潛艇質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研究

黃榮，陳新傳，宋強(qiáng)

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潛艇質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研究

黃榮，陳新傳，宋強(qiáng)

（海軍裝備研究院，北京 100161）

常規(guī)柴電潛艇因受傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)的限制，已成為新形勢(shì)下潛艇續(xù)航力、隱身性等的發(fā)展瓶頸。而融入創(chuàng)新技術(shù)的燃料電池AIP(FC/AIP)推進(jìn)系統(tǒng)的出現(xiàn)，集眾多優(yōu)點(diǎn)，給常規(guī)潛艇的發(fā)展帶來了一片曙光。文章綜述并深入比較世界各國(guó)FC/AIP潛艇研究現(xiàn)狀、性能特點(diǎn)及發(fā)展思想，指出質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在潛艇上的應(yīng)用最具吸引力。在分析PEMFC主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提煉出PEMFC應(yīng)用中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)，并提出應(yīng)對(duì)策略，以達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短并充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的目標(biāo)，為潛艇PEMFC/AIP推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展提供針對(duì)性的指導(dǎo)。

潛艇 質(zhì)子交換膜 燃料電池

0 引言

常規(guī)潛艇發(fā)展至今已走過近一個(gè)世紀(jì)，它經(jīng)歷了多次戰(zhàn)爭(zhēng)的洗禮，取得了赫赫戰(zhàn)果，現(xiàn)已成為各國(guó)海軍不可或缺的主戰(zhàn)裝備。但常規(guī)柴電動(dòng)力潛艇一般在水下潛航2-3天就會(huì)耗盡能量上浮充電，這成為現(xiàn)役常規(guī)潛艇的致命弱點(diǎn)，大大降低其隱蔽性能。上世紀(jì)50年代，機(jī)動(dòng)性高、續(xù)航力長(zhǎng)和攻擊力強(qiáng)的核潛艇問世曾一度使柴電推進(jìn)的常規(guī)潛艇黯然失色。而隨著現(xiàn)代反潛力量的不斷發(fā)展，尤其是聲納、衛(wèi)星、激光等融合現(xiàn)代最新科技[1]的探測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步，常規(guī)潛艇面臨更大的挑戰(zhàn)。但常規(guī)柴電潛艇所具備的低造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用低、安全性高、機(jī)動(dòng)靈活、低輻射噪聲水平等特征是核動(dòng)力潛艇所無法比擬的。因此，非常有必要借助創(chuàng)新技術(shù)，突破常規(guī)柴電潛艇一直以來的發(fā)展瓶頸——續(xù)航力的局限。

經(jīng)過科學(xué)家和海軍技術(shù)人員的長(zhǎng)期不懈努力，發(fā)展“不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）”成為解決這一關(guān)鍵問題重要突破點(diǎn)，其中燃料電池AIP（FC/AIP）動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展最具潛力。相對(duì)于其他AIP系統(tǒng)，F(xiàn)C/AIP系統(tǒng)具有聲特征遠(yuǎn)低于常規(guī)柴電動(dòng)力或熱機(jī)動(dòng)力、向海水輻射的熱能及紅外特征小、沒有痕跡(燃料電池產(chǎn)物為水)、能量轉(zhuǎn)換效率高(最高可達(dá)80%)等優(yōu)點(diǎn)，且能在不明顯增加潛艇排水量和主尺度、不降低潛艇水下最高航速的前提下，增加潛艇的水下續(xù)航能力（是斯特林AIP系統(tǒng)的2倍以上）[2,3]。因此，潛用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)研究越來越受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的重視。

1 潛艇FC/AIP系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)

德國(guó)是研制燃料電池潛艇最積極、最成功的國(guó)家。早在上世紀(jì)80年代德國(guó)著名的潛艇制造商霍瓦茲（HDW）公司開始進(jìn)行潛用燃料電池的試驗(yàn)研究，并于隨后將該燃料電池加裝在U205級(jí)潛艇，海上試驗(yàn)表明其綜合性能較好，這也促使德國(guó)在出口的209艇中加裝氫氧燃料電池。德國(guó)將燃料電池系統(tǒng)完全集成到潛艇平臺(tái)上，建造了世界上最早采用加裝氫氧燃料電池AIP系統(tǒng)的212A級(jí)潛艇，該艇裝有9組PEMFC，總功率為306kw。德國(guó)在212A級(jí)艇基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了出口的214艇，第一艘214艇于2004年下水，在2010年前陸續(xù)交付使用。希臘、韓國(guó)海軍已向德國(guó)訂購(gòu)214級(jí)燃料電池潛艇。212A、214型潛艇代表著FC/AIP系統(tǒng)的最高水平，德國(guó)提出潛艇柴電系統(tǒng)與燃料電池AIP系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短的混合推進(jìn)系統(tǒng)方案，這對(duì)潛艇燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)方案來說開創(chuàng)了新的里程碑。

