國(guó)外新型水下動(dòng)力源技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在UUV燃料電池、為海底傳感器供電的微生物燃料電池、UUV水下充電、為浮標(biāo)和海上“充電樁”供電的溫差能技術(shù)，以及安全性好、能量密度高的新型蓄電池等方面。

　　高比功燃料電池作UUV動(dòng)力

　　現(xiàn)有UUV多采用蓄電池動(dòng)力，續(xù)航力普遍僅有10～40小時(shí)，難以滿足長(zhǎng)期情報(bào)偵察或作戰(zhàn)需求。美海軍希望將UUV續(xù)航力延長(zhǎng)至數(shù)周甚至數(shù)月，正在發(fā)展大容量、高功率密度的燃料電池技術(shù)，中遠(yuǎn)期UUV動(dòng)力系統(tǒng)（含氫源和氧源）功率密度發(fā)展目標(biāo)是達(dá)到500Wh/L和500Wh/kg。

　　美海軍從2011年正式啟動(dòng)大排水量UUV燃料電池創(chuàng)新性海軍樣機(jī)項(xiàng)目，發(fā)展容量達(dá)1.8MWh的燃料電池，峰值功率為37.5kW，巡航功率700W。項(xiàng)目預(yù)計(jì)2018財(cái)年開(kāi)展系統(tǒng)集成和水下試驗(yàn)，屆時(shí)技術(shù)成熟度將達(dá)到6級(jí)。美海軍希望借助這個(gè)項(xiàng)目，將希望將UUV續(xù)航力延長(zhǎng)至70天。燃料電池能源公司、Sierra Lobo公司、Hamilton Sundstrand公司、Lynntech公司、NexTech、通用原子公司、UTC公司、通用汽車公司等多個(gè)機(jī)構(gòu)參與了技術(shù)研發(fā)，每個(gè)子合同金額約為2000萬(wàn)美元。這些機(jī)構(gòu)采用技術(shù)路線各不相同，燃料電池類型包括質(zhì)子交換膜型和固態(tài)氧化物型，氫源包括液氫、鈉金屬氫化物儲(chǔ)氫、鋁水反應(yīng)制氫、JP-10燃油重整制氫等，通用汽車公司甚至基于車用設(shè)計(jì)發(fā)展了UUV燃料電池。

Sierra Lobo公司燃料電池試驗(yàn)臺(tái)

西班牙S-80潛艇50千瓦燃料電池堆

　　此外，開(kāi)放水域動(dòng)力公司也研發(fā)了UUV鋁-海水燃料電池，通過(guò)鋁合金與水的置換反應(yīng)，直接產(chǎn)生電能，無(wú)需攜帶儲(chǔ)氧罐，能量密度高達(dá)2～3 kWh/L，是鋰離子電池的10倍。

　　海底微生物燃料電池可為傳感器或UUV供電

　　海底無(wú)人值守傳感器可收集水下聲學(xué)、水文等數(shù)據(jù)，在軍事海洋領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。目前存在的最大問(wèn)題在于電源需要經(jīng)常維護(hù)，成本高、隱蔽性不好。為此，美海軍專門為海底傳感器研發(fā)了微生物燃料電池。

　　微生物燃料電池利用海底沉積物中富含的希瓦氏菌或地桿菌等厭氧微生物的呼吸作用直接產(chǎn)生電能，陽(yáng)極一般放置在養(yǎng)分充足但氧氣不足的環(huán)境中（一般埋在海底沉積物中），陰極則放在富含溶解氧的海水中。2007年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室首次驗(yàn)證了微生物燃料電池在實(shí)際環(huán)境中的使用情況，可為海底傳感器、通信系統(tǒng)、氣象浮標(biāo)供電，最高電壓約1.2V。

　　美國(guó)空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中心太平洋分部（SSC pacific）還研發(fā)了一種無(wú)需將陽(yáng)極永久性埋入海底的微生物燃料電池。系統(tǒng)使用攪拌器，把沉積物攪動(dòng)起來(lái)，形成了稀釋的（大約1%）沉積物-海水溶液，然后該稀釋的溶液緩慢地通過(guò)陽(yáng)極室進(jìn)行循環(huán)。平均功率密度可達(dá)到170 mW/m2。裝備攪拌器的海底微生物燃料電池可在一段時(shí)間內(nèi)不接觸海底沉積物，每月接觸幾分鐘就可以維持其運(yùn)行，同時(shí)在陽(yáng)極不暴露在氧氣中的狀態(tài)下重新放置在海底沉積物區(qū)。因此，這種海底微生物燃料電池有望為UUV、滑翔器和彈出式海底設(shè)備提供自主電源。

