水下無人航行器燃料電池技術淺談

宋強

(中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161)

0 引 言

無人潛航器（UUV）是一種可在水下長時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行作戰任務的模塊化任務載荷，包括各類水下作戰傳感器設備、水下武器等多種功能載荷，可滿足情報/監視/偵察、反水雷、隱蔽攻擊等不同任務需求，具有自主控制、隱蔽性強、安全可靠、高效靈活等特點[1]。

鋰離子電池為目前國內外UUV 電源系統主要動力源，比能量約為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。隨著科學技術的不斷發展，UUV 對能源系統的要求越來越高，傳統動力源已經不能滿足裝備遠航程、長航時動力需求。燃料電池系統則是一種高能量密度新型電源的代表，其系統的重量比能可達到200～400 Wh/kg，意味著在規定的重量和體積內儲存更多的能量，為遠航程、長航時UUV 的最佳動力源之一。

1 燃料電池技術發展概況

燃料電池系統在無人水下航行器領域的研究應用也很廣泛。美國海軍2011 年發布2 項無人水下航行器（UUV）燃料電池招標項目，分別為大直徑UUV（LDUUV）創新性海軍樣機項目和長航時UUV（LEUUV）未來海軍能力項目，2 個項目重點關注了固態氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池。德國2007 年研發的DeepC 采用3.6 kW 質子交換膜燃料電池，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，燃料電池系統在提高水下裝置續航力和隱蔽性方面優勢非常明顯。燃料電池系統將成為未來深?？臻g站、常規潛艇、無人潛艇、水下無人作戰平臺、深潛器等水下裝置動力系統的發展主流，代表著水下用高密度能源技術的發展方向。

2 燃料電池動力系統原理與組成

燃料電池動力系統是將自身攜帶的氫氣和氧氣的化學能通過電化學方式直接轉換為電能的能量供應裝置，是一種高能量密度新型能源動力裝置的代表。燃料電池動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，儲氫設備通過化學反應供應氫氣，液氧吸收余熱后汽化為氣態氧，氫氣和氧氣通過管路輸送到燃料電池電堆；2 種物質發生電化學反應，將化學能直接轉化為電能，以直流電的形式輸出。裝置運行產生的熱量部分用于儲氫設備供氫和液氧汽化，多余的熱量通過熱量交換輸出，反應產物通過汽水分離，液態水直接輸入水箱，極少量的氫氣通過產物處理設備消除[2-4]。

UUV 用燃料電池電源系統是由燃料電池模塊、氫源、氧源、監控及輔助等組成，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 燃料電池電源系統組成Tab. 2 Fuel cell power system composition

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

圖 2 燃料電池電源系統三維模擬布置圖Fig. 2Three-dimensional simulation layout of fuel cell power system

3 燃料電池動力系統技術

燃料電池具有效率高、比能大，振動噪聲與紅外特征小等顯著特點，特別適合在中型、大型UUV 上大規模成組使用。美國大型UUV 已確定采用燃料電池，燃料電池是UUV 能源技術的未來重點研究方向。按照UUV 的分類以及對能源系統的需求，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。按照系統總儲能500 kWh～3 MWh，輸出功率5～30 kW 的幾種典型狀態進行初步設計。

3.1 燃料電池模塊技術

燃料電池模塊擬采用氫氧質子交換膜燃料電池技術、金屬雙極板技術和靜態排水技術方案。燃料電池模塊采用已有的標準模塊進行組合匹配，目前已有的標準模塊有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，燃料電池模塊結構如圖3 所示。

燃料電池模塊的主要設計參數如表5 所示。

表 3 UUV 用燃料電池動力系統主要總體指標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 燃料電池模塊結構示意圖Fig. 330 kW fuel cell module structure diagram

3.2 氫源技術

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

回顧性分析本科2016年1月～2017年12月，采用PTED技術治療的L5S1椎間盤突出癥的患者，48例符合上述標準，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個月～7年，平均（11.32±4.26）個月。

