0 引　言

自主水下航行器（AUV）作为一种无人自主平台，通过搭载不同的任务载荷和多样化的传感器，在海洋科学调查、海洋油气工业和国防军事领域发挥着越来越显著的作用^[1-2]。目前的自主水下航行器一般使用锂离子电池作为能源，常用的商用化自主水下航行器工作时间为12～48 h，航速一般为2～4 kn。能源瓶颈不仅制约了利用自主水下航行器开展大范围长周期的海洋观测和数据收集任务，对能够集成的传感器也造成了很多限制。

燃料电池由于极高的能量密度、不受卡诺循环限制的系统转换效率以及安静特性，获得持续不断的研究^[3]。作为一种可以替代锂电池的潜在能源形式，将显著提升自主水下航行器的航程和工作时间^[4]。目前已用于自主水下航行器的燃料电池类型包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）^[5]、直接甲醇燃料电池（DMFC）^[6]和固体氧化物燃料电池（SOFC）^[7-8]，不同类型的燃料电池的反应温度、燃料类型、反应产物和运行过程中的控制条件也不相同。PEMFC受益于新能源汽车工业的快速发展，其技术成熟度最高、尺寸相对紧凑，将最有可能在AUV上得到规模化的商业应用^[9]。本文研究限于PEMFC，非特别说明，文中的燃料电池均指PEMFC。

文献[10-11]介绍了2003～2013年期间应用于AUV的燃料电池动力系统原型开发和方案设计研究，分析了可能的商用化和实验室阶段的燃料电池电堆选项。指出反应物储存是AUV动力系统中的一个重要问题，将直接影响AUV的工作时间和能源系统的效率。燃料电池驱动的AUV中反应物储存是一项活跃的研究领域，并概述了用于AUV上燃料电池的几种主要氢气和氧气储存方案。

文献[12]回顾了2002～2020年期间应用于水下无人航行器的燃料电池原型开发、研究项目及其反应物储存方式，其燃料电池类型包括了PEMFC、DMFC和SOFC。指出由于供应纯氧并以闭式循环操作^[13]，应用于水下密闭环境的燃料电池不同于陆地应用的燃料电池，需要在膜电极组件、双极板和安全措施上做出调整。对比不同形式的燃料和氧化剂储存方式并指出铝-水反应^[14]是提供氢气的最佳方法、高氯酸锂是提供氧气的最佳方法。

上述文献研究缺乏对水下密闭环境所带来的技术挑战的关注，在评估反应物储存方式时，依然沿用能量密度、功率密度、比能量这些传统的技术指标，没有建立针对性的评价指标体系。将PEMFC集成在自主水下航行器上不仅面临水下密闭空间持续稳定运行的挑战，同时涉及到集成平台带来的额外设计约束。作为一项自主水下航行器和燃料电池技术的交叉技术领域，目前的研究仍然分散，缺乏系统层面的完整考虑和对比分析，特别是在反应物储存方式和燃料电池系统级的优化设计，对集成平台和水下环境的特殊性缺乏足够的重视，导致相应的对比结果和研究结论不能有效地指导系统原型开发和工程实际应用。

本文基于公开发表的文献，对近十年应用于自主水下航行器上的质子交换膜燃料电池研究进展进行综述，主要围绕自主水下航行器集成平台对燃料电池带来的设计约束、反应物的储存方案和评价指标、系统原型开发和试验测试几个方面。

1 水下密闭环境与集成平台的设计约束

由于水下密闭环境和自主水下航行器这一特定的集成平台，使得应用于自主水下航行器上的燃料电池系统与传统的陆地车用燃料电池系统不同，一个最显著的区别是自主水下航行器上的燃料电池系统需要同时携带氢气和氧气，以不依赖于空气的方式持续稳定运行。自主水下航行器在水下航行过程中，主要依靠浮力平衡自身的重力，尾部推进器用于克服航行过程中的流体阻力。为了确保在发生故障的情况下自主水下航行器能够上浮到水面与岸基的地面站或者支持母船进行通信并等待救援，自主水下航行器一般设置成微小的正浮力。为了在水中进行定深巡航，需要通过控制尾部的水平舵保持航行深度。

