2020, Vol. 42
无人潜航器（UUV）是一种可在水下长时间潜航工作的海上无人化装备，包括自主潜航器（AUV）和有缆遥控潜航器（ROV）。UUV以无人水下航行器为平台加装可执行作战任务的模块化任务载荷，包括各类水下作战传感器设备、水下武器等多种功能载荷，可满足情报/监视/侦察、反水雷、隐蔽攻击等不同任务需求，具有自主控制、隐蔽性强、安全可靠、高效灵活等特点[1]。
锂离子电池为目前国内外UUV电源系统主要动力源，比能量约为100～200 Wh/kg，如美国的REMUS系列及挪威“休金I”型UUV均采用二次锂离子电池。随着科学技术的不断发展，UUV对能源系统的要求越来越高，传统动力源已经不能满足装备远航程、长航时动力需求。燃料电池系统则是一种高能量密度新型电源的代表，其系统的重量比能可达到200～400 Wh/kg，意味着在规定的重量和体积内储存更多的能量，为远航程、长航时UUV的最佳动力源之一。
1 燃料电池技术发展概况燃料电池系统在无人水下航行器领域的研究应用也很广泛。美国海军2011年发布2项无人水下航行器（UUV）燃料电池招标项目，分别为大直径UUV（LDUUV）创新性海军样机项目和长航时UUV（LEUUV）未来海军能力项目，2个项目重点关注了固态氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。德国2007年研发的DeepC采用3.6 kW质子交换膜燃料电池，总能量140 kWh，最大航速为6 kn，4 kn航速下的续航力为60 h。国外前期用燃料电池的具体情况如表1所示。
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表 1 国外潜器用燃料电池发展情况表 Tab.1 The development of fuel cell for foreign submersible vehicles |
综上所述，燃料电池系统在提高水下装置续航力和隐蔽性方面优势非常明显。燃料电池系统将成为未来深海空间站、常规潜艇、无人潜艇、水下无人作战平台、深潜器等水下装置动力系统的发展主流，代表着水下用高密度能源技术的发展方向。
2 燃料电池动力系统原理与组成燃料电池动力系统是将自身携带的氢气和氧气的化学能通过电化学方式直接转换为电能的能量供应装置，是一种高能量密度新型能源动力装置的代表。燃料电池动力装置的基本原理是：氢燃料以特定形式储存，氧化剂以液氧方式储存。装置工作时，储氢设备通过化学反应供应氢气，液氧吸收余热后汽化为气态氧，氢气和氧气通过管路输送到燃料电池电堆；2种物质发生电化学反应，将化学能直接转化为电能，以直流电的形式输出。装置运行产生的热量部分用于储氢设备供氢和液氧汽化，多余的热量通过热量交换输出，反应产物通过汽水分离，液态水直接输入水箱，极少量的氢气通过产物处理设备消除[2-4]。
UUV用燃料电池电源系统是由燃料电池模块、氢源、氧源、监控及辅助等组成，如表2所示。组成框图如图1所示，三维模拟布置图如图2所示。
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表 2 燃料电池电源系统组成 Tab.2 Fuel cell power system composition |
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图 1 燃料电池电源系统组成框图 Fig. 1 Block diagram of fuel cell power supply system |
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图 2 燃料电池电源系统三维模拟布置图 Fig. 2 Three-dimensional simulation layout of fuel cell power system |
燃料电池具有效率高、比能大，振动噪声与红外特征小等显著特点，特别适合在中型、大型UUV上大规模成组使用。美国大型UUV已确定采用燃料电池，燃料电池是UUV能源技术的未来重点研究方向。按照UUV的分类以及对能源系统的需求，总储能量200 kWh以上的中型或重型UUV适合装备燃料电池电源系统。按照系统总储能500 kWh～3 MWh，输出功率5～30 kW的几种典型状态进行初步设计。
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表 3 UUV用燃料电池动力系统主要总体指标 Tab.3 Main overall indicators of fuel cell power system for UUV |
燃料电池模块拟采用氢氧质子交换膜燃料电池技术、金属双极板技术和静态排水技术方案。燃料电池模块采用已有的标准模块进行组合匹配，目前已有的标准模块有5千瓦级燃料电池模块、10千瓦级燃料电池模块和30千瓦级燃料电池模块。
燃料电池模块组成与功能如表4所示，燃料电池模块结构如图3所示。
燃料电池模块的主要设计参数如表5所示。
