潛艇燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置研究

張林根，張義農(nóng)

(1.海軍裝備部，北京 100841； 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京 100012)

潛艇燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置研究

張林根1，張義農(nóng)2

(1.海軍裝備部，北京 100841； 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京 100012)

目前燃料電池已在國(guó)外常規(guī)潛艇上使用，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著燃料電池技術(shù)的逐漸成熟，其在核潛艇上應(yīng)用的可能性逐漸增大。本文對(duì)燃料電池在核潛艇上的應(yīng)用可行性進(jìn)行了探討，對(duì)燃料電池功率、體積、重量以及型號(hào)選擇進(jìn)行了分析，最后總結(jié)了燃料電池在核潛艇上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

燃料電池；核動(dòng)力；聯(lián)合動(dòng)力；潛艇

1 核潛艇燃料電池的發(fā)展和使用分析

目前，燃料電池在國(guó)外常規(guī)潛艇上主要作AIP裝置使用。除德國(guó)外，西班牙、意大利和以色列都在發(fā)展燃料電池常規(guī)潛艇。近年常規(guī)潛艇采用燃料電池明顯有增加的趨勢(shì)，2008年世界各國(guó)海軍計(jì)劃或準(zhǔn)備采購(gòu)的28艘常規(guī)潛艇中，有15艘明確將采用燃料電池，另有6艘可能會(huì)采用燃料電池。

英國(guó)海軍在20世紀(jì)90年代為其未來(lái)核潛艇探索新型動(dòng)力形式時(shí)，曾委托英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司開(kāi)展核潛艇使用燃料電池的前期研究，但截至目前英國(guó)海軍也沒(méi)有核潛艇采用燃料電池的計(jì)劃和方案。與英國(guó)類似，美國(guó)、法國(guó)和俄羅斯等核大國(guó)也沒(méi)有核潛艇采用燃料電池的計(jì)劃。但隨著燃料電池技術(shù)的逐漸成熟，燃料電池在核潛艇上應(yīng)用的可能性逐漸增大。

目前，核潛艇的動(dòng)力裝置主要是核動(dòng)力、柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池3種。核潛艇高速航行、低速巡航時(shí)采用核動(dòng)力推進(jìn)，應(yīng)急推進(jìn)時(shí)采用柴油發(fā)電機(jī)組或蓄電池。如果燃料電池在核潛艇上應(yīng)用，將有以下3種使用形式：

1)部分替代蓄電池。用燃料電池部分替代蓄電池，并繼續(xù)保留核動(dòng)力裝置、柴油發(fā)電機(jī)組和大部分蓄電池。對(duì)于這種動(dòng)力形式，潛艇高速航行或低速巡航時(shí)采用核動(dòng)力，應(yīng)急推進(jìn)時(shí)采用柴油發(fā)電機(jī)組或蓄電池和燃料電池聯(lián)合推進(jìn)。相比現(xiàn)在的核潛艇，這種形式可利用燃料電池延長(zhǎng)水下續(xù)航力。但這種形式也有很多缺點(diǎn)，如：采用的動(dòng)力裝置種類更多，核潛艇設(shè)計(jì)更復(fù)雜，還增加了后勤補(bǔ)給和維修保養(yǎng)的難度。另外，由于采用的燃料電池功率較小，僅能做應(yīng)急備用電源使用。

2)完全替代柴油發(fā)電機(jī)組。用燃料電池完全替代柴油發(fā)電機(jī)組，并保留核動(dòng)力裝置和全部蓄電池。對(duì)于這種動(dòng)力形式，核潛艇高速航行、低速巡航時(shí)采用核動(dòng)力，應(yīng)急推進(jìn)時(shí)采用燃料電池或蓄電池。相比現(xiàn)在的核潛艇，由于取消了柴油發(fā)電機(jī)組，因此可降低動(dòng)力裝置的噪聲和振動(dòng)，并減少了對(duì)空氣的依賴。其缺點(diǎn)是由于燃料電池的功率較小，只能做應(yīng)急電源使用，無(wú)法在潛艇低速巡航時(shí)使用。

