh以上的中型或重型UUV 適合裝備燃料電池電源系統(tǒng)。按照系統(tǒng)總儲能500 kWh～3 MWh，輸出功率5～30 kW 的幾種典型狀態(tài)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

3.1 燃料電池模塊技術(shù)

燃料電池模塊擬采用氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)、金屬雙極板技術(shù)和靜態(tài)排水技術(shù)方案。燃料電池模塊采用已有的標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行組合匹配，目前已有的標(biāo)準(zhǔn)模塊有5 千瓦級燃料電池模塊、10 千瓦級燃料電池模塊和30 千瓦級燃料電池模塊。

燃料電池模塊組成與功能如表4 所示，燃料電池模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

燃料電池模塊的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表5 所示。

表 3 UUV 用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)主要總體指標(biāo)Tab. 3Main overall indicators of fuel cell power system for UUV

表 4 燃料電池模塊組成與功能Tab. 4 Composition and function of fuel cell module

圖 3 30 kW 燃料電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 330 kW fuel cell module structure diagram

3.2 氫源技術(shù)

氫源占燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)總重約一半以上，因此，提高燃料電池動(dòng)力裝置儲能密度的關(guān)鍵在于提高裝置的儲氫密度。目前常見氫源技術(shù)有有機(jī)液體儲氫技術(shù)、甲醇重整制氫技術(shù)和水解制氫技術(shù)[5]。

回顧性分析本科2016年1月～2017年12月，采用PTED技術(shù)治療的L5S1椎間盤突出癥的患者，48例符合上述標(biāo)準(zhǔn)，納入本研究，其中男28例，女20例，平均年齡（45.14±9.22）（19～67）歲，病程 3個(gè)月～7年，平均（11.32±4.26）個(gè)月。

表 5 燃料電池模塊基本設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 5Basic design parameters of fuel cell module

1）有機(jī)液體儲氫技術(shù)

以含有不飽和C=C 雙鍵的液態(tài)有機(jī)分子材料作為儲氫載體，與氫氣發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)的加氫—脫氫過程。液態(tài)有機(jī)儲氫載體的加氫—脫氫反應(yīng)示意圖如圖4 所示（以N-乙基咔唑?yàn)槔Ｒ簯B(tài)有機(jī)物與氫氣發(fā)生反應(yīng)后，作為儲氫載體存放于容器內(nèi)，在一定溫度和催化劑條件下發(fā)生脫氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)氣液分離后，氫氣供給用戶端，脫氫后的液態(tài)有機(jī)物回收于容器內(nèi)，進(jìn)行循環(huán)利用。

圖 4 有機(jī)物儲氫載體的加氫—脫氫反應(yīng)過程示意圖Fig. 4Schematic diagram of the hydrogenation-de hydrogenation reaction process of organic hygrogen storage carrier

有機(jī)液體儲氫裝置主要包括儲存隔膜箱、計(jì)量泵、反應(yīng)器、氣液分離器、緩沖罐、閥件等部分。裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

2）甲醇重整制氫技術(shù)

重整制氫是指甲醇、乙醇、柴油等富氫燃料在一定溫度和壓力條件下，在催化劑的作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為H2和CO2的過程，工作原理如圖6 所示。甲醇水蒸汽重整制氫的反應(yīng)式如下：

主反應(yīng)：CH3OH（g）+H2O（g）→CO2+3H2（△H298=49.4 kJ/mol）；

CO+H2O（g）→CO2+H2（△H298=-41 kJ/mol）。

甲醇重整制氫裝置樣機(jī)主要包括原料存儲與輸送單元、制氫反應(yīng)單元、氫氣純化及儲存單元、熱量傳輸單元、監(jiān)控單元及柜體。甲醇重整制氫裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

圖 5 有機(jī)液體儲氫裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5Structure diagram of organic liquid hydrogen storage device

圖 6 甲醇重整制氫技術(shù)工作原理圖Fig. 6Working principle diagram of hydrogen production technology by methanol reforming

圖 7 甲醇重整制氫裝置Fig. 7Methanol reforming hydrogen production unit

3）水解制氫技術(shù)

高密度金屬水解制氫技術(shù)是基于金屬或其氫化物（以氫化鎂（MgH2）為例）與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的“即制即用”安全氫源技術(shù)，原理如圖8 所示。反應(yīng)式如下：

