馬哲松，劉 敏，張 昊，王心亮

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430205)

0 引言

自主水下航行器（AUV）作為一種無人自主平臺，通過搭載不同的任務(wù)載荷和多樣化的傳感器，在海洋科學(xué)調(diào)查、海洋油氣工業(yè)和國防軍事領(lǐng)域發(fā)揮著越來越顯著的作用[1–2]。目前的自主水下航行器一般使用鋰離子電池作為能源，常用的商用化自主水下航行器工作時間為12～48 h，航速一般為2～4 kn。能源瓶頸不僅制約了利用自主水下航行器開展大范圍長周期的海洋觀測和數(shù)據(jù)收集任務(wù)，對能夠集成的傳感器也造成了很多限制。

燃料電池由于極高的能量密度、不受卡諾循環(huán)限制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率以及安靜特性，獲得持續(xù)不斷的研究[3]。作為一種可以替代鋰電池的潛在能源形式，將顯著提升自主水下航行器的航程和工作時間[4]。目前已用于自主水下航行器的燃料電池類型包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）[5]、直接甲醇燃料電池（DMFC）[6]和固體氧化物燃料電池（SOFC）[7–8]，不同類型的燃料電池的反應(yīng)溫度、燃料類型、反應(yīng)產(chǎn)物和運行過程中的控制條件也不相同。PEMFC受益于新能源汽車工業(yè)的快速發(fā)展，其技術(shù)成熟度最高、尺寸相對緊湊，將最有可能在AUV 上得到規(guī)模化的商業(yè)應(yīng)用[9]。本文研究限于PEMFC，非特別說明，文中的燃料電池均指PEMFC。

文獻[10–11]介紹了2003～2013年期間應(yīng)用于AUV 的燃料電池動力系統(tǒng)原型開發(fā)和方案設(shè)計研究，分析了可能的商用化和實驗室階段的燃料電池電堆選項。指出反應(yīng)物儲存是AUV 動力系統(tǒng)中的一個重要問題，將直接影響AUV 的工作時間和能源系統(tǒng)的效率。燃料電池驅(qū)動的AUV 中反應(yīng)物儲存是一項活躍的研究領(lǐng)域，并概述了用于AUV 上燃料電池的幾種主要氫氣和氧氣儲存方案。

文獻[12]回顧了2002～2020年期間應(yīng)用于水下無人航行器的燃料電池原型開發(fā)、研究項目及其反應(yīng)物儲存方式，其燃料電池類型包括了PEMFC、DMFC 和SOFC。指出由于供應(yīng)純氧并以閉式循環(huán)操作[13]，應(yīng)用于水下密閉環(huán)境的燃料電池不同于陸地應(yīng)用的燃料電池，需要在膜電極組件、雙極板和安全措施上做出調(diào)整。對比不同形式的燃料和氧化劑儲存方式并指出鋁-水反應(yīng)[14]是提供氫氣的最佳方法、高氯酸鋰是提供氧氣的最佳方法。

上述文獻研究缺乏對水下密閉環(huán)境所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)的關(guān)注，在評估反應(yīng)物儲存方式時，依然沿用能量密度、功率密度、比能量這些傳統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，沒有建立針對性的評價指標(biāo)體系。將PEMFC集成在自主水下航行器上不僅面臨水下密閉空間持續(xù)穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)，同時涉及到集成平臺帶來的額外設(shè)計約束。作為一項自主水下航行器和燃料電池技術(shù)的交叉技術(shù)領(lǐng)域，目前的研究仍然分散，缺乏系統(tǒng)層面的完整考慮和對比分析，特別是在反應(yīng)物儲存方式和燃料電池系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計，對集成平臺和水下環(huán)境的特殊性缺乏足夠的重視，導(dǎo)致相應(yīng)的對比結(jié)果和研究結(jié)論不能有效地指導(dǎo)系統(tǒng)原型開發(fā)和工程實際應(yīng)用。

本文基于公開發(fā)表的文獻，對近十年應(yīng)用于自主水下航行器上的質(zhì)子交換膜燃料電池研究進展進行綜述，主要圍繞自主水下航行器集成平臺對燃料電池帶來的設(shè)計約束、反應(yīng)物的儲存方案和評價指標(biāo)、系統(tǒng)原型開發(fā)和試驗測試幾個方面。