加拿大海軍采取的FC/AIP潛艇的發(fā)展基本策略是“自主開發(fā)，穩(wěn)扎穩(wěn)打”。早在1994年就開始開發(fā)了40kw的燃料電池模塊，加拿大海軍正在擬定對(duì)英國(guó)海軍購(gòu)進(jìn)的4艘“維多利亞”級(jí)潛艇實(shí)施AIP改裝計(jì)劃，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)屠聞?dòng)力系統(tǒng)公司開發(fā)的PEMFC系統(tǒng)裝備在“維多利亞”級(jí)潛艇上。

日本海洋技術(shù)中心2003年8月宣布其已成功研制出世界上首臺(tái)用于深海研究的燃料電池潛艇Urashina號(hào)。2005年2月，日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研制的深海巡航探測(cè)器“浦島”號(hào)使用全封閉式燃料電池，創(chuàng)下了續(xù)航距離317km的世界新記錄。日本在燃料電池汽車技術(shù)方面居于全球領(lǐng)先地位，因此，日本有意向放棄斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向研制FC/AIP潛艇。

易見，各國(guó)海軍發(fā)展的潛用燃料電池均集中在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），顯然將PEMFC用作潛艇AIP系統(tǒng)的推進(jìn)動(dòng)力源，有著其他系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 燃料電池AIP的主要優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)外技術(shù)較為成熟、已進(jìn)入實(shí)用階段，且能夠大幅提高常規(guī)潛艇水下作戰(zhàn)能力的AIP系統(tǒng)主要是燃料電池AIP系統(tǒng)和熱氣機(jī)AIP系統(tǒng)。燃料電池AIP系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 燃料電池AIP系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高，可大幅提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力。

燃料電池的理論效率可接近90％，目前實(shí)際效率已達(dá)到60％～70％。燃料電池效率高，系統(tǒng)發(fā)電效率高，這意味著在潛艇攜帶同樣液氧等燃料的條件下，燃料電池AIP潛艇的水下續(xù)航力是熱氣機(jī)AIP潛艇的2倍以上，可大幅提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力。

2) 燃料電池AIP系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲小，紅外輻射低，可提高常規(guī)潛艇的隱蔽性。

燃料電池本身無運(yùn)動(dòng)部件，自身不產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，非常適合應(yīng)用于安靜型潛艇。質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)電堆工作溫度只有60～80℃左右，紅外輻射低，通過常規(guī)淡水冷卻系統(tǒng)可解決問題，這些特點(diǎn)有力于提高潛艇的隱蔽性。

3) 燃料電池AIP系統(tǒng)的反應(yīng)物是純水，電堆采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。

燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物是純水，可供艇內(nèi)儲(chǔ)存使用，不會(huì)額外增加重量，并且無尾氣排放等問題，不受潛艇潛深限制。而柴油機(jī)、熱氣機(jī)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)都需要解決廢氣排放問題。燃料電池的安裝、維護(hù)、修理很方便，整體模塊更換簡(jiǎn)便，提高了動(dòng)力系統(tǒng)可靠性、可維修性和保障性，有利于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4) 燃料電池AIP系統(tǒng)的全工況范圍內(nèi)效率都較高，有利于潛艇動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

柴油機(jī)和熱氣機(jī)等熱機(jī)在額定功率附近運(yùn)行時(shí)才有最高的效率，在低功率運(yùn)行時(shí)效率較低，潛艇用柴油機(jī)20%額定負(fù)荷時(shí)工作效率只有28%左右。燃料電池的效率一般是指額定功率下的效率（現(xiàn)為50～60%），在部分功率下運(yùn)行的效率反而高于額定功率下的效率(現(xiàn)接近70%)，在過載功率下運(yùn)行的效率只略低于額定功率下的效率，這種功率適應(yīng)性范圍寬、效率高的特性特別適合于常規(guī)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)的使用。

