密閉環(huán)境燃料電池系統(tǒng)研究進展

李紅享，項福軍，劉 強，葉東浩，王 傲

綜述

密閉環(huán)境燃料電池系統(tǒng)研究進展

李紅享1, 2，項福軍1, 2，劉 強1, 2，葉東浩1, 2，王 傲1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢氫能與燃料電池產業(yè)技術研究院有限公司，武漢 430064）

本文總結分析了近年來國外水下無人潛航器（UUV）動力系統(tǒng)的類別與發(fā)展趨勢和未來UUV用動力源的需求，探討了固體氧化物燃料電池（SOFC）在UUV領域應用的可能性，并與鋰離子電池和質子交換膜燃料電池（PEM）進行對比，分析其各自的優(yōu)缺點。最后結合UUV的實際使用環(huán)境和運行工況，提出了一種UUV用SOFC動力系統(tǒng)的總體設計。

UUV SOFC 動力系統(tǒng)

0 引言

海洋蘊藏著豐富資源，建設海洋強國離不開水下機器人、水下無人航行器（UUV）[1]、水下載人潛器和潛艇等高性能的深海裝備。世界對能夠自主完成各種任務的先進自主水下航行器（AUV）[2]的需求日益增長。

UUV的性能參數中最重要的是續(xù)航里程和時長，是影響深海裝備性能發(fā)展的關鍵因素。目前的無人潛航器通常由鋰電池供電，這種能源方式的能量密度相對較低，限制了無人潛航器的續(xù)航能力和續(xù)航能力。另一方面，燃料電池的高能量轉換效率以及高能量密度反應物的存儲可能為UUV，特別是大型和超大型UUV提供更長的航程和續(xù)航時間，是各國爭先研究的重點方向。

1 國內外UUV動力源現狀

1.1 UUV鋰電動力發(fā)展

相比鉛酸、鎳氫等二次電池，鋰離子電池具有較高的比能量和循環(huán)充放電壽命，使用成本合適，在21世紀初開始大量應用于AUV上。目前成熟的鋰離子電池能量密度能達到300 Wh/kg，循環(huán)壽命3000次以上，使AUV的續(xù)航里程和時長得到了大幅提升。表1是世界各國采用蓄電池方案的成熟UUV產品性能參數[3]，在中小型和近海探測型UUV領域，高比能、高安全性的鋰電池仍具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/p>

1.1.1 鋰電池優(yōu)點

1）相比傳統(tǒng)鉛酸、鎳鎘電池等，具有高儲存能量密度；

2）使用壽命長，可循環(huán)充放電次數高；

3）額定電壓高，約等于3只鎳鎘、鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓；

4）具有高功率承受力，其中磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15～30C充放電的能力，適配UUV啟停工況時的大功率波動；

5）自放電率很低，目前一般可做到1%/月以下，不到鎳氫電池的1/20；

6）工作溫度-20～60℃，水下環(huán)境適應性強。

表1 世界各國UUV動力蓄電池應用現狀

1.1.2 鋰電池缺點

1）能量密度受限：隨著下一代UUV對于續(xù)航里程的需求不斷提高，目前鋰離子電池的能量密度難以滿足下一代UUV的要求。

2）安全性問題：多節(jié)電池(電芯)通過串聯(lián)、并聯(lián)以及串并混聯(lián)構成的電池組中，電池之間的內阻、開路電壓、容量的一致性會造成對電池組內部的某一電池或電池并聯(lián)塊的過壓充電、欠壓放電等，從而引起漏液、過熱等安全問題[4]。

1.2 UUV燃料電池動力發(fā)展

二十一世紀初左右，日本、德國、法國等都有燃料電池UUV應用實例，美國是其中投入精力最大的。美國計劃在2030年前組建一支由2000艘不同級別無人潛航器組成的水下艦隊，為了滿足長期情報監(jiān)視偵查或作戰(zhàn)需求，需研發(fā)長續(xù)航力、高可靠性的能源動力系統(tǒng)，將現有無人潛航器續(xù)航時間從10～40 h延長至幾天甚至幾周[5][6]，所以美國開始重視水下燃料電池動力系統(tǒng)的研發(fā)。表2為世界各國已投入使用的燃料電池UUV產品或科研樣機。