1 水下密閉環(huán)境與集成平臺的設(shè)計約束

由于水下密閉環(huán)境和自主水下航行器這一特定的集成平臺，使得應(yīng)用于自主水下航行器上的燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)的陸地車用燃料電池系統(tǒng)不同，一個最顯著的區(qū)別是自主水下航行器上的燃料電池系統(tǒng)需要同時攜帶氫氣和氧氣，以不依賴于空氣的方式持續(xù)穩(wěn)定運行。自主水下航行器在水下航行過程中，主要依靠浮力平衡自身的重力，尾部推進器用于克服航行過程中的流體阻力。為了確保在發(fā)生故障的情況下自主水下航行器能夠上浮到水面與岸基的地面站或者支持母船進行通信并等待救援，自主水下航行器一般設(shè)置成微小的正浮力。為了在水中進行定深巡航，需要通過控制尾部的水平舵保持航行深度。

文獻[15]列出了由于周圍海水環(huán)境導(dǎo)致將燃料電池系統(tǒng)用于水下場合的挑戰(zhàn)：無法獲取周圍的空氣，因此需要同時攜帶氧氣；由于AUV 外部環(huán)境壓力高，向AUV 外部環(huán)境排放產(chǎn)物受到阻礙；不需要將反應(yīng)產(chǎn)物水排除以免影響AUV 整體浮力；燃料電池系統(tǒng)需要容納在耐壓容器中以承受周圍高壓海水環(huán)境。

文獻[16]指出燃料電池是實現(xiàn)長航時AUV 的一項關(guān)鍵技術(shù)，并提出了燃料電池在水下封閉環(huán)境操作的若干挑戰(zhàn)，具體包括氫氣的儲存、氧氣的儲存、浮力和配平、周圍海水環(huán)境、密閉容器中的運行。浮力和配平與自主水下航行器的工作特性密切相關(guān)，由于AUV 在水中需要保持中性浮力，與之集成的燃料電池系統(tǒng)也需要保持中性浮力，并確保在整個運行過程中不會改變浮力特性。然而，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)為正浮力時可以減少AUV 整體的浮力單元體積，正浮力特性的燃料電池系統(tǒng)被當(dāng)作一項優(yōu)選方案。配平是指AUV 重心和浮心的相對位置調(diào)整，由于運行過程中燃料電池的反應(yīng)物被持續(xù)消耗，需要關(guān)注是否會引起AUV 整體重心和浮心相對位置的變化，否則需要采取額外措施和硬件設(shè)備進行配平。

燃料電池在密閉容器中的運行會帶來更多與惰性氣體或反應(yīng)物的冷凝、冷卻和積聚有關(guān)的挑戰(zhàn)。惰性氣體的聚集會降低燃料電池系統(tǒng)的輸出特性，密閉空間中的氫氣泄漏以及氫氣和氧氣的混合會造成安全風(fēng)險。對于水下環(huán)境，周圍海水提供了理想的熱沉，一般通過水冷的方式將燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出到周圍海水介質(zhì)中。當(dāng)從系統(tǒng)層面考慮熱量平衡時，將有助于減少燃料電池系統(tǒng)與外界海水的熱量交換，以減少對周圍環(huán)境造成的溫度擾動，進一步提高水下無人系統(tǒng)的隱蔽性。

2 反應(yīng)物儲存方案及其評價體系

反應(yīng)物的儲存方式一直是一個活躍的研究領(lǐng)域[17]，氫氣和氧氣的儲存方式及其組合方案顯著影響系統(tǒng)整體的能量密度和比能量，不同儲存方式涉及到的技術(shù)成熟度和系統(tǒng)復(fù)雜度也相差明顯。在評估對比不同的反應(yīng)物儲存方式時，研究人員提出了多個不同的評價指標(biāo)體系，當(dāng)考慮到水下密閉環(huán)境以及自主水下航行器集成平臺的約束時，合理的評價指標(biāo)體系將導(dǎo)致更有指導(dǎo)價值的候選儲存方案。

文獻[11]針對3種反應(yīng)物儲存組合方案（液氫-液氧、壓縮氫氣-壓縮氧氣、金屬氫化物-液氧）和2種型號的商用化電堆，一共設(shè)計了6種簡化的能源系統(tǒng)方案，并估算了不同方案中系統(tǒng)整體單位體積的能量和單位質(zhì)量的能量。

