國外潛艇燃料電池AIP現(xiàn)狀及啟示

劉云生，陳新傳，關(guān) 濤，李 楓

國外潛艇燃料電池AIP現(xiàn)狀及啟示

劉云生，陳新傳，關(guān) 濤，李 楓

（中國人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161)

本文綜述并深入比較世界各國FC/AIP潛艇研究現(xiàn)狀、性能特點(diǎn)及發(fā)展方向，指出質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)最具吸引力。分析了PEMFC主要特點(diǎn)，梳理了PEMFC應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)，得出發(fā)展啟示，為潛艇采用FC/AIP技術(shù)發(fā)展提供針對性的指導(dǎo)。

潛艇 AIP系統(tǒng) 燃料電池

0 引言

常規(guī)潛艇一般在水下潛航2～3天就會耗盡能量上浮充電，這成為容易受到攻擊的致命弱點(diǎn)，大幅降低了隱蔽性能。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)代最新科技的探測技術(shù)不斷進(jìn)步[1]，常規(guī)潛艇面臨更大的挑戰(zhàn)。但常規(guī)潛艇所具有的低造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用低、安全性高、低輻射噪聲水平等特征是核動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)家長期努力，發(fā)展了“不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）”成為解決這一關(guān)鍵問題的重要突破點(diǎn)。相對于其它AIP，燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、聲隱身性好、紅外特征低、沒有尾跡等優(yōu)點(diǎn)，且能在不明顯增加潛艇排水量、主尺度的前提下，大幅增加潛艇的水下續(xù)航能力[2]。因此，燃料電池AIP技術(shù)最具發(fā)展?jié)摿?，其開發(fā)研究越來越受到世界各國政府和科學(xué)家的重視。

1 燃料電池AIP發(fā)展新動態(tài)

德國是研究燃料電池最積極、最成功的國家。早在上世紀(jì)80年代，德國著名的潛艇制造商霍瓦茲（HDW）公司將燃料電池加裝在U205級潛艇上，海上試驗(yàn)表明其綜合性能較好。這促使德國在出口209級常規(guī)潛艇上加裝燃料電池AIP系統(tǒng)（PEMFC/AIP），其燃料電池為西門子公司在1995年完成的35～70 kW級PEMFC單元，裝備6個單元，總功率達(dá)210 kW，潛艇在燃料電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時，航行時速可到達(dá)6.5節(jié)，以4.5節(jié)的經(jīng)濟(jì)航速航行時，航程1250海里，是未加裝燃料電池時的4倍以上[3]。德國為本國海軍建造了世界上最早裝備PEMFC/AIP系統(tǒng)的212A級潛艇，如圖1，該艇裝有9組PEMFC模塊，總功率為306 kW，航程可達(dá)14天[4]。德國在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了出口型214潛艇，如圖2，該艇由2組120 kW的PEMFC單元組成，可輸出功率240 kW，水下連續(xù)航行2～6節(jié)時能達(dá)到21天。第一艘214級艇于2004年下水，于2010年已交付使用。意大利、韓國、希臘、葡萄牙等國海軍陸續(xù)向德國訂購了共30多艘212 A和214級燃料電池潛艇。212 A、214型潛艇代表著FC/AIP系統(tǒng)的最高水平，德國提出的潛艇柴電系統(tǒng)、燃料電池AIP系統(tǒng)這兩種動力之間優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短的混合推進(jìn)系統(tǒng)方案，對潛艇動力系統(tǒng)來說開創(chuàng)了新的里程碑。

圖1 德國212A級燃料電池AIP潛艇

圖2 德國214級出口型燃料電池潛艇剖視圖

韓國在2000年～2009年先后向德國訂購了共9艘214級FC/AIP潛艇。其中第一批3艘在德國建造，已全部服役；第二批6艘潛艇由德國霍瓦茲造船廠（HDW）提供技術(shù)支持，全部在韓國大宇公司建造，現(xiàn)已陸續(xù)服役。韓國已基本具備FC/AIP潛艇的制造能力，韓華公司正在設(shè)計(jì)下一代“張保皋”Ⅲ級潛艇，該艇采用了燃料電池AIP和鋰離子動力電池技術(shù)，水下最大航速12節(jié)，水面最大航速20節(jié)，航程可達(dá)10000海里[5]。