表 5 燃料電池模塊基本設計參數Tab. 5Basic design parameters of fuel cell module

1）有機液體儲氫技術

以含有不飽和C=C 雙鍵的液態有機分子材料作為儲氫載體，與氫氣發生可逆化學反應，實現循環的加氫—脫氫過程。液態有機儲氫載體的加氫—脫氫反應示意圖如圖4 所示（以N-乙基咔唑為例）。液態有機物與氫氣發生反應后，作為儲氫載體存放于容器內，在一定溫度和催化劑條件下發生脫氫反應。反應產物經氣液分離后，氫氣供給用戶端，脫氫后的液態有機物回收于容器內，進行循環利用。

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

有機液體儲氫裝置主要包括儲存隔膜箱、計量泵、反應器、氣液分離器、緩沖罐、閥件等部分。裝置的結構示意圖如圖5 所示。

2）甲醇重整制氫技術

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生催化重整反應，轉化為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式如下：

主反應：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主要包括原料存儲與輸送單元、制氫反應單元、氫氣純化及儲存單元、熱量傳輸單元、監控單元及柜體。甲醇重整制氫裝置結構圖如圖7 所示。

圖 5 有機液體儲氫裝置結構示意圖Fig. 5Structure diagram of organic liquid hydrogen storage device

圖 6 甲醇重整制氫技術工作原理圖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

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

氫化鎂水解制氫裝置主要組成包括水解反應器、冷凝塔、氫氣緩沖罐等關鍵設備并配備液位、壓力、流量、溫度等傳感器實時監控。其水解制氫工藝流程如圖9 所示。

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

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

4）氫源技術對比分析

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

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

以UUV 系統的總體設計指標為輸入，按照目前燃料電池模塊的技術狀態，可以推算出不同儲能狀態下氫源的關鍵技術指標，如表7 所示。

由以上計算分析可知，氫化鎂水解制氫技術重量儲氫率在3 種氫源技術中最高，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在工程應用上還存在反應產物難以處理、水解反應過程劇烈很難精確控制等問題，制氫反應器的制氫速率還沒法做大，僅適合與燃料電池低功率進行匹配。因此在儲能體系的選擇上僅適合5 千瓦級動力系統，按照500 kWh 總儲能量計算，系統重量比能量可以達到280 Wh/kg。有機液體儲氫裝置體積儲氫率和重量儲氫率在3 種氫源技術中最低，但是其技術成熟度最高，反應沒有待處理的副產物，工作溫度和耗能適中、燃料補給方便，適合于總儲能比較高的燃料電池動力系統，按照1 MWh 和3 MWh的總儲能量計算，系統重量比能量可以達到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副產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的功率，降低系統的效率，這樣總體評估下來，與有機液體儲氫技術相比也無任何優勢。

表 7 儲氫裝置關鍵技術參數Tab. 7Key technical parameters of hydrogen storage device

4 結 語

燃料電池動力系統裝置具有能量密度高、振動噪音小、無尾氣排放與紅外特征等特點，能實現下一代長航時、遠航程UUV 的跨越式發展，代表著UUV 動力源未來的重要發展方向。氫源裝置占燃料電池動力系統裝置總重約一半以上，儲能密度的關鍵在于提高氫源裝置儲氫密度。目前具備水下密閉環境應用條件的幾種氫源技術，各具優劣，總體而言在500 千瓦時級總儲能的燃料電池動力系統適合于水解制氫技術、在1 MWh 以上級別總儲能的燃料電池系統適合有機液體儲氫技術，技術路線具體選擇還要依據總體輸入條件。采用高密度氫源技術的燃料電池動力系統的重量比能可達到300 Wh/kg，與傳統儲能電池相比，能量密度為2～3 倍，燃料電池動力系統滿足高能量密度、不依賴空氣、適用負載范圍大、持續時間長的UUV 動力系統要求，是提高UUV 水下續航力的首選。