高能量密度的能源系統(tǒng)在發(fā)揮自主水下航行器的操作性能上具有重要作用，文獻[18]通過對不同的能源系統(tǒng)在能量密度、工作時間、安全性、成本和后勤保障方面進行對比得出，氫氧燃料電池和鋰電池代表了最有前途的技術(shù)。

文獻[16]提出了單位質(zhì)量的能量、單位體積的能量、浮力、運行過程中的浮力變化、中性浮力時的能量密度、系統(tǒng)復(fù)雜性、深度的獨立性共7項評價指標(biāo)，對不同的反應(yīng)物儲存方案進行評價分級。除了單位質(zhì)量的能量、單位體積的能量和系統(tǒng)復(fù)雜性這3項通用化的評價指標(biāo)以外，剩余的4項評價指標(biāo)與自主水下航行器的工作特性和使用環(huán)境密切相關(guān)。在選擇氫氣和氧氣的儲存方案時，除了能量密度相關(guān)的通用化的評價指標(biāo)，著重考察了燃料電池系統(tǒng)在AUV上集成應(yīng)用所產(chǎn)生的設(shè)計約束和環(huán)境條件。

進一步考查文獻[16]中的評價指標(biāo)，并結(jié)合其實際選用的反應(yīng)物儲存方案可以看出，對于氫氣儲存方案，系統(tǒng)復(fù)雜性、運行過程中的浮力變化以及深度的獨立性3項獲得了較高的評分，與這種儲存方案評分類似的還包括金屬氫化物的儲存方案；對于氧氣的儲存方案，深度的獨立性和運行過程中的浮力變化2項獲得了較高的評分，備選方案中的液氧儲存方案與實際選用的方案在評分上較為接近，除了深度的獨立性這項指標(biāo)。

文獻[19]針對用于AUV 的混合燃料電池動力系統(tǒng)的燃料儲存方案和系統(tǒng)整體的熱平衡進行了多種方案的對比評價，提出了單位質(zhì)量的能量、單位體積的能量、單位體積的質(zhì)量、總熱量、儲存熱量共5 個評價指標(biāo)。其中，總熱量是指混合燃料電池動力系統(tǒng)所產(chǎn)生的總熱量，與系統(tǒng)整體所需的冷卻直接相關(guān)；儲存熱量是指局部產(chǎn)生的熱量或僅用于儲罐釋放氣體并將其帶到燃料電池工作溫度所需的熱量，這種儲存熱量決定了局部的加熱或冷卻需求。

表1 水下應(yīng)用中的氫氣儲存媒介性能評級[16]Tab.1 Ranking of propertiesfor a selection of hydrogen storage media for underwater use

表2 水下應(yīng)用中的氧氣儲存媒介性能評級[16]Tab.2 Ranking of propertiesfor a selection of oxygen storage media for underwater use

對不同氫氣和氧氣儲存形式進行排列組合，并對得到的9種儲存方案進行多目標(biāo)的決策評價，得出各種存儲形式組合方案的評分。評價結(jié)果顯示得分最高的前3種方案是液氫-液氧的儲存方案、液氫-壓縮氧氣儲存方案以及壓縮氫氣-液氧儲存方案；得分最低的后3種方案是壓縮氫氣-過氧化氫儲存方案、壓縮氫氣-壓縮氧氣儲存方案以及金屬氫化物-液氧（或者金屬氫化物-過氧化氫）儲存方案。

表3 在AUV 任務(wù)中不同能量儲存方案的性能評級[19]Tab.3 Ranking of thedifferent alternatives of energy-storagesystems to perform the AUV mission

其中，液氫-液氧的儲存方案獲得最高評分，顯示出該種存儲方案的巨大優(yōu)勢，這一結(jié)果并不出人意料。而評分最低的儲存方案為壓縮氫氣-過氧化氫儲存方案，由于過氧化氫作為氧氣來源，在釋放氧氣過程種會放熱，對系統(tǒng)整體的熱量平衡（對應(yīng)評價指標(biāo)總熱量）造成不利影響。