氫化鎂水解制氫裝置主要組成包括水解反應(yīng)器、冷凝塔、氫氣緩沖罐等關(guān)鍵設(shè)備并配備液位、壓力、流量、溫度等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控。其水解制氫工藝流程如圖9 所示。

圖 8 MgH2 水解反應(yīng)制氫原理圖Fig. 8Schematic diagram of hydrogen production by MgH2 hydrolysis reaction

圖 9 MgH2 水解反應(yīng)制氫工藝流程Fig. 9MgH2 hydrolysis reaction hydrogen production process

4）氫源技術(shù)對比分析

UUV 對氫源的體積儲氫率和重量儲氫率要求較高，同時(shí)兼顧密閉環(huán)境下安全性和可靠性，符合UUV要求的有機(jī)液體儲氫、甲醇重整制氫和氫化鎂水解制氫的技術(shù)參數(shù)對比如表6 所示。

表 6 三種儲氫技術(shù)對比Tab. 6 Comparison of three hydrogen storage technologies

以UUV 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸入，按照目前燃料電池模塊的技術(shù)狀態(tài)，可以推算出不同儲能狀態(tài)下氫源的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如表7 所示。

由以上計(jì)算分析可知，氫化鎂水解制氫技術(shù)重量儲氫率在3 種氫源技術(shù)中最高，體積儲氫率適中，符合UUV 對氫源高重量儲氫率和體積儲氫率的要求，但是目前氫化鎂水解制氫技術(shù)在工程應(yīng)用上還存在反應(yīng)產(chǎn)物難以處理、水解反應(yīng)過程劇烈很難精確控制等問題，制氫反應(yīng)器的制氫速率還沒法做大，僅適合與燃料電池低功率進(jìn)行匹配。因此在儲能體系的選擇上僅適合5 千瓦級動(dòng)力系統(tǒng)，按照500 kWh 總儲能量計(jì)算，系統(tǒng)重量比能量可以達(dá)到280 Wh/kg。有機(jī)液體儲氫裝置體積儲氫率和重量儲氫率在3 種氫源技術(shù)中最低，但是其技術(shù)成熟度最高，反應(yīng)沒有待處理的副產(chǎn)物，工作溫度和耗能適中、燃料補(bǔ)給方便，適合于總儲能比較高的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，按照1 MWh 和3 MWh的總儲能量計(jì)算，系統(tǒng)重量比能量可以達(dá)到280 Wh/kg和300 Wh/kg。甲醇重整制氫雖然在體積儲氫率上最高，重量儲氫率適中，但是其最主要問題在于反應(yīng)副產(chǎn)物二氧化碳的大量排放，工程上需要解決大潛深的背壓排放問題，還要增加額外的空氣壓縮機(jī)的功率，降低系統(tǒng)的效率，這樣總體評估下來，與有機(jī)液體儲氫技術(shù)相比也無任何優(yōu)勢。

表 7 儲氫裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Tab. 7Key technical parameters of hydrogen storage device

4 結(jié) 語

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)裝置具有能量密度高、振動(dòng)噪音小、無尾氣排放與紅外特征等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)下一代長航時(shí)、遠(yuǎn)航程UUV 的跨越式發(fā)展，代表著UUV 動(dòng)力源未來的重要發(fā)展方向。氫源裝置占燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)裝置總重約一半以上，儲能密度的關(guān)鍵在于提高氫源裝置儲氫密度。目前具備水下密閉環(huán)境應(yīng)用條件的幾種氫源技術(shù)，各具優(yōu)劣，總體而言在500 千瓦時(shí)級總儲能的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)適合于水解制氫技術(shù)、在1 MWh 以上級別總儲能的燃料電池系統(tǒng)適合有機(jī)液體儲氫技術(shù)，技術(shù)路線具體選擇還要依據(jù)總體輸入條件。采用高密度氫源技術(shù)的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的重量比能可達(dá)到300 Wh/kg，與傳統(tǒng)儲能電池相比，能量密度為2～3 倍，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)滿足高能量密度、不依賴空氣、適用負(fù)載范圍大、持續(xù)時(shí)間長的UUV 動(dòng)力系統(tǒng)要求，是提高UUV 水下續(xù)航力的首選。