文献[15]列出了由于周围海水环境导致将燃料电池系统用于水下场合的挑战：无法获取周围的空气，因此需要同时携带氧气；由于AUV外部环境压力高，向AUV外部环境排放产物受到阻碍；不需要将反应产物水排除以免影响AUV整体浮力；燃料电池系统需要容纳在耐压容器中以承受周围高压海水环境。

文献[16]指出燃料电池是实现长航时AUV的一项关键技术，并提出了燃料电池在水下封闭环境操作的若干挑战，具体包括氢气的储存、氧气的储存、浮力和配平、周围海水环境、密闭容器中的运行。浮力和配平与自主水下航行器的工作特性密切相关，由于AUV在水中需要保持中性浮力，与之集成的燃料电池系统也需要保持中性浮力，并确保在整个运行过程中不会改变浮力特性。然而，当燃料电池系统为正浮力时可以减少AUV整体的浮力单元体积，正浮力特性的燃料电池系统被当作一项优选方案。配平是指AUV重心和浮心的相对位置调整，由于运行过程中燃料电池的反应物被持续消耗，需要关注是否会引起AUV整体重心和浮心相对位置的变化，否则需要采取额外措施和硬件设备进行配平。

燃料电池在密闭容器中的运行会带来更多与惰性气体或反应物的冷凝、冷却和积聚有关的挑战。惰性气体的聚集会降低燃料电池系统的输出特性，密闭空间中的氢气泄漏以及氢气和氧气的混合会造成安全风险。对于水下环境，周围海水提供了理想的热沉，一般通过水冷的方式将燃料电池系统产生的热量导出到周围海水介质中。当从系统层面考虑热量平衡时，将有助于减少燃料电池系统与外界海水的热量交换，以减少对周围环境造成的温度扰动，进一步提高水下无人系统的隐蔽性。

2 反应物储存方案及其评价体系

反应物的储存方式一直是一个活跃的研究领域^[17]，氢气和氧气的储存方式及其组合方案显著影响系统整体的能量密度和比能量，不同储存方式涉及到的技术成熟度和系统复杂度也相差明显。在评估对比不同的反应物储存方式时，研究人员提出了多个不同的评价指标体系，当考虑到水下密闭环境以及自主水下航行器集成平台的约束时，合理的评价指标体系将导致更有指导价值的候选储存方案。

文献[11]针对3种反应物储存组合方案（液氢-液氧、压缩氢气-压缩氧气、金属氢化物-液氧）和2种型号的商用化电堆，一共设计了6种简化的能源系统方案，并估算了不同方案中系统整体单位体积的能量和单位质量的能量。

高能量密度的能源系统在发挥自主水下航行器的操作性能上具有重要作用，文献[18]通过对不同的能源系统在能量密度、工作时间、安全性、成本和后勤保障方面进行对比得出，氢氧燃料电池和锂电池代表了最有前途的技术。

文献[16]提出了单位质量的能量、单位体积的能量、浮力、运行过程中的浮力变化、中性浮力时的能量密度、系统复杂性、深度的独立性共7项评价指标，对不同的反应物储存方案进行评价分级。除了单位质量的能量、单位体积的能量和系统复杂性这3项通用化的评价指标以外，剩余的4项评价指标与自主水下航行器的工作特性和使用环境密切相关。在选择氢气和氧气的储存方案时，除了能量密度相关的通用化的评价指标，着重考察了燃料电池系统在AUV上集成应用所产生的设计约束和环境条件。

进一步考查文献[16]中的评价指标，并结合其实际选用的反应物储存方案可以看出，对于氢气储存方案，系统复杂性、运行过程中的浮力变化以及深度的独立性3项获得了较高的评分，与这种储存方案评分类似的还包括金属氢化物的储存方案；对于氧气的储存方案，深度的独立性和运行过程中的浮力变化2项获得了较高的评分，备选方案中的液氧储存方案与实际选用的方案在评分上较为接近，除了深度的独立性这项指标。

