外軍AIP 潛艇燃料電池最新儲氫技術

李世令

(海軍潛艇學院，山東 青島 266044)

自第二次世界大戰(zhàn)以來，潛艇主要還是依靠柴電推進系統(tǒng)和鉛酸蓄電池提供的電能進行航行，這些系統(tǒng)已經(jīng)獲得了很大的改進，但是潛艇在信號特征方面的改善并不是很大，在最近幾十年，常規(guī)潛艇仍然必須使用通氣管才能在水下為蓄電池充電。燃料電池的裝備為潛艇航行提供了巨大的優(yōu)勢，它能夠使?jié)撏г谒逻\行更長的時間，而且潛艇的信號水平也比較低。這是因為燃料電池與普通的電池一樣，產(chǎn)生的電能幾乎沒有任何浪費。此外，燃料電池還具有很多優(yōu)勢:高性能，排放到海水中的熱量較低，噪聲水平低，磁信號特征低，尺寸小、質量小，維護便利等。因此，可以說燃料電池完全是一種全新的系統(tǒng)，而不是對現(xiàn)有系統(tǒng)的一種改進。

1 金屬氫化物儲存罐技術

德國是最早研究并在潛艇上實際使用燃料電池的國家。德國的霍瓦特-德意志造船股份有限公司研究燃料電池已經(jīng)超過20年［1］。1988年，它們第1 次在U1 號潛艇上進行海試，測試燃料電池的性能。如今，德國海軍的U212A 級潛艇和214 級潛艇都已經(jīng)服役，而且國外的一些國家也在使用這種潛艇。燃料電池具有的優(yōu)勢使該公司贏得了大量的訂單。由于燃料電池需要在艇上進行氫——氧間的電化學反應，因此，艇上必須攜帶大量的氫燃料和氧燃料。目前，氧基本都是以液態(tài)存儲在儲罐中。但是液態(tài)氫占據(jù)的體積較大，不穩(wěn)定。如果在潛艇上攜帶大量液態(tài)氫不但使本已非常狹小的潛艇空間更加擁擠，而且存在很大的危險性。因此德國海軍在這些燃料電池AIP 潛艇上采用了金屬氫化物儲存罐技術。也就是利用高壓將氫壓入金屬內，以此來提高氫氣的儲存量。

2 甲醇轉化制氫技術

盡管現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，但是潛艇的發(fā)展趨勢應當是能夠從AIP 系統(tǒng)中獲得更多的能量。目前使用的金屬氫化物儲存罐相當笨重，潛艇的尺寸限制了艇上氫氣的儲量。通常情況，液體燃料具有很高的體積能和重量能，而且便于控制。因此，需要對燃料電池進行改進，選擇一種最好的燃料，這不僅僅影響到燃料電池系統(tǒng)的設計，而且還會對潛艇的設計和性能產(chǎn)生影響。通常候選的燃料是碳氫化合物和乙醇。與存儲純氫相比，這種燃料會產(chǎn)生二氧化碳。而二氧化碳不能在艇上存放，必須將其排放到大海。為了實現(xiàn)質量平衡，排放掉的二氧化碳的質量必須由海水來補償。因此，改進的燃料系統(tǒng)必須以燃料+氧氣(+水)的形式工作。氧氣在艇上以液體的形式存放在液氧罐內。巨大的液氧罐占據(jù)了系統(tǒng)相當大的尺寸。因此，對于AIP 系統(tǒng)來說，氧氣的消耗非常重要，并且應當盡可能緩慢?？紤]到整個AIP 系統(tǒng)的化學產(chǎn)物是水和二氧化碳。因此，在燃料的化學組成中，氫與碳的比值應當較高，因為碳比氫氧化時需要更多的氧氣。另外一個重要的因素是燃料必須在世界任何地方都能夠找到，而且它的安全性、可操作性、純度(避免使用額外的凈化器)以及轉化所需的溫度都應當使氫氣獲得的更加容易。另外，需要能夠以現(xiàn)有的西門子電池為基礎，廢氣(二氧化碳)排放壓力較高，不需要額外的廢氣壓縮機就可以將廢氣排放到周圍的海水里。最重要的是整個系統(tǒng)需要高效而可靠，可用性好。因此，德國的下一代216 型AIP 潛艇雖然仍采用燃料電池作為動力系統(tǒng)，但是該艇儲存氫氣的形式卻與上述兩級潛艇截然不同，采用了甲醇轉化制氫技術。

