UUV动力电池氧源

朱新功 王敏

(中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉430064)

1 引言

用于 UUV的氧气电池，由于水下的特殊应用环境，不能直接利用空气中的氧气，必须利用海水中溶解的氧或者自身携带氧源。海水中溶解的氧只有0.3mM，不能满足大部分水下动力的功率需求，所以携带氧源的选择和控制对于水下金属/氧气动力电池显得异常重要，合适有效的氧源必须满足安全、可控、轻便的原则。

氧源的种类很多：液态臭氧、高压压缩氧、低温液态氧、双氧水(H2O2英文简写 HP)、氧烛KClO4+MnO2(或者 LiClO4)等。液态臭氧、KClO4+MnO2转换为O2时需要高温加热，不适合目标产品使用。目前压缩O2、LOX和H2O2都被用于UUV或潜艇上，本文根据实际情况结合O2不同形态的现状进行分析。

2 氧源状态

状态描述见表1。

表1 氧源状态描述

2.1 状态描述

2.2 氧源贮存浓度比较

表2为氧源贮存浓度比较。

HP的贮存效率较低，但反应过程中会生成水，这些水可以用于冷却电池的发热。高压氧易于贮存、易于控制，但压力太高不安全，一般潜艇上的安全要求不大于 3500 psig。液体氧 LOX能提供较高的体积浓度，从本质上讲，在非使用状态，也没有高压带来的安全问题。

表2 氧源贮存浓度比较[1]

3 不同氧源系统具体对比

3.1 高压压缩O2.

3.1.1 压缩O2储存罐现状

压缩氧气系统关键部件为氧气罐的设计。为了提高系统质量比能，目前国外采用不锈钢或铝合金内胆+碳纤维或其它有机物纤维缠绕，由于它的价格十分昂贵，出于成本考虑，目前仅小容量储存被接受。

3.1.2 压缩O2控制系统

压缩氧气控制系统分为高压系统和压力调节系统。高压系统包含高压气体储存系统、气体加料系统。压力调节系统包含系统压力控制系统或流量控制系统（具体与电池本体放电状态有关）。其简单的示意图如图1。

图1 高压氧控制

3.1.2.1 高压系统

高压系统主要考虑的是氧气泄漏率、发生故障时高压气源有效隔离、压力升高时气体的有效排放、氧气罐内压力的准确测量等问题，它是决定系统安全性能的关键因素。

3.1.2.2 压力调节系统

压力调节系统主要是将高压源的气体减压后，以等于电池本体消耗的流量输送到电池本体，并使其压力维持在一定范围内。压力调节系统设计考虑减压恒压问题：包含高压气体减压、管道阻力（与管道结构及管道直径有关）、气体流量控制和气体泄漏等问题。

3.1.3 压缩O2系统应用现状

压缩 O2用复合材料氧气罐主要用于潜水员便携式供氧，航天设备供氧及便携式 UUV供氧等。

根据对复合材料氧气罐的要求不同，高压供氧体积比能和重量比能都会发生变化。表3是文献报道中的数据。

表3 不同系统压缩氧比能

3.2 液体氧LOX

3.2.1 LOX罐的设计

LOX罐材质根据储存物质不同，内外胆均采用不锈钢或铝合金。国内内外胆之间的夹层填满珠光砂（减少辐射传热），并抽成真空（减小气体传热）；国外内外层之间用大约40层绝热膜，材料为反射铝或铝聚合物膜通过玻璃纤维分开，以减少辐射传热，采用真空减小气体传热。

LOX输送系统的关键是LOX抽取问题，目前采用抽取的方法是在LOX罐出口安装汽化器，来保证供气量，安装止回阀防止气体进入 LOX罐，并不能保证没有热量进入罐中。LOX罐中压力的控制一般采用安全阀。控制系统如图2所示。

3.2.2 LOX系统的现状

LOX系统主要用于医疗供氧，工业供氧，动力供氧等。德国将 LOX系统用于潜艇中，美国21英寸UUV也使用液氧系统。比能如表4总结。

3.3 双氧水H2O2

H2O2作为氧源用于电池中，主要有2种形式：

图2 液氧系统控制原理图

表4 不同系统比能

图3 微反应示意图

H2O2直接进入电解液系统，H2O2分解生成氧气进入气体室，目前两种形态并存。表5列出了直接和间接反应的有缺点比较。

3.3.1 间接H2O2反应速率的控制器

间接H2O2反应，即使在对流冷却的条件下仍会引起温升，需要额外的冷却控制技术[5]。美国水下战中心采用微管反应器控制反应的温度和速率。微管反应器的设计包含：催化剂的形态(溶凝胶、电沉积、胶体沉积等)催化剂的含量，各种温度、反应物浓度和催化剂加载工况下反应器的几何形态，热交换的有效模式等。目前国外已完成反应器的设计，H2O2的分析方法。[6]微反应控制原理如图3。

表5 直接反应与间接反应[3、4]

表6 不同系统比能

表7 氧源比较

3.3.2 H2O2系统的现状

直接H2O2系统已被挪威用于UUV中，目前，挪威及法国又在研究间接 H2O2系统。表 6为直接H2O2系统比能报道。

4 结论

表7总结了上述三种氧源的优缺点，从比能看：LOX最好，高压氧和 H2O2系统相当；从成本方面看：LOX及 H2O2占很大优势；从安全性能，对电池性能影响及储存来看：高压氧气罐性能最好，其次为H2O2系统，LOX次之；从控制系统看，高压氧及 H2O2系统简单，LOX复杂。从空间利用率看，H2O2系统容器可做成不同形状，最大可能利用空间，高压氧气罐及 LOX不能。

对于容量小的 LOX罐，由于控制系统相对复杂，在比能上的优势与其它二者相比并不明显，一般不采用液氧系统。

对于复合材料高压氧气罐主要是成本问题，而 H2O2系统主要是催化剂选择，热量控制，反应速率控制等技术方面的问题。

[1] 彭光明. 潜艇密闭舱室供氧措施分析. 船海工程,2005,(5): 64～67.

[2] A.Alan Burke, Louis G.Carreiro. System modeling of an air-independent solid oxide fuel cell system for unmanned undersea vehicles. Journal of Power Sourcess, 158(2006): 428-435.

[3] фistein Hasvold, Kjell Havard Johansen, Ole Mollestad; The alkaline aluminium/hydrogen peroxide power source in the Hugin II unmanned underwater vehicle; Journal of Power, 80: 254-260.

[4] G.D.Deuchars, J.R.Hill, J.H.Stannard; Aluminumhydrogen peroxide power system for an unmanned underwater vehicle; O-7803-1385-2/93, 1993 IEEE: II 158-165.

[5] E.Lennon, A.A.Burke, R.S.Besser; Modeling controlled hydrogen peroxide (H2O2) decomposition for a SOFC oxidant source in a Microreactor;COMSOL Users Conference: October 5, 2007.

[6] E.Lennon, R.S.Besser, A. A. Burke; Safe and efficient conversion of hydrogen peroxide for air-independent UUV power sources with microchemical systems.NUWC.