文献[19]针对用于AUV的混合燃料电池动力系统的燃料储存方案和系统整体的热平衡进行了多种方案的对比评价，提出了单位质量的能量、单位体积的能量、单位体积的质量、总热量、储存热量共5个评价指标。其中，总热量是指混合燃料电池动力系统所产生的总热量，与系统整体所需的冷却直接相关；储存热量是指局部产生的热量或仅用于储罐释放气体并将其带到燃料电池工作温度所需的热量，这种储存热量决定了局部的加热或冷却需求。

对不同氢气和氧气储存形式进行排列组合，并对得到的9种储存方案进行多目标的决策评价，得出各种存储形式组合方案的评分。评价结果显示得分最高的前3种方案是液氢-液氧的储存方案、液氢-压缩氧气储存方案以及压缩氢气-液氧储存方案；得分最低的后3种方案是压缩氢气-过氧化氢储存方案、压缩氢气-压缩氧气储存方案以及金属氢化物-液氧（或者金属氢化物-过氧化氢）储存方案。

其中，液氢-液氧的储存方案获得最高评分，显示出该种存储方案的巨大优势，这一结果并不出人意料。而评分最低的储存方案为压缩氢气-过氧化氢储存方案，由于过氧化氢作为氧气来源，在释放氧气过程种会放热，对系统整体的热量平衡（对应评价指标总热量）造成不利影响。

在实际的氢氧燃料驱动的自主水下航行器工程样机研制中，评分最高的液氢-液氧的储存方案未见公开文献和相关报道，反而是评分最低的压缩氢气-过氧化氢储存方案、压缩氢气-压缩氧气储存方案得到了实际的原型开发和测试应用。这一显著的反差表明工程研制过程中除了上述5个评价指标以外的诸多考虑因素，包括安全性、成本造价、系统复杂程度、运行稳定性以及技术成熟度等工程技术和社会经济层面的综合影响。

3 系统原型开发及试验测试

由于水下环境带来的特殊挑战和质子交换膜燃料电池本身的复杂性，绝大部分的系统原型只是停留在陆地测试阶段，只有有限的几个系统原型开发与测试过程涉及到了水下密闭环境。少量的企业提供了适用于水下环境的商用化产品，包括在自主水下航行器上集成使用的燃料电池能源舱段以及可以独立对外供电作为水下能源节点的水下燃料电池系统。

3.1 日本海洋研究开发机构

日本海洋研究开发机构搭建了一套用作水下能量来源的燃料电池系统^[20-22]，其主要特点是无需气体再循环鼓风机和加湿器、显著减少的氢气泄漏。系统效率超过60%，减小辅助设备的功耗，并经受住了600 h的连续运行测试。

开发的燃料电池系统原型使用纯氢和纯氧作为反应物，并以压缩气体形式分别储存在2个10 L的气瓶中，反应物的入口气体压力均为3 bar，系统功率为300 W，由2个150 W电堆提供。该系统原型通过母船拖曳的方式在真实海域进行了海试，测试过程的最大功率达到403.5 W。

针对氢气和氧气的储存方案，日本海洋研究开发机构总结了第1代燃料电池系统在海试过程中的主要技术问题：1）双壳体结构，重量重；2）需要热源来释放氢气；3）氧气以高压气体的形式储存。针对上述问题，需要开发新一代的反应物储存方案，主要目标是实现：1）氢气和氧气的大量储存；2）紧凑尺寸；3）重量轻，单壳体结构的储氢容器；4）氢气的释放不需要热源；5）氢气高效储存；6）通过某种材料储存氧气。