　　在此基礎(chǔ)上，SSC pacific提出了一種利用微生物燃料電池供電、電機(jī)推進(jìn)的可變形UUV。陽(yáng)極布置在UUV底部，可直接接觸微生物環(huán)境；陰極布置在UUV上部，暴露在海水中。UUV具有兩種水下工作模式，一種是底部接觸模式，一種使運(yùn)動(dòng)模式。底部接觸模式時(shí)，UUV為扁平狀，底部陽(yáng)極可全面接觸海底沉積物發(fā)電，陰極呈彎曲狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，UUV為流線型，燃料電池電極使用柔性材料，可跟隨UUV變形。微生物燃料電池陽(yáng)極設(shè)在有開(kāi)口的外殼中，外殼設(shè)立提供一層防止溶解氧的隔層，從而使隔間內(nèi)的海水成為厭氧狀態(tài)。底部接觸模式下，陽(yáng)極外殼打開(kāi)，陽(yáng)極可接觸底部沉積物；運(yùn)動(dòng)模式下，陽(yáng)極外殼關(guān)閉，但燃料電池陽(yáng)極與海底沉積物分離時(shí)，外殼內(nèi)仍存有部分微生物菌落，因此仍可產(chǎn)生電能。

海底微生物燃料電池供電的UUV示意圖

　　水下充電可提高UUV續(xù)航力

　　目前UUV普遍使用蓄電池動(dòng)力，需要經(jīng)常打撈UUV進(jìn)行充電或更換電池組，大幅限制了UUV在水下的實(shí)際航行時(shí)間和任務(wù)執(zhí)行能力，已經(jīng)成為限制UUV部署范圍的瓶頸問(wèn)題。

　　美軍設(shè)想的UUV水下充電有兩種形式：一是接入潛艇水下遠(yuǎn)程導(dǎo)彈系統(tǒng)（ULRM）或干式遮蔽艙，利用潛艇為UUV充電；另一種是在海底布放，利用水下電纜為UUV充電。兩種充電形式都可以同時(shí)向UUV傳輸數(shù)據(jù)。

潛艇為UUV充電概念圖

　　美國(guó)Battelle公司已研發(fā)出“OceanHub” UUV水下母港樣機(jī)，利用“金槍魚-12”UUV完成了海試。利用該系統(tǒng)樣機(jī)，UUV可自主導(dǎo)航并停泊，入塢后利用wifi接口上傳/下載任務(wù)數(shù)據(jù)，并使用感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)電力傳輸，無(wú)需金屬間的直接接觸。水下母港充電功率為1.7kW，效率可達(dá)90%，UUV充電時(shí)間為4～6小時(shí)，同時(shí)還可進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載。美國(guó)海軍研究發(fā)現(xiàn)，水下充電時(shí)發(fā)射和接受線圈間隔應(yīng)控制在5 cm以內(nèi)，電磁波頻率應(yīng)低于100 kHz。

水下母港夾具（同時(shí)具備充電線圈和無(wú)纜通信天線）

　　美海軍2015年啟動(dòng)“前沿部署能源與通信基地”創(chuàng)新性海軍樣機(jī)項(xiàng)目，設(shè)想在3000 m左右深度的海底布設(shè)一定數(shù)量的能源補(bǔ)給點(diǎn)，這些補(bǔ)給點(diǎn)的連線可綿延數(shù)百千米，壽命超過(guò)20年。潛航器在這條線執(zhí)行任務(wù)時(shí)，就如同汽車在高速公路上行駛，能源補(bǔ)給點(diǎn)則如同高速公路上的加油站，潛航器可以在補(bǔ)給點(diǎn)補(bǔ)充能源并中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，保障了水下長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程作業(yè)。

　　溫差能技術(shù)可為浮標(biāo)和海上“充電樁”供電

　　目前，在全世界絕大多數(shù)的溫暖海洋和熱帶海洋，海平面的溫度（15～30℃）遠(yuǎn)高于500米深的海水溫度（4～7℃）。海水溫差能發(fā)電可利用表層和深層海水間的溫差進(jìn)行發(fā)電，用于浮標(biāo)或滑翔式UUV，其續(xù)航力可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。

　　美國(guó)2009年研發(fā)出SOLO-TREC無(wú)人潛航器，是世界首個(gè)溫差能驅(qū)動(dòng)的無(wú)人潛航器，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋科學(xué)勘察、海洋學(xué)研究等。這種潛航器重84 kg，可在海平面與500 m深處往返運(yùn)行，2年可完成1000多次潛水。