3)部分取代蓄電池、完全取代柴油發(fā)電機(jī)組，形成燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置。這種形式與第2種形式類似，但燃料電池的功率要比第2種形式中僅作應(yīng)急電源使用的燃料電池大得多。對(duì)于這種動(dòng)力形式，核潛艇高速航行時(shí)采用核動(dòng)力，低速巡航和應(yīng)急時(shí)主要采用燃料電池。當(dāng)燃料電池出現(xiàn)故障后，蓄電池作其應(yīng)急備用電源使用。這種動(dòng)力形式不但具有第2種形式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可在潛艇低速巡航或應(yīng)急推進(jìn)時(shí)采用燃料電池，從而提高潛艇隱身性和作戰(zhàn)能力。

通過(guò)對(duì)上述3種使用形式的簡(jiǎn)單分析，可以看出如果燃料電池在核潛艇上使用，燃料電池部分取代蓄電池、完全取代柴油發(fā)電機(jī)組是最有可能采用的一種形式。雖然從使用角度看燃料電池可在核潛艇上使用，但這些分析不充分。下面將從燃料電池功率、體積、重量和類型等方面，對(duì)燃料電池在核潛艇上使用進(jìn)行可行性分析。

2 燃料電池在核潛艇上使用的可行性分析

2.1 燃料電池功率分析

如前文所述，燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置中的燃料電池既可用于巡航推進(jìn)也可用于應(yīng)急推進(jìn)。因此，需進(jìn)行燃料電池巡航推進(jìn)功率和應(yīng)急推進(jìn)功率分析。由于目前還沒(méi)有采用這種動(dòng)力形式的核潛艇，因此，需要做如下假設(shè)：

1)假設(shè)采用燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置的潛艇，其排水量與小型核潛艇(法國(guó)“紅寶石”級(jí)核潛艇)或大型常規(guī)潛艇(澳大利亞“科林斯”級(jí)常規(guī)潛艇)類似，為2 000～3 000 t，接近德國(guó)212A/214型潛艇的兩倍，艇長(zhǎng)75 m，直徑8 m，表面積1 885 m2，長(zhǎng)寬比9.375，方形系數(shù)0.72，海水密度1 025 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度1×10-6m2/s。

圖1 “紅寶石”級(jí)核潛艇與“科林斯”級(jí)常規(guī)潛艇Fig.1 Rubis class submarine and Collins class subamrine

2)假設(shè)螺旋槳效率為75%，電機(jī)效率為95%，電力變換效率為95%。

3)假設(shè)采用燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置的潛艇日用電為100 kW(由于缺少合適功率的反應(yīng)堆有關(guān)數(shù)據(jù)，因此利用了倫敦大學(xué)工學(xué)院潛艇設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn))。

4)假設(shè)反應(yīng)堆安全載荷約為100 kW(此數(shù)字不代表當(dāng)前核潛艇)。

當(dāng)潛艇以8 kn最大持續(xù)航速巡航時(shí)，計(jì)算出燃料電池為推進(jìn)系統(tǒng)提供的有效功率為187 kW，再利用假設(shè)(2)得出推進(jìn)系統(tǒng)所需的燃料電池功率為277 kW。再加上日用電100 kW和反應(yīng)堆安全載荷100 kW，三者相加得出所需燃料電池的總功率為477 kW；當(dāng)潛艇以6 kn平均航速巡航時(shí)，利用同樣方法可計(jì)算出燃料電池總功率為320 kW。

當(dāng)潛艇以4 kn的航速應(yīng)急航行時(shí)，假設(shè)維持反應(yīng)堆最小安全載荷所需功率為50 kW，最小日用電功率為50 kW，續(xù)航力為7天。利用上述方法可計(jì)算出燃料電池總功率為137 kW，因此，要求燃料電池系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)的氫和氧至少在7天內(nèi)每天向全艇提供137 kW的電能。為此，潛艇需攜帶60個(gè)金屬氫化物儲(chǔ)氣瓶和20個(gè)氧氣瓶。氧氣瓶總體積與英國(guó)核潛艇高壓空氣瓶總體積接近，為3.2 m3，總重量為500 kg。