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表 4 燃料电池模块组成与功能 Tab.4 Composition and function of fuel cell module |
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图 3 30 kW燃料电池模块结构示意图 Fig. 3 30 kW fuel cell module structure diagram |
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表 5 燃料电池模块基本设计参数 Tab.5 Basic design parameters of fuel cell module |
氢源占燃料电池动力系统总重约一半以上，因此，提高燃料电池动力装置储能密度的关键在于提高装置的储氢密度。目前常见氢源技术有有机液体储氢技术、甲醇重整制氢技术和水解制氢技术[5]。
1）有机液体储氢技术
以含有不饱和C=C双键的液态有机分子材料作为储氢载体，与氢气发生可逆化学反应，实现循环的加氢—脱氢过程。液态有机储氢载体的加氢—脱氢反应示意图如图4所示（以N-乙基咔唑为例）。液态有机物与氢气发生反应后，作为储氢载体存放于容器内，在一定温度和催化剂条件下发生脱氢反应。反应产物经气液分离后，氢气供给用户端，脱氢后的液态有机物回收于容器内，进行循环利用。
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图 4 有机物储氢载体的加氢—脱氢反应过程示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the hydrogenation-de hydrogenation reaction process of organic hygrogen storage carrier |
有机液体储氢装置主要包括储存隔膜箱、计量泵、反应器、气液分离器、缓冲罐、阀件等部分。装置的结构示意图如图5所示。
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图 5 有机液体储氢装置结构示意图 Fig. 5 Structure diagram of organic liquid hydrogen storage device |
2）甲醇重整制氢技术
重整制氢是指甲醇、乙醇、柴油等富氢燃料在一定温度和压力条件下，在催化剂的作用下发生催化重整反应，转化为H2和CO2的过程，工作原理如图6所示。甲醇水蒸汽重整制氢的反应式如下：
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图 6 甲醇重整制氢技术工作原理图 Fig. 6 Working principle diagram of hydrogen production technology by methanol reforming |
主反应：CH3OH（g）+H2O（g）→CO2+3H2（△H298=49.4 kJ/mol）；
副反应：CH3OH（g）→CO+2H2（△H298=91 kJ/mol）；
CO+H2O（g）→CO2+H2（△H298=−41 kJ/mol）。
甲醇重整制氢装置样机主要包括原料存储与输送单元、制氢反应单元、氢气纯化及储存单元、热量传输单元、监控单元及柜体。甲醇重整制氢装置结构图如图7所示。
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图 7 甲醇重整制氢装置 Fig. 7 Methanol reforming hydrogen production unit |
3）水解制氢技术
高密度金属水解制氢技术是基于金属或其氢化物（以氢化镁（MgH2）为例）与水反应产生氢气的“即制即用”安全氢源技术，原理如图8所示。反应式如下：
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图 8 MgH2水解反应制氢原理图 Fig. 8 Schematic diagram of hydrogen production by MgH2 hydrolysis reaction |
MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2（△H298=−277 kJ/mol H2）。
氢化镁水解制氢装置主要组成包括水解反应器、冷凝塔、氢气缓冲罐等关键设备并配备液位、压力、流量、温度等传感器实时监控。其水解制氢工艺流程如图9所示。
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图 9 MgH2水解反应制氢工艺流程 Fig. 9 MgH2 hydrolysis reaction hydrogen production process |
4）氢源技术对比分析
UUV对氢源的体积储氢率和重量储氢率要求较高，同时兼顾密闭环境下安全性和可靠性，符合UUV要求的有机液体储氢、甲醇重整制氢和氢化镁水解制氢的技术参数对比如表6所示。