從通常意義上講，柴油、乙醇和甲醇這3 種物質都可以作為潛艇的燃料。但與柴油和乙醇相比，甲醇中氫與碳的比值最高，達到4∶1，而另外2 種燃料分別為2∶1 和3∶1;而且甲醇轉化效率高，非常容易轉化(轉化溫度大約為250 ℃，柴油大于850 ℃，乙醇大于700 ℃)?？偟膩碚f，選用甲醇作為燃料的優(yōu)點是:在化學結構中氫的含量高;轉化過程效率高;在全世界都可以獲得;純度高(不含硫);容易在艇上儲存;容易處理(例如燃料的添加);容易轉化［2］。不足的地方是甲醇蒸汽轉化系統(tǒng)需要提高壓力才能運行，而且氫氣提純在薄膜凈化裝置中進行，轉化過程需要通過高壓氧爐進行加熱。

在很多年以前，德國海軍曾經(jīng)計劃在第2 批212 級潛艇上采用甲醇轉化爐技術，而且霍瓦特-德意志公司也開始著手開發(fā)該項技術。然而，德國海軍后來決定仍然在212 級潛艇上使用金屬氫儲存罐存儲氫。因此，艇用甲醇轉化爐的研制過程也有所放緩。目前，霍瓦特-德意志公司在基爾已經(jīng)開始運行一個全尺寸的功能樣機，用來對該項技術進行測試。該樣機最初使用商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)進行建造，許多部件無法在艇上使用?，F(xiàn)在，適合潛艇使用的獨立的組件和系統(tǒng)已經(jīng)得到開發(fā)和組裝，并能夠對真實的運行情況進行測試。2009年，霍瓦特-德意志公司建造并測試了一個新的氣體提純裝置，該提純裝置符合軍用標準，而且已經(jīng)在不同溫度和壓力運行的情況下進行了震動測試，性能得到了驗證。提取出的氫純度非常高，能夠滿足西門子燃料電池的需求。2010年2月，甲醇轉化爐與潛艇燃料電池進行了聯(lián)合測試，并取得了非常好的效果。與從霍瓦特-德意志公司低溫儲存罐內獲得的氫相比，當燃料電池使用從甲醇轉化爐內獲得的氫進行工作時，其性能沒有任何區(qū)別。對轉化爐進行測試后表明，該系統(tǒng)的效率非常高，超過了90%。目前，霍瓦特-德意志公司已經(jīng)開始對系統(tǒng)進行整合。在甲醇燃料電池技術的優(yōu)勢逐漸凸顯，而且工業(yè)部門已經(jīng)獲得了大量的技術儲備的情況下，德國海軍計劃在216 型潛艇上使用甲醇燃料電池也就順理成章了。

圖1 甲醇轉化為氫氣的具體過程

甲醇轉化為氫氣的具體過程:甲醇與液態(tài)水混合，進入氣體轉化爐，轉化爐由沸騰的循環(huán)水進行加熱，如圖1 所示。在典型的甲醇轉化溫度下，甲醇和水的混合物被轉化為一種富含氫的氣體混合物。在轉化溫度下，絕大部分的氫都能夠從甲醇中分離，直接提供給西門子燃料電池。轉化剩余的氣體將在燃燒后為轉化過程提供所需的熱量。在加壓過程中，轉化爐中唯一的產(chǎn)物是二氧化碳，而廢氣中的水在內部被冷凝后將得到重新使用。甲醇轉化爐在一個封裝的容器內運行，具有相應的安全措施，能夠保證艇員免遭氣體和液體的傷害。