對(duì)于以上3種功率，以8 kn最大持續(xù)航速巡航時(shí)的功率最大。因此，采用4個(gè)單機(jī)120 kW的燃料電池就可滿足該潛艇巡航和應(yīng)急推進(jìn)的功率需求。

目前，德國(guó)214型常規(guī)潛艇采用的BZM120型燃料電池組的功率就是120 kW，因此，從功率等級(jí)角度看，燃料電池在核潛艇上使用可行。

2.2 燃料電池體積和重量分析

目前，120 kW燃料電池的體積與已在214型潛艇上使用的西門(mén)子BZM120燃料電池類似，重900 kg，體積500 L，包括可逆燃料電池、氧氣瓶、氫氣瓶、氧氣壓縮機(jī)、反向滲透凈水設(shè)備、設(shè)備平衡系統(tǒng)和箱裝體在內(nèi)，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的體積是285 m3。若以5.6 m長(zhǎng)燃料電池艙段形式整體插入，包括上述設(shè)備燃料電池的總重量為313 t，約占潛艇總排水量的1/10。從體積和重量角度看，燃料電池在核潛艇上使用也是可行的。

圖2 西門(mén)子BZM120燃料電池Fig.2 SIEMENS BZM120 fuel cell

2.3 燃料電池選型分析

為使熱信號(hào)最小和提供充足的啟動(dòng)和響應(yīng)次數(shù)，以及減少艇上冷卻需求，就需要使用低溫燃料電池。在目前的幾種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度最低。

表1 燃料電池工作溫度的比較

按使用空氣或使用純氧可將質(zhì)子交換膜燃料電池分為空氣質(zhì)子交換膜燃料電池和純氧質(zhì)子交換膜燃料電池。由于潛艇艙容有限，燃料電池儲(chǔ)氧罐中需要儲(chǔ)存純氧。為此，需選擇純氧質(zhì)子交換膜燃料電池。

德國(guó)212A和214型常規(guī)潛艇就采用了純氧質(zhì)子交換膜燃料電池，因此，從技術(shù)角度看，在核潛艇上使用純氧燃料電池也可行。

3 核潛艇使用燃料電池的優(yōu)勢(shì)分析

相比目前的核潛艇動(dòng)力裝置，核潛艇在低速巡航時(shí)使用燃料電池比使用核動(dòng)力裝置具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)實(shí)現(xiàn)安靜巡航。巡航時(shí)只使用燃料電池，可消除二回路蒸汽輪機(jī)和齒輪傳動(dòng)裝置的機(jī)械噪聲；

2)提高潛艇隱身能力。燃料電池工作過(guò)程中不使用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械和不產(chǎn)生廢熱，因此可消除連續(xù)使用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械產(chǎn)生的噪聲信號(hào)和向海水排出大量廢熱產(chǎn)生的熱信號(hào)。

相比目前的核潛艇動(dòng)力裝置，核潛艇在應(yīng)急情況下使用燃料電池比使用柴油機(jī)和蓄電池具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)聲信號(hào)和熱信號(hào)明顯低于柴油發(fā)電機(jī)組。燃料電池沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，燃燒產(chǎn)物也沒(méi)有煙氣，其噪聲信號(hào)和紅外信號(hào)比柴油發(fā)電機(jī)組更??；

2)續(xù)航力比蓄電池更長(zhǎng)。利用艇上存儲(chǔ)的氧氣和氫氣，潛艇只要攜帶足夠的氫氣和氧氣，潛艇利用燃料電池可以4 kn的航速在水下航行一周的時(shí)間。

3)在緊急情況下，可由燃料電池氧氣艙提供應(yīng)急吹氣，而無(wú)需使用氧燭，減少發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性。

通過(guò)前3節(jié)對(duì)燃料電池在核潛艇上的使用分析、可行性分析和優(yōu)勢(shì)分析，可以看出燃料電池在核潛艇上使用可行，并且燃料電池部分取代蓄電池、完全取代柴油發(fā)電機(jī)組將是燃料電池在核潛艇上使用的主要形式。