燃料電池具有如下優(yōu)點：1）發(fā)電效率高，比能量高；2）燃料范圍廣；3）環(huán)境污染小，排放零污染；4）運行平穩(wěn)，振動和噪聲小。

燃料電池缺點如下：

1）目前運用較多的質子交換膜燃料電池（PEMFC）的燃料來源為高純度氫氣，目前不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫、金屬儲氫、碳氫物質重整后轉換的氫都存在生產、儲存、運輸、灌裝問題，對安全性要求較高；

2）由于燃料的特殊性，要求單體電池間的電極連接時，必須有嚴格的密封，否則燃料會泄露到燃料電池的外面，降低了燃料的利用率并影響整體系統(tǒng)的安全性。密封的嚴格要求，導致制造工藝相對比較復雜，給使用和維護帶來很多困難；

3）燃料電池動態(tài)響應具有一定的遲滯性，因此，燃料電池供電系統(tǒng)中需要一個輔助蓄電池（一般為鋰電池）與燃料電池并聯(lián)，當UUV工況變化時由輔助電源的充放電來平衡負載功率的波動。燃料電池發(fā)揮供電時間長、效率高等優(yōu)勢；輔助供電裝置發(fā)揮其響應快、可雙向充放電等優(yōu)點。

燃料電池由于其較高的理論比能量和燃料利用率，非常適合作為長航程中大型UUV的主電源[7]。下一步，如何提高氫和氧在系統(tǒng)中所占比重、降低輔機功耗以及最大程度降低成本和維護時間是燃料電池在UUV動力系統(tǒng)中大規(guī)模推廣應用迫切需要解決的重要難點。

1.3 UUV動力源未來需求

未來UUV的任務要求將更加多元化和復雜化，未來UUV將必須具備更長時間的執(zhí)行任務能力，新的能源必須為UUV提供更長的續(xù)航力，如數月、甚至數年以上。UUV從艦艇或岸基發(fā)射，自主航行至目標海域停留數天或數周執(zhí)行其任務，這就對UUV的續(xù)航能力提出了更高的要求，未來UUV動力電源的需求主要體現在以下幾方面：1）更高的比能量，在有限的質量和空間下實現更長的續(xù)航；2）具有一定的功率特性，能夠滿足UUV航行工況變化的要求；3）成本低、維護方便、技術成熟且安全可靠。

2 UUV用SOFC動力系統(tǒng)應用前景

相比PEMFC，SOFC具有更高的比能量，使UUV具有更長的續(xù)航能力；用碳氫燃料替代高純度氫氣，提高了水下密閉環(huán)境中使用燃料電池的安全性，這兩點對于UUV而言，是極其重要的。所以，SOFC動力系統(tǒng)在水下UUV領域具有良好的應用前景。

2.1 SOFC工作原理及特點

SOFC電化學裝置把反應物的化學能直接轉化為電能，工作溫度較高，一般在800～1000℃。它也是由陽極、陰極及兩極之間的電解質組成。

在陽極一側持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺- 2，在化學勢的作用下，O- 2進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。

2.1.1 SOFC的優(yōu)點

1）電效率高（50%～65%）、比功率適中（1～2 W/cm2）；

2）可直接使用氫氣、烴類（甲烷、丙烷）、甲醇、柴油、煤油等，燃料適應性好，且不必使用貴金屬作催化劑；

3）能提供高溫余熱，熱電聯(lián)用的混合發(fā)電效率達80%～90%；

4）廣泛使用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，原材料以中國稀土元素為主，具有全固態(tài)結構，不存在電解質損失問題。