在實際的氫氧燃料驅(qū)動的自主水下航行器工程樣機研制中，評分最高的液氫-液氧的儲存方案未見公開文獻和相關(guān)報道，反而是評分最低的壓縮氫氣-過氧化氫儲存方案、壓縮氫氣-壓縮氧氣儲存方案得到了實際的原型開發(fā)和測試應(yīng)用。這一顯著的反差表明工程研制過程中除了上述5個評價指標(biāo)以外的諸多考慮因素，包括安全性、成本造價、系統(tǒng)復(fù)雜程度、運行穩(wěn)定性以及技術(shù)成熟度等工程技術(shù)和社會經(jīng)濟層面的綜合影響。

3 系統(tǒng)原型開發(fā)及試驗測試

由于水下環(huán)境帶來的特殊挑戰(zhàn)和質(zhì)子交換膜燃料電池本身的復(fù)雜性，絕大部分的系統(tǒng)原型只是停留在陸地測試階段，只有有限的幾個系統(tǒng)原型開發(fā)與測試過程涉及到了水下密閉環(huán)境。少量的企業(yè)提供了適用于水下環(huán)境的商用化產(chǎn)品，包括在自主水下航行器上集成使用的燃料電池能源艙段以及可以獨立對外供電作為水下能源節(jié)點的水下燃料電池系統(tǒng)。

3.1 日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)

日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)搭建了一套用作水下能量來源的燃料電池系統(tǒng)[20–22]，其主要特點是無需氣體再循環(huán)鼓風(fēng)機和加濕器、顯著減少的氫氣泄漏。系統(tǒng)效率超過60%，減小輔助設(shè)備的功耗，并經(jīng)受住了600 h的連續(xù)運行測試。

開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)原型使用純氫和純氧作為反應(yīng)物，并以壓縮氣體形式分別儲存在2 個10 L 的氣瓶中，反應(yīng)物的入口氣體壓力均為3 bar，系統(tǒng)功率為300 W，由2個150 W 電堆提供。該系統(tǒng)原型通過母船拖曳的方式在真實海域進行了海試，測試過程的最大功率達到403.5 W。

針對氫氣和氧氣的儲存方案，日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)總結(jié)了第1代燃料電池系統(tǒng)在海試過程中的主要技術(shù)問題：1）雙殼體結(jié)構(gòu)，重量重；2）需要熱源來釋放氫氣；3）氧氣以高壓氣體的形式儲存。針對上述問題，需要開發(fā)新一代的反應(yīng)物儲存方案，主要目標(biāo)是實現(xiàn)：1）氫氣和氧氣的大量儲存；2）緊湊尺寸；3）重量輕，單殼體結(jié)構(gòu)的儲氫容器；4）氫氣的釋放不需要熱源；5）氫氣高效儲存；6）通過某種材料儲存氧氣。

3.2 我國臺灣地區(qū)研究機構(gòu)

我國臺灣地區(qū)研究機構(gòu)開展了由質(zhì)子交換膜燃料電池和鉛酸蓄電池組成的混合動力系統(tǒng)驅(qū)動的小型水下航行器原型的設(shè)計、制造和測試[23–24]。燃料電池系統(tǒng)的額定功率為1 kW，氫氣和氧氣均以壓縮氣體的形式儲存在高壓氣瓶中，儲存壓力均為10.78 MPa，燃料電池反應(yīng)物的入口氣體壓力均為4.14 bar。在人工湖中對該小型水下航行器原型進行測試，獲取了不同航速下的燃料電池電堆的電壓、電流和功率，最大航速超過1 kn。測試結(jié)果表明，燃料電池自身設(shè)備消耗的功率為260 W，與使用空氣作為氧化劑相比，使用純氧作為氧化劑可以將電推的最大輸出功率提高32%。測試結(jié)果證實了PEMFC系統(tǒng)在水中運行的可行性，水下航行器原型的測試證明了燃料電池驅(qū)動的水下航行器概念。