西班牙成功研制S80型燃料電池AIP潛艇，該艇采用300 kW級燃料電池AIP系統(tǒng)。其中：氧源采用傳統(tǒng)液氧儲存罐，氫源有別于其他國家的技術(shù)路線，采用新型乙醇重整反應(yīng)制氫技術(shù)方案，乙醇重整器由本國研發(fā)，可將生物乙醇重整后獲得高純度氫氣。燃料電池AIP系統(tǒng)安裝在艇內(nèi)7.89 m艙段內(nèi)，該艙段分為上下兩層，上層裝有燃料電池系統(tǒng)、燃料儲存系統(tǒng)、二氧化碳處理系統(tǒng)等，下層裝有液氧儲存罐。S80潛艇采用燃料電池AIP系統(tǒng)，可在110 kW的功率下以4節(jié)航速潛航15天；50 kW功率下則可潛航20天[6]。

日本在2021年后服役的“蒼龍”級下一代常規(guī)潛艇上采用燃料電池AIP，以取代其現(xiàn)用的熱氣機(jī)AIP。日本目前在役“蒼龍”級潛艇采用熱氣機(jī)AIP，在“蒼龍”后續(xù)艇“皇龍?zhí)枴鄙涎b備了燃料電池和鋰電池作為新型動力系統(tǒng)，該艇配置4個100千瓦燃料電池模塊，水下續(xù)航力約為2880海里，較之前“蒼龍?zhí)枴?800海里有明顯的提升[4]。總之，該艇續(xù)航力、隱身性能、高速機(jī)動性能均得到大幅提高。

2016年4月，法國DCNS公司的短鰭梭魚級潛艇擊敗日本三菱重工的“蒼龍級”潛艇，獲得澳大利亞海軍SEA1000潛艇項(xiàng)目訂單，共計(jì)12艘潛艇，合同總金額達(dá)到500億澳元，燃料電池AIP+鋰電池動力系統(tǒng)是短鰭梭魚級擊敗“蒼龍級”的主要原因之一。法國、澳大利亞等國明確今后AIP技術(shù)路線為燃料電池AIP，放棄熱氣機(jī)AIP技術(shù)[5]。

可見，各國海軍發(fā)展的潛用燃料電池均集中在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），顯然將它用作潛艇動力系統(tǒng)的動力源，有著其他AIP系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

2 燃料電池AIP主要特點(diǎn)

目前，國外較為成熟、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)主要有燃料電池AIP系統(tǒng)（FC/AIP）和熱氣機(jī)AIP系統(tǒng)（SE/AIP）。FC/AIP系統(tǒng)的主要特點(diǎn)主要包括[5]：1）系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率高（工程上已達(dá)到50～60%），可大幅提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力；2）系統(tǒng)振動和噪聲?。娀瘜W(xué)反應(yīng)無振動噪聲），紅外輻射低，可提高常規(guī)潛艇的隱蔽性；3）反應(yīng)物是純水，可利用和易處理；4）采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單可靠；5）系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)效率較高，有利于潛艇動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；6）研制和采購價(jià)格偏貴。

綜上所述，F(xiàn)C/AIP系統(tǒng)可提高燃料利用率、降低振動噪聲、減少紅外特征、優(yōu)化總體布置，能較好地滿足潛艇對動力系統(tǒng)要求，是潛艇AIP系統(tǒng)理想的動力方案之一。

3 燃料電池AIP關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 膜電極技術(shù)

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，膜電極制備工藝是影響燃料電池性能的重要因素。質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心元件；催化劑重點(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。

3.2 雙極板技術(shù)

在膜電極的兩邊分別對應(yīng)有陽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。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕性和較高的熱導(dǎo)率，但成本高，加工難度大；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)合材料雙極板則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢。

3.3 氫源技術(shù)

由于氫氣易燃易爆，氫儲存問題是燃料電池的難題之一，要求儲氫技術(shù)具有安全性高、轉(zhuǎn)化效率高、體積小易存放、成本合理等。德國采用了金屬氫化物儲存罐技術(shù)，技術(shù)相對比較成熟，但金屬儲存罐相當(dāng)笨重。國外正在探索碳?xì)浠?、乙醇或甲醇等制氫，這些燃料具有安全性高、容易在艇上儲存等特點(diǎn)，但需要處理制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳[4]。德國下一代216型FC潛艇將采用甲醇制氫，而俄羅斯和美國擬采用柴油重整制氫技術(shù)。

3.4 輔助系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)

水熱管理包括反應(yīng)氣增濕、陰陽級液態(tài)控水、電堆溫度控制及系統(tǒng)廢熱利用。燃料電池的溫度、濕度、電壓等一些重要參數(shù)對燃料電池的性能和使用壽命有直接的影響，為此，設(shè)計(jì)出潛艇燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)將變得非常重要。