4 燃料電池上艇需要解決的技術(shù)問(wèn)題

燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但其未來(lái)上艇還要解決一些技術(shù)問(wèn)題。如：需要利用可逆燃料電池2解決氫源和氧源的問(wèn)題；利用碳納米管提高儲(chǔ)氫能力等。

4.1 發(fā)展可逆燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池目前雖然已在212A和214型常規(guī)潛艇上采用，但與常規(guī)潛艇不同，核潛艇的質(zhì)子交換膜燃料電池不但巡航時(shí)使用，應(yīng)急推進(jìn)時(shí)也要使用。而核潛艇上攜帶的氫和氧畢竟有限，需要使用艇上的電解槽和壓氣機(jī)等設(shè)備為燃料電池制備氫和氧，供燃料電池使用。再增加一套制氫和制氧設(shè)備，會(huì)增大燃料電池系統(tǒng)的體積，因此就需采用可逆質(zhì)子交換膜燃料電池。目前這種燃料電池技術(shù)尚不成熟，但有望在未來(lái)幾年得到快速發(fā)展。

4.2 氫氧的存儲(chǔ)技術(shù)

與212A型常規(guī)潛艇類似，核潛艇燃料電池的氧氣采用壓縮氧氣方式存儲(chǔ)，壓比為200∶1～300∶1。由于受潛艇艙容限制，氫存儲(chǔ)系統(tǒng)必須具有體積效率。壓縮氫氣和液氧存儲(chǔ)是不合適的，前者體積效率低，后者需要使用制冷設(shè)備將氫氣冷卻到70 K。同時(shí)，二者都需要使用耐壓殼，需要很大的空間。目前國(guó)外比較成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)是金屬氫化物儲(chǔ)氫，相比壓縮氫氣儲(chǔ)氫和液氧儲(chǔ)氫具有較高的儲(chǔ)氫量，這種技術(shù)已在212A型和214型常規(guī)潛艇上采用。但其儲(chǔ)氫能力與核潛艇的發(fā)展需求尚有一定差距。目前國(guó)外正在發(fā)展碳納米管固態(tài)氫儲(chǔ)技術(shù)，其儲(chǔ)氫量接近金屬氫化物的2倍。

5 結(jié) 語(yǔ)

燃料電池-核動(dòng)力聯(lián)合動(dòng)力裝置是一種全新的動(dòng)力形式，利用燃料電池核潛艇可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的安靜潛航，這將對(duì)潛艇的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生重大影響；核潛艇利用燃料電池巡航或應(yīng)急推進(jìn)時(shí)，可大幅降低潛艇的聲信號(hào)和紅外信號(hào)，這將極大提高核潛艇的隱身能力；無(wú)論是以燃料電池艙段的形式插入或以分散布置形式引入，都會(huì)對(duì)核潛艇艙室布局和艙室設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響；燃料電池在核潛艇上采用后，還需要建立燃料電池的維修、保養(yǎng)、訓(xùn)練等一系列基礎(chǔ)設(shè)施?？傊?，核潛艇采用燃料電池，對(duì)核潛艇而言不啻為一場(chǎng)革命。

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Research on submarine combined fuel cell and nuclear power plant

ZHANG Lin-gen1，ZHANG Yi-nong2

(1.Navy Equipment Department, Beijing 100081,China；2.The 714 Research Institute of CSIC,Beijing 100012,China)

Nowadays the fuel cell has already used on the conventional submarines, and has a unique advantage. As the fuel cell technology is gradually mature, the possibility of its application in nuclear submarines gradually increased. In this paper, the application feasibility of fuel cell on the nuclear submarine was discussed. The fuel cell power, volume, weight and model selection were also analyzed. At the end of this paper, the advantages of application fuel cell in nuclear submarine and key technologies were summarized.

fuel cell；nuclear plant；combined power；plant submarine

2014-04-28

張林根(1965-)，男，研究方向?yàn)榕灤夹g(shù)管理。

U664.1

A

1672-7649(2014)07-0154-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.033