氢能在海洋观测系统中的应用（三）——AUV氢能供电支持长续航多设备协同工作：PEM燃料电池+锂电池

欧洲协作项目ENDURUNS旨在将氢动力AUV与氢动力USV结合起来，开发长航程AUV和USV集群。项目成员包括希腊、英国、韩国、丹麦、意大利、西班牙、瑞士、立陶宛、比利时、塞浦路斯等的太空、国防、海洋和无人机技术公司、大学、研究机构、咨询公司、认证机构和港口管理者。

ENDURUNS计划建造一个5.5 m长、PEM燃料电池和锂电池驱动的AUV，其中锂电池为发生故障或紧急情况时为推进系统和传感器补充供能。AUV在即将抵达到目标点时通过滑行模式来节能；在执行海底测量和检查任务时切换到推进模式。AUV原型机由意大利的Graal Tech公司开发，预计于2023年完成，2023年4月已完成了AUV和USV组件的对接测试（图1）。

图1 (a)-(d) AUV和USV组件的对接过程

同时，一艘USV在海面跟随AUV工作。USV原型机长8 m，使用PEM燃料电池、锂电池和薄膜太阳能电池的组合供电。USV的功能主要有：负责将数据从AUV传输到岸上的救援任务控制中心（Rescue Mission Control Center，RMCC），同时接收RMCC的数据；修改任务信息，并通过卫星将任务信息直接传输到AUV；检索AUV排出的“数据气泡”（包含SD卡的铅笔样的胶囊）中的数据；提供所需的高分辨率地理标记数据、任务地图和任务位置，并且能够在AUV的氢能耗尽时停靠并更换AUV的电池。2023年5月，USV完成了集成和海试（图2）。

图2 USV在威尼斯海试

ENDURUNS 系统将设计为在深海条件下具有长达 8 个月的长期操作自主权。在项目期间，ENDURUNS系统将首次为深远海作业提供技术成熟等级（Technology Readiness Level，TRL）5级及以上的支持。ENDURUNS系统适合执行任务包括海底测绘、栖息地评估、地球物理调查、水下基础设施检查和监视等。AUV和USV组合预计将在续航力、定位、测量能力、分辨率和灵敏度等方面显著优于所有现有的AUV。

加拿大Cellula Robotics为执行港口到港口的长程任务也开发了氢能AUV，型号包括Solus-LR和Solus XR。

Solus-LR型AUV已于2022年夏天完成海试，长8.5 m，续航里程达2000 km，航速0.7-2 m/s，能够以低功率、安静的状态在监视位置停留数周或数月。Solus-LR使用高压氢/氧燃料电池（high-pressure hydrogen-oxygen fuel cell, HPHFC）和锂离子内置二次电池混合操作，机器人操作系统（robot operating system，ROS）作为燃料电池的控制架构。锚泊时，在该公司研制的吸力锚固定下，Solus-LR会长时间关闭燃料电池，能以最小分贝在高达 2 m/s 的水流中保持相对静止，隐蔽地侦听一系列目标，并在观察到定义特征时与基地进行通信。

HPHFC因其高压气体供应和高压工作环境下产生的高效率氧化还原反应，比PEM燃料电池有更高的功率密度。HPHFC的工作压力范围在几十至数百bar，而PEM燃料电池压力范围在1~3 bar；HPHFC的功率密度可达1000 mW/cm²，而PEM燃料电池的功率密度在200-500 mW/cm²之间。与之相对地，PEM燃料电池在低压操作和快速启动等方面具有优势。

Solus-LR的HPHFC容量为250 kWhr。2022年初，公司对Solus-LR的HPHFC进行了首次耐力池测试（endurance pool tests），测试过程中，HPHFC连续正常运行了3天多。2022年7月，公司将的Solus-LR搭载燃料电池组（含250 kWhr能量)，在温哥华的印第安海湾进行为期两周半的海试。期间，Solus-LR和其在水中航行过程中拖曳的两台迷你AUV（包括天线，长0.7m）由燃料电池组进行供电。2022年9月，公司进行24h的疲劳试验（endurance test），Solus-LR运行里程130 km。

图3 Solus-LR及其发射的mini AUV