4 燃料電池AIP發(fā)展啟示

1）燃料電池AIP應(yīng)定位為潛艇主動力

最初設(shè)計(jì)思路是將燃料電池作為潛艇主動力系統(tǒng)，由于早期燃料電池技術(shù)不成熟、功率低，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。德國、俄羅斯等國提出將燃料電池作為潛艇輔助動力的設(shè)計(jì)理念，即在保留現(xiàn)有柴電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加裝一套FC系統(tǒng)，作為潛艇水下續(xù)航動力，與普通柴電推進(jìn)系統(tǒng)組成混合式推進(jìn)系統(tǒng)，解決了燃料電池的出路問題。

由于要求潛艇離開控制海區(qū)后長時間隱蔽潛航、水下續(xù)航力要大，潛艇主要依靠FC/AIP供電完成長期低速水下航行，從其功能、地位及作用來分析，F(xiàn)C/AIP已成為了潛艇主動力。柴油發(fā)電機(jī)組由原先主動力降為備用動力，世界上許多常規(guī)潛艇只保留了1臺或2臺柴發(fā)機(jī)組，只在AIP系統(tǒng)發(fā)生故障時使用。蓄電池組只有在潛艇需要高速機(jī)動等時機(jī)才使用，也基本屬于備用電源。

2）液態(tài)有機(jī)物儲氫是PEMFC/AIP系統(tǒng)較好的氫源方案

德國研制的212 A、214型潛艇均采用了金屬氫化物儲存罐技術(shù)，該技術(shù)比較成熟，但儲存罐相當(dāng)笨重，總重達(dá)200噸左右；目前正在探索乙醇、甲醇等化學(xué)制氫，這些燃料具有安全性、可靠性高、容易在艇上儲存轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，但需要處理制氫過程中產(chǎn)生的CO2在高壓下隱蔽排放等問題。德國下一代216型燃料電池潛艇將采用甲醇制氫，同樣存在CO2排放和氫氣不純等難題，因此尚未實(shí)現(xiàn)裝艇應(yīng)用。

近期國內(nèi)外液體有機(jī)儲氫技術(shù)獲得重大突破，該技術(shù)具有儲氫密度高（約5.0%，是金屬儲氫密度的3倍以上）、安全可靠、無廢氣排放、燃料儲存和補(bǔ)給方便等優(yōu)點(diǎn)，已在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用，潛艇用有機(jī)儲氫制氫樣機(jī)已與燃料電池AIP系統(tǒng)成功聯(lián)試。因此，該項(xiàng)技術(shù)是燃料電池潛艇較好的氫源方案，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注研究。

3）開展燃料電池AIP系統(tǒng)研究

按照國內(nèi)外艦艇動力統(tǒng)計(jì)，無論是柴油機(jī)、汽輪機(jī)以及AIP，每型動力升級換代周期一般為15～20年，國內(nèi)已到了升級換代窗口。目前，已基本具備FC/AIP研究條件，應(yīng)適時啟動FC/AIP系統(tǒng)研究工作，做好技術(shù)儲備，可有效地提升潛艇水下續(xù)航力[7]。

5 主要結(jié)論

1）當(dāng)今海戰(zhàn)給各國海軍潛艇戰(zhàn)術(shù)技術(shù)提出了更高要求，常規(guī)柴電潛艇現(xiàn)已難以滿足新形勢下潛艇的遠(yuǎn)續(xù)航力、高隱身性等基本要求。而AIP動力系統(tǒng)問世再次為常規(guī)潛艇的發(fā)展注入新的生命力。

2）燃料電池AIP具有工作效率高、隱身效果好、紅外特征小、無廢物排放、安全可靠以及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)潛艇較理想的AIP技術(shù)。作為一套復(fù)雜系統(tǒng)，需要解決關(guān)鍵技術(shù)后，才能在潛艇上發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3）目前燃料電池AIP技術(shù)具有較好的研發(fā)基礎(chǔ)，燃料電池AIP應(yīng)定位為潛艇主動力；應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注液態(tài)有機(jī)物儲氫技術(shù)，這是燃料電池AIP系統(tǒng)較好的氫源方案；應(yīng)適時開展燃料電池AIP系統(tǒng)研究工作，這將大幅提升常規(guī)潛艇的戰(zhàn)技術(shù)性能。

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[6] 呂強(qiáng), 張義農(nóng), 蘇強(qiáng)等. 國外常規(guī)潛艇燃料電池發(fā)展綜述[D]. 國外艦船動力速覽, 2021，1(1): 21-26.

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Current Status and Enlightenment of Submarine Feul Cell AIP Abroad

Liu Yunsheng, Chen Xinchuan, Guan Tao, Li Feng

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China )

U674.76

A

1003-4862（2021）11-0017-03

2021-09-24

劉云生(1976-)，男，高級工程師。研究方向：輪機(jī)工程。E-mail chenxzwy@163.com