綜上所述，燃料電池AIP系統(tǒng)可提高燃料利用率、降低振動(dòng)噪聲、減少紅外特征、優(yōu)化總體布置，能很好地滿足潛艇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求，是潛艇AIP系統(tǒng)理想的動(dòng)力方案之一。

3 PEMFC的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 膜電極（MEA）

膜電極是PEMFC的電化學(xué)心臟，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的制備和工藝優(yōu)化一直是PEMFC研究的技術(shù)關(guān)鍵。膜電極由質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層熱壓而成，因此稱為膜電極三合一組件[6]。

3.1.1質(zhì)子交換膜技術(shù)

質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心元件。近年來對(duì)PEM的研究是燃料電池領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。目前主要的膜材料為美國(guó)DuPont公司的全氟型磺酸膜即Nafion系列膜，其運(yùn)行壽命可達(dá)到50000h。通過研究表明PEM的研制應(yīng)滿足良好的離子導(dǎo)電性、較好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、良好的力學(xué)性能（強(qiáng)度和柔韌性）、氣體在膜中的滲透性盡可能?。ㄒ悦鈿錃夂脱鯕庠陔姌O表面發(fā)生反應(yīng)，造成電極局部過熱，影響電池的電流效率）、膜的水合/脫水可逆性好且性價(jià)比高等特點(diǎn)。

3.1.2催化劑

近年來，對(duì)PEMFC催化劑的研究相當(dāng)活躍，研究重點(diǎn)一方面是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，提高催化劑的利用率；另一方面是尋找高效廉價(jià)的催化劑材料。當(dāng)前最實(shí)用的還是Pt基催化劑，催化劑應(yīng)具有抗CO中毒能力，因?yàn)镻EMFC對(duì)燃料氣中的CO非常敏感。經(jīng)過不懈的努力，金屬Pt催化劑的用量已經(jīng)降到了很低的程度。因此，開發(fā)非貴金屬催化劑仍是研究的重點(diǎn)，較為引人注目的是熱解或非熱解過度金屬大環(huán)螯合物，金屬氧化物（如錳氧化物，尖晶石氧化物）等。

3.1.3氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層是支撐催化層、收集電流，并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道、氣體通道和排水通道，而高性能的氣體擴(kuò)散層應(yīng)該滿足：均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，賦予它優(yōu)異的透氣性能；低電阻率，賦予它高的電子傳導(dǎo)能力；結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能；具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)膭傂院腿嵝?，利于電極的制作，提供長(zhǎng)期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，提供長(zhǎng)期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；具有化學(xué)和熱穩(wěn)定性；低制作成本、高的性價(jià)比。除了上述膜電極各組件研制，膜電極的制備工藝也是影響燃料電池性能的重要因素。

3.2 雙極板

在膜電極的兩邊分別對(duì)應(yīng)有陽(yáng)極集流板和陰極集流板，通常稱為雙極板，其是PEMFC的關(guān)鍵部件。金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕性。復(fù)合材料雙極板（復(fù)合金屬薄板和復(fù)合聚合物碳板）則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢(shì)。與此同時(shí)，應(yīng)探索極板的結(jié)構(gòu)形式增強(qiáng)其性能，廣泛采用的極板結(jié)構(gòu)形式有平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、交指形流場(chǎng)和多孔碳或不銹鋼流程四種形式。今后研制的雙極板應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、氣密性、機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性等特質(zhì)。

3.3 儲(chǔ)氫技術(shù)

氫儲(chǔ)存問題是燃料電池的難題之一，由于氫氣屬于活潑氣體，易燃易爆，在空氣中含量超過4%，即有爆炸的威脅。常規(guī)的儲(chǔ)氫方式有灌裝液態(tài)氫，其儲(chǔ)存方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但在各種沖擊振動(dòng)的情況下，容易泄漏、爆炸，其不適合潛艇應(yīng)用。為此，德國(guó)海軍采用了金屬氫化物儲(chǔ)存罐技術(shù)，技術(shù)相對(duì)比較成熟，但目前儲(chǔ)存罐相當(dāng)笨重。目前正在探索碳?xì)浠?、乙醇或甲醇等制氫，這些燃料具有安全性、可靠性，容易在艇上儲(chǔ)存，易于轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，但需要處理制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳。德國(guó)的下一代216型FC潛艇將采用甲醇轉(zhuǎn)化制氫。而俄羅斯和美國(guó)青睞柴油重整制氫技術(shù)，該技術(shù)具有燃油成本低，系統(tǒng)噪聲小，而且海軍也能夠輕松地建立采購(gòu)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)基礎(chǔ)設(shè)施?？傊?，對(duì)于燃料電池潛艇來說，不論哪種儲(chǔ)氫技術(shù)，其應(yīng)該具有安全性、轉(zhuǎn)化效率高、體積小易存放、防振動(dòng)沖擊、生產(chǎn)的副產(chǎn)物少且容易處理、成本合理等特點(diǎn)。

