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专题研究 RESEARCH

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美国军方推进燃料电池在水下应用的进展

2017-01-16 555浏览 标签: 美国燃料电池水下
一、燃料电池简介


        燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置。所用燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然气等。最常见的是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池,由于燃料价格便宜,无化学危险、对环境无污染,发电后产生纯水和热,这是目前其它所有动力来源无法做到的。燃料电池主要由四部分构成,分别为电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池具有可靠性高、工作效率高、环境友好、安静并可以长时间工作等特点。主要包括质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。燃料电池的种类繁多,目前主要集中在汽车领域、移动电子设备领域、航空航天领域、军事领域以及发电领域,下表为燃料电池分类简介。




▲燃料电池分类简介表




二、美国军方针对燃料电池在UUV与舰艇领域的应用



(一)在无人水下航行器(UUV)的应用


1、美国通用公司与美国海军联合开发无人水下航行器


        2016年6月,通用汽车公司、美国海军研究办公室以及美国海军研究实验室宣布,三者将会合作将汽车氢燃料电池系统用于海军下一代无人水下航行器领域。通用近年来一直在研究,如何用氢燃料电池将氢气转化成比蓄电池续航里程更大的发电媒介。目前无人水下航行器有多种用途,包括水域巡逻和侦察勘测。最近,美国海军研究实验室已评估测试了配备通用汽车燃料电池的无人水下航行器样机。
此次合作是美国海军研发长续航、高可靠的无人水下航行器项目中重要的一环。美国海军需要一个高可靠系统,在无故障前提下可以以相当长的时间周期持续不间断的工作,来达成无人水下航行器数周甚至数月的续航时间。研究显示,美国海军所重视的燃料电池科技,在长续航开发上具有优越性。此外,氢燃料电池不会产生二氧化碳排放,所以更加环保、隐秘。利用氢气发电后,仅有的排放物是水蒸气,添加燃料仅需要几分钟的时间。



2、美国海军与日本防卫省合作开发燃料电池驱动无人水下航行器


        美国能源部“2014年燃料电池技术市场报告”显示,美国海军与日本防卫省合作开发30英尺燃料电池驱动无人水下航行器(UUV),可以执行30天的水下侦察任务。日本防卫省计划出资26亿日元约合2360万美元用于该项目为期4年的研究,截止于2018财年。




3、美国海军研究办公室选定UTC宇航系统公司推进长航时无人潜航器推进系统


       2014年5月14日,美国海军研究办公室(ONR)选定UTC宇航系统公司推进长航时无人潜航器推进系统(LEUVP)的下一阶段研发。随后UTC将继续为21英寸直径的无人潜航器(UUV)开发基于质子交换膜的燃料电池能源系统(PES)。
PES将取代现有电池系统,为美海军提供更久续航力和更高的操纵灵活性。该项目的总目标是完成技术成熟度为6级的燃料电池系统验证。



4、海军研究办公室资助Fuel Cell Energy公司开发大排量无人水下航行器


       在2012年,Fuel Cell Energy公司获得了海军研究办公室“大排量无人水下航行器创新海军标准项目”的合同。Fuel Cell Energy是化石能源办公室固态能源转换联盟产业团队之一,并正在使用其子公司Versa Power Systems公司开发的固体氧化物燃料电池技术。
在美国海军项目中,Fuel Cell Energy的合作伙伴包括NASA、Yardney Technical Products、美国海军水下作战中心(NUWC)、西北太平洋国家实验室(PNNL)。化石能源办公室资助PNNL和NUWC在固体氧化物燃料电池项目的研究,PNNL是固态能源转换联盟项目下开发核心固体氧化物燃料电池技术的首席国家实验室,而此前NUWC也曾对固体氧化物燃料电池技术进行评估。



5、美国海军通过NexTech Materials等多家公司开发长续航水下航行器


         2012年NexTech材料公司(NexTech Materials Ltd)、美国诺斯洛普格拉曼公司(Northrop Grumman)、Precision Combustion公司、阿连特技术系统(Alliant Techsystems)和 pH Matter公司一起收到了来自美国海军研究办公室的合同,开发以固体氧化物燃料电池技术为动力的长续航水下航行器。
化石能源办公室支持NexTech在固体氧化物燃料电池技术的发展。此外,Precision Combustion公司此前曾获得化石能源办公室的支持,以开发固体氧化物燃料电池发电系统。



6、美国海军资助NextTech Materials公司开发UUV能源系统


       美国海军研究办公室资助NextTech Materials公司,在“未来海军能力”计划资助下设计和开发一个用于无人水下航行器(UUVS)的紧凑型能源系统(固体氧化物型燃料电池)。




(二)在军舰、潜艇以及海底车辆的应用



1、美国海军舰载燃料电池动力系统


       美国海军研究厅此前已经制定2.5WM舰载燃料电池驱动模型,作为标准舰载动力系统使用,以供舰艇和潜艇作为动力使用。由燃料电池构成的动力系统结构简单、无复杂传动装置、运行维修成本低廉、可靠性高、寿命长,而且燃料电池运行系统噪声很低,与现有动力装置相比更易于军事活动,优势明显。