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表 6 三种储氢技术对比 Tab.6 Comparison of three hydrogen storage technologies |
以UUV系统的总体设计指标为输入，按照目前燃料电池模块的技术状态，可以推算出不同储能状态下氢源的关键技术指标，如表7所示。
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表 7 储氢装置关键技术参数 Tab.7 Key technical parameters of hydrogen storage device |
由以上计算分析可知，氢化镁水解制氢技术重量储氢率在3种氢源技术中最高，体积储氢率适中，符合UUV对氢源高重量储氢率和体积储氢率的要求，但是目前氢化镁水解制氢技术在工程应用上还存在反应产物难以处理、水解反应过程剧烈很难精确控制等问题，制氢反应器的制氢速率还没法做大，仅适合与燃料电池低功率进行匹配。因此在储能体系的选择上仅适合5千瓦级动力系统，按照500 kWh总储能量计算，系统重量比能量可以达到280 Wh/kg。有机液体储氢装置体积储氢率和重量储氢率在3种氢源技术中最低，但是其技术成熟度最高，反应没有待处理的副产物，工作温度和耗能适中、燃料补给方便，适合于总储能比较高的燃料电池动力系统，按照1 MWh和3 MWh的总储能量计算，系统重量比能量可以达到280 Wh/kg和300 Wh/kg。甲醇重整制氢虽然在体积储氢率上最高，重量储氢率适中，但是其最主要问题在于反应副产物二氧化碳的大量排放，工程上需要解决大潜深的背压排放问题，还要增加额外的空气压缩机的功率，降低系统的效率，这样总体评估下来，与有机液体储氢技术相比也无任何优势。
4 结 语燃料电池动力系统装置具有能量密度高、振动噪音小、无尾气排放与红外特征等特点，能实现下一代长航时、远航程UUV的跨越式发展，代表着UUV动力源未来的重要发展方向。氢源装置占燃料电池动力系统装置总重约一半以上，储能密度的关键在于提高氢源装置储氢密度。目前具备水下密闭环境应用条件的几种氢源技术，各具优劣，总体而言在500千瓦时级总储能的燃料电池动力系统适合于水解制氢技术、在1 MWh以上级别总储能的燃料电池系统适合有机液体储氢技术，技术路线具体选择还要依据总体输入条件。采用高密度氢源技术的燃料电池动力系统的重量比能可达到300 Wh/kg，与传统储能电池相比，能量密度为2～3倍，燃料电池动力系统满足高能量密度、不依赖空气、适用负载范围大、持续时间长的UUV动力系统要求，是提高UUV水下续航力的首选。
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陈强. 水下无人航行器[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014.
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| [2] |
王屈平, 叶烽, 刘爱玉. 当代海军AIP 技术发展动态[J]. 船电技术, 2010(7): 17-22. WANG Qu-ping, YE Feng, LIU Ai-yu. Developing trend of naval AIP technology[J]. Marine Electric, 2010(7): 17-22. DOI:10.3969/j.issn.1003-4862.2010.07.005 |
| [3] |
薛洪熙, 扬波, 陈海清. 燃料电池技术及其在舰艇上的应用[J]. 军民两用技术与产品, 2005(2): 38-40. XUE Hong-xi, YANG Bo, CHEN Hai-qing. The technology of fuel cell and its application on naval vessels[J]. Dual Use Technologies& Products, 2005(2): 38-40. DOI:10.3969/j.issn.1009-8119.2005.02.057 |
| [4] |
彭澎. 燃料电池技术及其在潜艇动力方面的应用前景[J]. 船电技术, 2003(1): 27-30. PENG Peng. Fuel cell technology and its application prospects in submarine power[J]. Marine Electric, 2003(1): 27-30. DOI:10.3969/j.issn.1003-4862.2003.01.008 |
| [5] |
王新喜. AIP潜艇燃料电池供氢新技术——硼氢化钠水解制氢[J]. 舰船科学技术, 2006(4): 45-48. WANG Xin-xi. AIP submarine fuel cell new technology for hydrogen supply—hydrolysis of sodium borohydride to produce hydrogen[J]. Ship Science and Technology, 2006(4): 45-48. |