3.4 輔助監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)

燃料電池的水熱管理包括反應(yīng)氣增濕、陰陽(yáng)級(jí)液態(tài)控水、燃料電池堆溫度控制及系統(tǒng)的廢熱利用。燃料電池的溫度、濕度、電壓等一些重要參數(shù)對(duì)燃料電池的性能和使用壽命有直接的影響，因此非常有必要對(duì)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示，進(jìn)而依據(jù)實(shí)際需求，控制或調(diào)節(jié)這些參數(shù)，使得燃料電池的性能達(dá)到最佳狀態(tài)，以提高運(yùn)行的效率和燃料電池的壽命。為此，設(shè)計(jì)出用于潛艇燃料電池工作的監(jiān)控系統(tǒng)將變得非常重要。

3.5 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

燃料電池最初被引入到潛艇動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)思路是將燃料電池作為潛艇的主推進(jìn)系統(tǒng)，但由于早期燃料電池的技術(shù)不是十分成熟，功率有限，難以滿足潛艇高速、機(jī)動(dòng)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致很 多國(guó)家（如美國(guó)、日本）的海軍先后放棄了燃料電池的研制。而德國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)另辟蹊徑，提出將燃料電池作為潛艇的輔助動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，即在保留現(xiàn)有柴電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝一套燃料電池AIP系統(tǒng)，作為潛艇的水下續(xù)航動(dòng)力，與普通柴電推進(jìn)系統(tǒng)組成混合式推進(jìn)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)理念在某種程度上是現(xiàn)代潛艇燃料電池AIP技術(shù)走向蓬勃發(fā)展的重要因素。

當(dāng)前，各國(guó)海軍尋求燃料電池AIP系統(tǒng)作為潛艇動(dòng)力源時(shí)，通常采用的策略是直接在現(xiàn)役的潛艇上加裝一套FC/AIP系統(tǒng)，這在一定程度上限制了FC/AIP系統(tǒng)的發(fā)揮更大的作用。在今后的研究工作中，非常有必要在潛艇的設(shè)計(jì)和建造階段便綜合考慮燃料電池和潛艇的特性，據(jù)此可針對(duì)性地設(shè)計(jì)、組裝、合理布置燃料電池系統(tǒng)。這將大大節(jié)約潛艇的空間，且使FC/AIP系統(tǒng)與潛艇聯(lián)系的更加緊密，F(xiàn)C/AIP系統(tǒng)將變得更具有效性、可靠性和安全性，借此FC/AIP系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)定將盡顯無疑。

4 結(jié)論

當(dāng)今海戰(zhàn)給各國(guó)海軍的潛艇戰(zhàn)術(shù)技術(shù)提出了更高要求，融入最新技術(shù)的AIP動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)問世再次為常規(guī)潛艇的發(fā)展注入新的生命力，其中最具潛力的AIP系統(tǒng)當(dāng)屬質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）AIP系統(tǒng)。PEMFC/AIP系統(tǒng)具有效率高、隱身效果極佳、紅外特征小、續(xù)航力強(qiáng)、無廢物排放、安全可靠以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但作為一套復(fù)雜的系統(tǒng)，僅在有效地解決了其面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題后，才能將其在潛艇上的作用發(fā)揮到淋漓盡致。

國(guó)內(nèi)燃料電池電堆技術(shù)已具有較高水平且越來越受到我海軍的重視，近年我國(guó)研制的燃料電池動(dòng)力源的遠(yuǎn)程水下機(jī)器人已完成了封倉(cāng)和水下試驗(yàn)，這些都意味著裝備FC/AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇已不是很遙遠(yuǎn)的事情，這勢(shì)必將極大提升我常規(guī)潛艇在近中國(guó)海的作戰(zhàn)性能。

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Research on Proton Exchange Membrane Fuel Cell for A Submarine

Huang Rong, Chen Xinchuan, Song Qiang

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, china)

2014-06-23

TM911

A

1003-4862（2014）11-0029-04

黃榮(1987-), 男，碩士研究生。研究方向：機(jī)電工程。