但是，甲醇轉化爐應當進行進一步的改進，以便滿足艇上運行所需的全部條件。首先，在轉化氫的過程中，熱量整合的方式將需要進一步改進，設備的閥門也需要被替換。其次，轉化爐與燃料電池的聯(lián)合運行需要進一步擴展，并對新的直流/直流轉換器進行運行和測試。最后，轉化爐需要與廢氣處理系統(tǒng)一同運行，并直接將二氧化碳排放到周圍的海水中。所有的這些步驟都將使甲醇燃料電池轉化系統(tǒng)更加接近實用。按照設計指標，在僅依靠燃料電池的情況下，216型潛艇將能夠在水下持續(xù)航行4 周，當使用4 節(jié)的經(jīng)濟航速航行時，可以持續(xù)航行2 400海里。

3 柴油重整制氫技術

為了滿足現(xiàn)代海戰(zhàn)的作戰(zhàn)需求，目前世界各海軍大國的常規(guī)潛艇普遍都安裝了AIP 系統(tǒng)。在20 個世紀80年代末，俄羅斯圣彼得堡特種鍋爐設計局(ICBC)開始研制AIP 系統(tǒng)，其最初研制的AIP 系統(tǒng)是“水晶-20”系統(tǒng)，它使用氫氣和氧氣作為原料，可以提供130 kW 的電能。在電解質的作用下，系統(tǒng)中的氧氣和氫氣相互作用產(chǎn)生水和電能。也就是說，在沒有燃燒的情況下，“水晶-20”AIP 系統(tǒng)就可以將化學能轉化成電能。其轉換效率可以到達70% ～75%，而且沒有任何機械沖擊，能夠明顯提高潛艇的隱蔽性。1991年，在經(jīng)過廣泛的測試后，“水晶-20”AIP 系統(tǒng)已經(jīng)被前蘇聯(lián)國防部所接受。但是，不久之后蘇聯(lián)解體，AIP 系統(tǒng)的研制計劃也被擱置。然而，俄羅斯圣彼得堡特種鍋爐設計局并沒有放棄AIP 系統(tǒng)的研制工作，在他們研制的第2 代“水晶-27”AIP 系統(tǒng)中，氫并不是以液體的形式儲存在罐子中，而是儲存在金屬化合物中，使其成為一種氫含量高的金屬合金，從而大大提高AIP 系統(tǒng)運行的安全性。但是由于缺乏資金，俄羅斯的常規(guī)潛艇并沒有安裝這種系統(tǒng)。1998年，俄羅斯研制了RG -99AIP 系統(tǒng)工程樣機，它是通過在現(xiàn)有潛艇上加裝一個AIP 系統(tǒng)艙段，可以使常規(guī)潛艇在水下連續(xù)航行長達20 d。安裝這種AIP 系統(tǒng)艙段是一件容易而經(jīng)濟的事情。但是，燃料組件的低溫儲存比較困難，由于氧和氫是儲存在同一個艙段的容器中，存在一定的安全隱患。在“庫爾斯克”號核潛艇遇難沉沒后，俄羅斯對于在常規(guī)潛艇上加裝AIP 系統(tǒng)艙段的熱情也降低到了冰點。因此，如何能夠安全、高效地儲存AIP 系統(tǒng)燃料成為俄羅斯常規(guī)潛艇發(fā)展的瓶頸。