2、美国海军潜艇用燃料电池动力系统


        美国海军采用西门子质子膜燃料电池技术与通用公司发动机技术为潜艇提供动力装置。



3、美国通用公司与美国海军联合开发无人水下航行器


        2014年8月讯,美国和日本联合开发了燃料电池驱动潜艇,可在水下航行一个月而不需充电。据悉,该潜艇会采用无人系统,全长10米(33英尺),未来会用来执行海底巡逻任务。采用燃料电池驱动优势很多,可以长时间水下航行而无需补充燃料,并且环境友好,而采用核燃料会污染环境。该项目耗时5年,预计花费2500万美元。


4、Proton OnSite公司为美英法联合舰队(AIP潜艇)提供质子交换膜电解槽组


       AIP潜艇,是指无需获取外间空气中氧气的情况下能够长时间地驱动潜艇的技术。根据《Fuel Cells in America 2015 6th Edition》介绍,Proton OnSite公司收到航空航天系统公司(UTC Aerospace Systems)的订单,订购其质子交换膜(PEM)电解槽组,以应用于美国、英国和法国海军的新型潜艇上。该订单将会支持美国Virginia级潜艇、英国Vanguard级和Astute级潜艇和法国Barracuda级潜艇的制氧工作。Proton OnSite公司是该领域唯一为国际舰队供货的供应商。



5、美国海军大排量海底车辆推进动力系统


       美国能源部“2012年燃料电池技术市场报告”显示,2012年,美国海军资助Fuel Cell Energy公司380万美元开发和测试用于大排量海底车辆推进动力系统的固体氧化物燃料电池。
       2012年8月UTC 宇航公司也获得了美国海军研究办公室的合同,开发海底车辆燃料电池推进系统。



三、美国军方推进燃料电池的目的


       燃料电池技术的不断成熟能为各种武器系统提供持续运行时间长、热辐射低、重量轻和免维护的电能供应,这注定了燃料电池在军事领域中的应用。从战场上的移动手提装备到海陆运输,提供高效、持久、宁静的动力。自20世纪80年代以来,美国海军就使用燃料电池为其深海探测船只和无人潜艇提供动力,最近,美国军队又频频发力燃料电池技术,将其应用于无人水下航行器(UUV)领域。
美国海军通过与企业和科研机构合作开发可应用于下一代无人水下航行器的燃料电池技术,其目的在于利用燃料电池技术将氢气转化成电能,极大地提高无人水下航行器的续航里程。同时将燃料电池技术应用于舰艇领域,确保舰艇获得动力来源的同时可以给舰艇供氧,增加了舰艇的灵活性。



四、我国现状及政策建议


       我国在燃料电池技术上落后美国较大,但是随着我国新能源技术的发展,我国燃料电池技术已经得到快速发展。我国海军目前装备的AIP潜艇配备的是斯特林发动机,而美国军队在很早之前就将质子膜燃料电池技术应用于舰艇领域,最近几年又不断发力无人水下航行器用燃料电池技术。因此,笔者认为我国应该不断加大燃料电池技术的研究力度,同时重点研究水下应用燃料电池技术,尽快将燃料电池应用于舰艇和无人水下航行器领域,具体理由如下:
1. 燃料电池续航里程长,锂离子电池驱动设备一般需要频繁充电,续航里程很短。而美国(比如通用公司)设计开发的燃料电池技术可行驶60天,而且加氢时间很短,只需要几分钟就可完成,锂电池一般需要几个小时,燃料电池在该方面优势明显。而且,燃料电池使用寿命较长,这一点也要优于锂电池。
2. 燃料电池系统噪声低,无人水下航行器起到侦查的作用,燃料电池低噪声系统有助于无人水下航行器更好地完成任务。
除此之外,燃料电池效率较高,可达40%,而传统燃气轮机和柴油动力的海军舰艇效率仅为12%-16%;使用燃料电池作为动力系统还可达到减少排放量、促进热效率、降低燃料成本、增加船舶设计灵活性以及可使用替代燃料等目的。




参考资料

[1] 吕咏萱,王悦,高夏迪,覃覃.燃料电池的原理和应用;[2] 刘坤,张铨荣,肖金生. 燃料电池在军事上的应用研究;

[3] 王兴娟,王坤勋,刘庆祥. 燃料电池的研究进展及应用前景;
[4] 每日汽车,
http://www.iautodaily.com/NewsDetail/1433;
[5] 中国能源网,
http://www.china5e.com/news/news-933180-1.html;
[6] 美国能源部,2012 Fuel Cell Technologies Market Report;
[7] 美国能源部,2014 Fuel Cell Technologies Market Report;
[8] 新浪博客,长报告/燃料电池产业链研究之背景篇(一);
[9] 燃料电池电系统在现代军事领域的应用;http://www.docin.com/p-1599125239.html
[10] 夏丰杰,周琰.德国氢能及燃料电池技术发展现状及趋势;
[11] 蔡年生. UUV动力电池现状及发展趋势;
[12] 深度:国产AIP动力系统获突破 039潜艇或换燃料电池



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