3.3 德國弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所

德國弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所針對AUV 上搭載使用的環(huán)境條件，設(shè)計了一套封閉式的燃料電池系統(tǒng)[15,25]?；谒颅h(huán)境約束條件，采用商用化的電堆設(shè)計了一套包含反應(yīng)物供應(yīng)和冷卻子系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。氫氣流以“死端陽極”模式輸送到電堆。反應(yīng)物均以壓縮氣體形式儲存在氣瓶中，儲存壓力為20 MPa。系統(tǒng)的輸出功率范圍2.25 kW～2.5 kW。在以純氧供應(yīng)的條件下，燃料電池可以連續(xù)平穩(wěn)運行24 h。為了分析由于氣瓶中的少量雜質(zhì)惰性氣體在電堆中聚集造成電堆運行失敗的情況，通過向陰極氣體供應(yīng)中添加氮氣，模擬惰性氣體的積累并測試其對電堆運行的影響。測試結(jié)果表明，在試驗設(shè)置的工作條件下燃料電池可以穩(wěn)定運行直到積聚的惰性氣體達到臨界濃度。

3.4 挪威國防研究機構(gòu)

挪威國防研究機構(gòu)開發(fā)了一套技術(shù)成熟度等級明顯提高的燃料電池系統(tǒng)[16,26]，其額定功率為1 kW,電堆選用了加拿大Ballard 公司的商用化成品，并在水槽中進行了24 h 的功能演示。在初步方案中，氫氣以壓縮氫氣的形式儲存在高壓鋼瓶中，儲存壓力為20 MPa。氧氣的儲存方案使用了工業(yè)級50%濃度的過氧化氫，并存儲在能夠被周圍海水加壓的塑料袋中，過氧化氫在氧氣發(fā)生器中通過催化劑分解成氧氣和水并釋放出熱量。

搭建的燃料電池系統(tǒng)原型樣機在水下密閉環(huán)境中進行的24 h 連續(xù)測試表明，系統(tǒng)在整個測試過程中全自動運行，表現(xiàn)出穩(wěn)定可靠的性能，只有極小的可恢復(fù)電壓下降。連續(xù)的測試過程除了記錄燃料電池電堆的電流和電壓，還監(jiān)測了電堆所處密閉容器中的相對濕度、空氣壓力和溫度，電堆啟動平穩(wěn)后各項數(shù)值一直穩(wěn)定在可接受范圍內(nèi)的水平。密閉容器中的氫氣濃度和氧氣濃度的持續(xù)監(jiān)測結(jié)果表明，觀察到的氫氣濃度不會造成任何安全問題，觀測值遠低于4%的爆炸下限。

4 結(jié)語

將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于水下封閉環(huán)境，作為自主水下航行器的能源艙段或者獨立的水下能源節(jié)點，將顯著提升水下無人系統(tǒng)的持續(xù)工作時間并對其運營方式產(chǎn)生變革性影響。在實現(xiàn)這一愿景之前，仍然面臨許多工程技術(shù)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟成本制約。本文回顧了近十年應(yīng)用于自主水下航行器上的燃料電池技術(shù)取得的研究進展，反應(yīng)物的儲存方案一直是研究的熱點，盡管液氫-液氧的儲存方式提供了顯著的優(yōu)勢，但是還未獲得實際應(yīng)用，仍停留在實驗室陸地測試階段。在系統(tǒng)級的設(shè)計中，對反應(yīng)物供應(yīng)回路和電堆內(nèi)部的循環(huán)通路進行優(yōu)化設(shè)計將提升系統(tǒng)整體的效率，由燃料電池和鋰離子電池組成的混合動力系統(tǒng)將獲得更好的啟動特性和動態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。由于燃料電池系統(tǒng)涉及到多專業(yè)學(xué)科、具有復(fù)雜的系統(tǒng)組成和外部接口以及安全因素和經(jīng)濟成本制約等原因，在系統(tǒng)原型開發(fā)和測試上的研究進展有限，目前依然停留在陸地測試、室內(nèi)水槽測試，極少數(shù)的研究機構(gòu)開展了湖試和海試等外場試驗。

在未來的研究中，需要著重考慮水下封閉環(huán)境以及自主水下航行器這一特定集成平臺造成的設(shè)計約束，在反應(yīng)物儲存方式評價指標(biāo)體系、系統(tǒng)級的設(shè)計以及系統(tǒng)原型開發(fā)中給與足夠的重視，形成適用于這一特定領(lǐng)域的解決方案和理論指導(dǎo)，以加速燃料電池技術(shù)在水下密閉環(huán)境中的工程實際應(yīng)用。