　　SOLO-TREC無(wú)人潛航器利用不同溫度下的相變材料為蓄電池充電。相變材料加熱至10℃以上時(shí)，會(huì)膨脹約13%，冷卻到10℃以下時(shí)，也會(huì)相應(yīng)收縮。因此在海平面時(shí)體積膨脹，在深海時(shí)體積縮小。相變材料與油囊結(jié)合使用，膨脹/收縮過(guò)程中產(chǎn)生的高壓油可收集起來(lái)，定時(shí)釋放，從而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電，每次潛水可給電池充電約1.6 Wh。

SOLO-TREC無(wú)人潛航器溫差能發(fā)電系統(tǒng)

　　溫差能系統(tǒng)有兩個(gè)重要發(fā)展方向：一是利用海洋垂直溫差為浮標(biāo)提供電力，延長(zhǎng)使用壽命；二是發(fā)展建造海洋溫差能供電的充電站，蓄電池儲(chǔ)存電能。2014年，美海軍已經(jīng)授出項(xiàng)目，計(jì)劃建造功率0.25W的水下滑翔者UUV以及2 kW的水下充電站。最終目標(biāo)是在深海部署大型電源。據(jù)推測(cè)，這種無(wú)須維護(hù)、壽命極長(zhǎng)的電源，可以與UUV水下充電站相結(jié)合，形成海上無(wú)人充電網(wǎng)絡(luò)。

　　安全性好、能量密度高的新型蓄電池可能取代鋰離子電池

　　目前新型UUV普遍應(yīng)用鋰離子電池為水下動(dòng)力。鋰離子電池是目前應(yīng)用范圍較廣的蓄電池，具有大容量、穩(wěn)定性及充放特性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前常用的鋰離子電池易形成枝晶，引起短路著火，存在一定安全隱患，包括耐壓、耐溫、耐穿刺特性較差，容易短路和過(guò)熱引發(fā)起火、爆炸等事故等。為此，各國(guó)正在研發(fā)鋰離子電池的替代品，包括鋰硫電池、鋰空氣電池等，未來(lái)將可能取代鋰離子電池。

　　鋰硫電池負(fù)極由純鋰金屬組成，正極為硫碳混合物，理論能量密度能達(dá)到2600 Wh/kg，是鋰離子電池的10倍，同時(shí)價(jià)格低廉、污染小。目前存在的問(wèn)題在于容易自放電、循環(huán)特性差等。英國(guó)OXIS公司發(fā)展了閃點(diǎn)高于100℃的鋰硫電解質(zhì)，在電池正極形成硫化鋰（Li2S）保護(hù)層，其熔點(diǎn)高達(dá)938℃，可以起到絕緣作用，防止熱量散失。OXIS公司預(yù)計(jì)其新型鋰硫電池至2017年平均能量密度將達(dá)到400Wh/kg，而密度僅為900kg/m3。美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校使用三元S/PPy-MnO2復(fù)合正極材料，MnO2可捕獲溶解的多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)，管狀的聚吡咯柔韌性和導(dǎo)電性好，二者協(xié)同作用可有效解決鋰硫電池自放電的問(wèn)題。

　　鋰空氣電池負(fù)極使用金屬鋰，正極為空氣（氧氣），利用金屬鋰的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電池的充放電。負(fù)極電解液一般使用含鋰鹽的有機(jī)電解液，正極電解液一般為堿性水溶性凝膠。鋰-空氣電池負(fù)極使用鋰離子與氧氣直接反應(yīng)，理論儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池。目前存在的問(wèn)題在于電壓損失高、氧的吸收和釋放易引起電池體積變化。美國(guó)麻省理工學(xué)院將Li2O納米顆粒填充到海綿狀的Co3O4結(jié)構(gòu)中，研制出新型超輕負(fù)極，在充放電時(shí)，負(fù)極材料在Li2O/Li2O2/LiO2三相之間轉(zhuǎn)換，沒(méi)有O2吸收與釋放，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，自封閉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也阻隔了空氣中水和二氧化碳。新型負(fù)極材料理論比能量高達(dá)1341Ah/kg，實(shí)驗(yàn)值為587Ah/kg，循環(huán)電壓損失只有0.24V，僅為此前的1/5。這種封閉式結(jié)構(gòu)無(wú)需與外界進(jìn)行空氣交換，可設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)，有望用于無(wú)人潛航器。