3.2 我国台湾地区研究机构

我国台湾地区研究机构开展了由质子交换膜燃料电池和铅酸蓄电池组成的混合动力系统驱动的小型水下航行器原型的设计、制造和测试^[23-24]。燃料电池系统的额定功率为1 kW，氢气和氧气均以压缩气体的形式储存在高压气瓶中，储存压力均为10.78 MPa，燃料电池反应物的入口气体压力均为4.14 bar。在人工湖中对该小型水下航行器原型进行测试，获取了不同航速下的燃料电池电堆的电压、电流和功率，最大航速超过1 kn。测试结果表明，燃料电池自身设备消耗的功率为260 W，与使用空气作为氧化剂相比，使用纯氧作为氧化剂可以将电推的最大输出功率提高32%。测试结果证实了PEMFC系统在水中运行的可行性，水下航行器原型的测试证明了燃料电池驱动的水下航行器概念。

3.3 德国弗劳恩霍夫化学技术研究所

德国弗劳恩霍夫化学技术研究所针对AUV上搭载使用的环境条件，设计了一套封闭式的燃料电池系统^[15,25]。基于水下环境约束条件，采用商用化的电堆设计了一套包含反应物供应和冷却子系统的燃料电池系统。氢气流以“死端阳极”模式输送到电堆。反应物均以压缩气体形式储存在气瓶中，储存压力为20 MPa。系统的输出功率范围2.25～2.5 kW。在以纯氧供应的条件下，燃料电池可以连续平稳运行24 h。为了分析由于气瓶中的少量杂质惰性气体在电堆中聚集造成电堆运行失败的情况，通过向阴极气体供应中添加氮气，模拟惰性气体的积累并测试其对电堆运行的影响。测试结果表明，在试验设置的工作条件下燃料电池可以稳定运行直到积聚的惰性气体达到临界浓度。

3.4 挪威国防研究机构

挪威国防研究机构开发了一套技术成熟度等级明显提高的燃料电池系统^[16,26]，其额定功率为1 kW,电堆选用了加拿大Ballard公司的商用化成品，并在水槽中进行了24 h的功能演示。在初步方案中，氢气以压缩氢气的形式储存在高压钢瓶中，储存压力为20 MPa。氧气的储存方案使用了工业级50%浓度的过氧化氢，并存储在能够被周围海水加压的塑料袋中，过氧化氢在氧气发生器中通过催化剂分解成氧气和水并释放出热量。

搭建的燃料电池系统原型样机在水下密闭环境中进行的24 h连续测试表明，系统在整个测试过程中全自动运行，表现出稳定可靠的性能，只有极小的可恢复电压下降。连续的测试过程除了记录燃料电池电堆的电流和电压，还监测了电堆所处密闭容器中的相对湿度、空气压力和温度，电堆启动平稳后各项数值一直稳定在可接受范围内的水平。密闭容器中的氢气浓度和氧气浓度的持续监测结果表明，观察到的氢气浓度不会造成任何安全问题，观测值远低于4%的爆炸下限。

4 结　语

将燃料电池技术应用于水下封闭环境，作为自主水下航行器的能源舱段或者独立的水下能源节点，将显著提升水下无人系统的持续工作时间并对其运营方式产生变革性影响。在实现这一愿景之前，仍然面临许多工程技术挑战和经济成本制约。本文回顾了近十年应用于自主水下航行器上的燃料电池技术取得的研究进展，反应物的储存方案一直是研究的热点，尽管液氢-液氧的储存方式提供了显著的优势，但是还未获得实际应用，仍停留在实验室陆地测试阶段。在系统级的设计中，对反应物供应回路和电堆内部的循环通路进行优化设计将提升系统整体的效率，由燃料电池和锂离子电池组成的混合动力系统将获得更好的启动特性和动态负载响应特性。由于燃料电池系统涉及到多专业学科、具有复杂的系统组成和外部接口以及安全因素和经济成本制约等原因，在系统原型开发和测试上的研究进展有限，目前依然停留在陆地测试、室内水槽测试，极少数的研究机构开展了湖试和海试等外场试验。

在未来的研究中，需要着重考虑水下封闭环境以及自主水下航行器这一特定集成平台造成的设计约束，在反应物储存方式评价指标体系、系统级的设计以及系统原型开发中给与足够的重视，形成适用于这一特定领域的解决方案和理论指导，以加速燃料电池技术在水下密闭环境中的工程实际应用。