目前，俄羅斯常規(guī)潛艇的AIP 系統(tǒng)主要分為熱機系統(tǒng)和電化學系統(tǒng)兩大類。其中閉式循環(huán)柴油機屬于熱機AIP 系統(tǒng)，而聚合物電解質膜燃料電池屬于電化學AIP 系統(tǒng)［3］。與燃氣輪機和柴油機不同，燃料電池不需要燃燒，因此不會產(chǎn)生過多的污染物，比如一些氮氧化物等。而且燃料電池的工作效率遠遠高于內燃機。此外，燃料電池也允許采用分布式動力系統(tǒng)。不像傳統(tǒng)的發(fā)動機，分布式動力系統(tǒng)能夠將功率分配到整艘潛艇，而不是集中在潛艇的主軸上。氫和液氧是燃料電池2 種必備的燃料，但是氫在潛艇上儲存困難，具有一定的危險性。因此，俄羅斯在П -650Э 等小型AIP 潛艇上并沒有攜帶現(xiàn)成的氫，而是利用柴油重整提取氫，以此來作為燃料電池的氫燃料。柴油是一種二次能源，按照目前的觀點，傳統(tǒng)高效柴油機的能源轉化效率只有30%左右。然而，如果將柴油轉化為氫氣，再通過燃料電池將其化學能直接轉變成電能，其能源轉化效率就可以達到50%以上。近年來，柴油重整制氫已經(jīng)深入到燃料電池與制氫技術領域，成為燃料電池氫源技術的重要來源之一。柴油重整制氫可以有水蒸氣重整(SR)、氧重整(OX)、部分氧化重整(POX)和自熱重整(ATR)多種方式，這些重整過程都要借助催化劑來完成。由于柴油碳鏈較長，無論以哪種方式制氫，都非常容易析碳，所以柴油重整制氫的催化劑需要具有高活性、長壽命、抗析碳的特點。柴油自熱重整制氫要通過放熱的氧重整和吸熱的水蒸氣重整之間的熱量耦合來實現(xiàn)，除上述要求外，催化劑還需要能夠經(jīng)受住反復的氧化還原，并有較好的熱穩(wěn)定性，而且也允許使用標準的柴油作為燃料，不需要復雜的陸上勤務。據(jù)悉，美國海軍也已經(jīng)研制出新型的燃料電池，它們能夠使未來的艦船得到更大的推進電力和設計靈活性。在此基礎上，美國海軍正在開發(fā)一種新型的推進系統(tǒng)。為了確保能夠迅速地向這種前景光明的技術轉移，美國海軍正在積極研究能夠從柴油中提取氫的方法。由此可見，柴油重整制氫的優(yōu)勢——燃油成本相對較低，系統(tǒng)噪聲小，而且海軍也能夠輕松地建立采購、儲存和運輸?shù)认嚓P基礎設施——正吸引包括美國和俄羅斯在內的海軍強國積極投身于該系統(tǒng)的研究和使用當中。

4 結束語

目前，從燃料電池在潛艇上的實際使用情況來看，金屬氫化物儲存罐技術比較成熟，能夠提供潛艇動力系統(tǒng)所必需的氫燃料，而且安全可靠。但是金屬氫化物儲存罐的生產(chǎn)加工技術難度大，并且受到技術保護，儲存罐的更換必須到原生產(chǎn)廠家進行，這使得潛艇的自主性和行動范圍受到極大制約。甲醇轉化制氫和柴油重整制氫技術的成本較低，潛艇依靠自身攜帶的甲醇和柴油即可制造出高純度氫，解決了氫燃料不易攜帶的問題。然而，這2 種技術還存在一定的難題，目前并未在AIP 潛艇上實現(xiàn)廣泛地實用化?？傊瑢τ谌剂想姵貋碚f，不論是哪種儲氫技術，其最終目的都是應當能夠為潛艇提供足夠而安全的氫燃料。

［1］Robert Petersson.KOCKUMS:Presentation at Polish-Swedish Defence Industry［R］.［S.l.］:［s.n.］，2009.

［2］Krummrich S.Hydrogen Production Technologies［R］.［S.l.］:［s.n.］，2010.

［3］MALAKHIT. P-650E diesel-electric submarine design has an air-independent propulsion system［R］.［S. l.］:［s.n.］，2009.