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        密閉環(huán)境燃料電池系統(tǒng)研究進展

        2022-10-20 06:44:08李紅享項福軍葉東浩
        船電技術(shù) 2022年10期

        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(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,武漢 430064)

        本文總結(jié)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(lǐng)域應(yīng)用的可能性,并與鋰離子電池和質(zhì)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(jié)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(shè)計。

        UUV SOFC 動力系統(tǒng)

        0 引言

        海洋蘊藏著豐富資源,建設(shè)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(wù)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(shù)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(guān)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(zhuǎn)換效率以及高能量密度反應(yīng)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(nèi)外UUV動力源現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)品性能參數(shù)[3],在中小型和近海探測型UUV領(lǐng)域,高比能、高安全性的鋰電池仍具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

        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(shù)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(yīng)性強。

        表1 世界各國UUV動力蓄電池應(yīng)用現(xiàn)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(gòu)成的電池組中,電池之間的內(nèi)阻、開路電壓、容量的一致性會造成對電池組內(nèi)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(yīng)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)重整后轉(zhuǎn)換的氫都存在生產(chǎn)、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(dǎo)致制造工藝相對比較復(fù)雜,給使用和維護帶來很多困難;

        3)燃料電池動態(tài)響應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(wù)要求將更加多元化和復(fù)雜化,未來UUV將必須具備更長時間的執(zhí)行任務(wù)能力,新的能源必須為UUV提供更長的續(xù)航力,如數(shù)月、甚至數(shù)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(shù)天或數(shù)周執(zhí)行其任務(wù),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(xiàn)在以下幾方面:1)更高的比能量,在有限的質(zhì)量和空間下實現(xiàn)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(shù)成熟且安全可靠。

        2 UUV用SOFC動力系統(tǒng)應(yīng)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(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

        2.1 SOFC工作原理及特點

        SOFC電化學(xué)裝置把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)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(zhì)組成。

        在陽極一側(cè)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(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣,具有多孔結(jié)構(gòu)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(xué)勢的作用下,O- 2進入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體,由于濃度梯度引起擴散,最終到達固體電解質(zhì)與陽極的界面,與燃料氣體發(fā)生反應(yīng),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(yīng)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(zhì)、陰極和陽極,原材料以中國稀土元素為主,具有全固態(tài)結(jié)構(gòu),不存在電解質(zhì)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(shù)小時升溫才能達到工作溫度;

        2)國外SOFC技術(shù)已布局發(fā)展二三十年,國內(nèi)剛剛起步,技術(shù)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(zhì)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(xué)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(jù)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(shù)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(dāng)大、重,并根據(jù)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(zhì)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(chǎn)物CO2的處理問題。若采用化學(xué)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(shù),大量的吸附劑過多占用了UUV寶貴的儲存空間和攜帶質(zhì)量。若采用CO2消融[10,11]或增壓直排,不小的設(shè)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(shè)計

        根據(jù)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(jīng)換熱、脫硫、去離子和重整后為SOFC電堆提供電化學(xué)反應(yīng)原料產(chǎn)生電能,未完全反應(yīng)的燃料在燃燒器中進行完全氧化。煙氣經(jīng)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(chǎn)生的電能經(jīng)直流變換裝置并入UUV電網(wǎng),UUV工況變化導(dǎo)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(jié)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(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颍瑢τ谖覈M軍遠海領(lǐng)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

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