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水下储能系统

水下储能锂离子电池方面

  海底锂离子电池储能系统,可为无人潜航器、遥控潜航器等海底装备提供无间断电力。2022年12月,我公司推出其新型锂离子电池海底储能系统,可在船只和遥控潜航器控制下锚定在海床上,为海上石油和天然气开采供电。该系统由12个锂离子电池模块组成,总容量可达1兆瓦时,还配备了“智能BMS管理中心”,以监控系统整体状态和提供外部组件接口。

二、 氢氧燃料电池技术

氢氧燃料电池具有比能高、运行噪音低、安全性优良等优点,已广泛用于国外各型无人潜航器、潜艇AIP系统以及水下储能设备。目前水下氢氧燃料电池用氢气主要来自于高压储氢罐,金属氢化物以及利用甲醇、乙醇等液体燃料为原料的重整反应,其中重整制氢技术进展显著。

无人动力方面,由澳大利亚皇家海军投资,细胞机器人公司研制的“海狼”超大型无人潜航器原型Solus-LR已于2022年1月完成燃料电池系统耐久性测试,7月完成整机水下任务演示。其质子交换膜氢氧燃料电池采用双堆栈设计和高压储氢储氧,容量250千瓦时,功率1200瓦,可为潜航器提供2000千米续航力。

潜艇动力方面,2020年2月,西班牙海军S80型潜艇生物乙醇重整制氢燃料电池系统通过最终测试,2022年5月完成首艘海试。生物乙醇经重整室和一氧化碳优先氧化(COPROX)反应室转化为高纯氢气,为燃料电池供电。剩余二氧化碳通过喷射式文丘里洗涤器与海水混合,并通过SECO2系统溶解在海水排出,实现高隐身性能。2022年2月,韩国完成潜艇燃料电池甲醇重整制氢工程样机研发。该装置主要由氢气发生单元、氢气净化单元、热管理单元及控制单元构成等。与韩现役潜艇燃料电池金属氢化物储氢相比,甲醇重整装置紧凑简单,具备更高的储氢效率,无需额外的注氢设备,预计将率先装备韩国“安昌浩”级(KSS-III型)潜艇。其他常见的先进水下电池主要包括微生物燃料电池、锂硫电池和金属海水燃料电池等。

微生物燃料电池利用微生物代谢过程发电,具有续航力长、隐蔽性强、成本低等优点,可为小功率无人潜航器或传感器网络等海底监视与侦查装备供电。2021年4月,美海军信息战中心太平洋分部研制了石英芯片型微生物燃料电池,进一步提高了功率密度。美海军2023财年预算计划持续推进新材料与电活性细菌研究,并研发变深度可自埋藏的微生物燃料电池,为半潜式无人潜航器等新型水下装备供能。

锂硫电池是以硫或硫基复合材料作为正极,锂为负极的新型储能系统,与传统锂离子电池相比,具有理论比容量高、安全性好、储存成本低、对环境友好及硫正极价格低廉等优点。2020年,OXIS公司成功测试其471瓦时/千克锂硫电池原型,并计划继续研发500瓦时/千克级锂硫电池。

典型金属海水燃料电池主要包括铝-水和锂-水燃料电池等,具有运行环境温和、安全稳定、结构简单等特点,比能也较传统锂离子电池高,在阳极金属消耗殆尽后更换即可实现电池的重复使用。2022年7月,在美国海军研究署资助下,美国聚加公司(PolyPlus)建立了耐压锂-海水电池试点生产线。其锂-海水电池比能可达2千瓦时/千克,采用陶瓷基固体电解质,保证锂离子的高效传导,同时实现金属锂与阴极海水的隔绝保护。