2.2.2 SOFC的缺點

1）啟動速度太慢，常用平板式SOFC需要數小時升溫才能達到工作溫度；

2）國外SOFC技術已布局發(fā)展二三十年，國內剛剛起步，技術成熟度較低；

3）高溫工作對材料耐性要求高，抗沖擊性能較差。

2.2 UUV SOFC動力系統(tǒng)發(fā)展難點

由于水下環(huán)境中沒有空氣，水下無人潛航器必須儲存氧氣。每種儲存方法的摩爾密度和比質量如表2所示[8]。

表2 國外UUV用燃料電池動力系統(tǒng)具體情況

雖然固體化學儲存或高氯酸鋰(LiClO4)制氧在容量上是最有效的儲存，但控制氧的釋放速率還有待完善。60%的過氧化氫(H2O2)溶液的儲存效率最低，過氧化氫需要額外的存儲空間。壓縮氧氣很容易儲存和控制流量，但根據水下安全要求，壓力限制在3500psi。液氧(LOX)提供了更高的體積氧密度，并且在系統(tǒng)不使用的情況下，它不存在與高壓氣體儲存固有的安全問題。然而，表3中的數值并沒有考慮到保存氧氣源所需的儲罐，儲存液態(tài)氧所需的低溫儲罐將相當大、重，并根據需要對日蒸發(fā)氣（BOG）進行冷卻回收或排放[9]，帶來更多的輔機功率浪費。

表3 氧氣儲存方式比較

另外，與使用高純度氫氣的質子交換膜燃料電池相比，SOFC系統(tǒng)受益于碳氫燃料幾倍于壓縮氫氣的體積能量密度，使用了碳氫燃料的SOFC系統(tǒng)可以獲得更高的比能量（Wh/kg）和能量密度（Wh/L），但是存在水下產物CO2的處理問題。若采用化學吸附如氫氧化鈣顆粒、氫氧化鈉溶液等，考慮到吸附劑的過量系數，大量的吸附劑過多占用了UUV寶貴的儲存空間和攜帶質量。若采用CO2消融[10，11]或增壓直排，不小的設備功率會拉低SOFC動力系統(tǒng)的整體發(fā)電效率。

2.3 UUV SOFC動力系統(tǒng)總體原理設計

根據SOFC發(fā)電模塊和UUV水下工作環(huán)境的特性，本文提出了一種UUV用SOFC動力系統(tǒng)總體方案（圖1）。

圖1 一種UUV用SOFC動力系統(tǒng)總體方案

供氧裝置、燃料裝置、儲水箱分別經換熱、脫硫、去離子和重整后為SOFC電堆提供電化學反應原料產生電能，未完全反應的燃料在燃燒器中進行完全氧化。煙氣經過冷凝分離的水回收到儲水箱，剩余的氣體由尾氣處理裝置處理。電堆產生的電能經直流變換裝置并入UUV電網，UUV工況變化導致的瞬時功率需求波動由蓄電池補償，SOFC發(fā)電系統(tǒng)以額定功率發(fā)電，以保持最佳的燃料利用率來提供UUV最長的續(xù)航能力。

3 結論與展望

二十一世紀是海洋的世紀，未來海洋競爭只會更加火熱，對UUV的動力系統(tǒng)也會有更高的要求：長續(xù)航、低目標、高可靠、易維護、模塊化等等。水下燃料電池動力系統(tǒng)具有燃料利用率和比能量高、振動噪聲低等諸多優(yōu)勢，可使用碳氫燃料的SOFC相比傳統(tǒng)鋰電和更為成熟的PEM，能更好地滿足需求，是水下動力能源領域極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颍瑢τ谖覈M軍遠海領域、成為海洋強國具有重要意義。

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Research progress of fuel cell system in confined environment

Li Hongxiang1, 2, Xiang Fujun1, 2, Liu Qiang1, 2, Ye Donghao1, 2, Wang Ao1, 2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Technology Co. Ltd, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2022）10-0110-04

2022-01-06

李紅享（1993-），男，碩士。研究方向：燃料電池系統(tǒng)集成。E-mail: 550770885@qq.com