燃料電池用于魚(yú)雷動(dòng)力裝置的設(shè)想

李 陽(yáng)，陸文俊，范靖華，范 劍

(1.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012;2.中國(guó)人民解放軍91352 部隊(duì)，山東 威海 264200)

1 現(xiàn)有動(dòng)力裝置分析

燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置［1］。

魚(yú)雷上所使用的動(dòng)力裝置一般有2 類［2-3］:一類是靠電能工作的叫電動(dòng)力裝置，一類是依靠熱能工作的叫熱動(dòng)力裝置。

熱動(dòng)力裝置的原動(dòng)機(jī)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料燃燒時(shí)的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。魚(yú)雷用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)是外燃機(jī)，燃料燃燒過(guò)程是在燃燒室中完成的。燃燒室是通過(guò)燃料的燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蛪毫δ?。發(fā)動(dòng)機(jī)將工質(zhì)的熱能和壓力能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)器的機(jī)械功，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。

電動(dòng)力裝置的原動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)，能源是電池。電動(dòng)機(jī)用以將電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用以帶動(dòng)推進(jìn)器。包括電池組、電動(dòng)機(jī)。

一般要求魚(yú)雷的動(dòng)力系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備要大;功率要大、功率重量比也要大;受背壓影響要小;無(wú)航跡性要好;啟動(dòng)要快;結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，工作要可靠。

根據(jù)上述要求衡量，各種動(dòng)力系統(tǒng)各有特點(diǎn)。熱動(dòng)力系統(tǒng)功率大，能量?jī)?chǔ)備也大，使魚(yú)雷有比較高的速度航程質(zhì)量指標(biāo)，但是熱動(dòng)力系統(tǒng)噪聲大，有不溶于水的廢氣排出而產(chǎn)生航跡，隱蔽性差，而且功率受海水背壓的影響。電動(dòng)力系統(tǒng)正相反，其特點(diǎn)是噪聲小，功率不受背壓影響，沒(méi)有航跡，但是其能量?jī)?chǔ)備小，功率小，魚(yú)雷的速度航程質(zhì)量指標(biāo)較低。其關(guān)系如表1 所示。

表1 2 種動(dòng)力類型對(duì)比

魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般用速度和航程2 個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。速度和航程是魚(yú)雷最主要的2 個(gè)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。這2 個(gè)性能主要由動(dòng)力系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備、產(chǎn)生的推力和魚(yú)雷航行時(shí)所受的阻力決定。速度和航程這2 個(gè)主要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能并不是互不相關(guān)的。對(duì)于采用一定的動(dòng)力系統(tǒng)，攜帶一定量能源的魚(yú)雷，速度高則航程短，速度低則航程長(zhǎng)。要綜合評(píng)價(jià)魚(yú)雷的速度航程性能，須把這2 個(gè)指標(biāo)合為一個(gè)參數(shù)，通常用SV2表示，S 是魚(yú)雷的航程，V 是魚(yú)雷的速度，這個(gè)綜合指標(biāo)叫做魚(yú)雷的速度航程質(zhì)量指標(biāo)。它反映了魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)的做功能力。

2 采用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

燃料燃燒時(shí)是把燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。雖然燃料功率密度大，單位功率的成本相對(duì)便宜，但是大部分化學(xué)能都被浪費(fèi)掉了，例如目前火力發(fā)電的效率大約僅為30% ～40%。

電池可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多。然而，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。而且電池的功率密度減小，有限的體積難以提供與熱動(dòng)力相媲美的功率。

燃料電池是一種把燃料和電池2 種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種把存貯在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。燃料在陽(yáng)極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽(yáng)極通過(guò)負(fù)載流向陰極構(gòu)成回路，產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。燃料電池工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，通過(guò)點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)釋放出電能。根據(jù)電解質(zhì)不同，燃料電池可以分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸性燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不同于普通電池。采用燃料電池的魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)需要分為3 部分:燃料艙、電池和發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃料電池的工作原理如圖1 所示。

圖1 采用燃料電池的魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理

燃料艙:用于裝CO、甲烷等相對(duì)安全的還原劑。

電池:魚(yú)雷所用的固體氧化物燃料電池的氧化劑固化于電解質(zhì)中，接收來(lái)自燃料艙輸入的還原劑，通過(guò)電池內(nèi)的反應(yīng)，產(chǎn)生電能，由電池的負(fù)極輸出。

發(fā)動(dòng)機(jī):由于電池輸出的是電能，所以燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的魚(yú)雷發(fā)動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)。

采用燃料電池的魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):

1)燃料電能能量轉(zhuǎn)換效率高。它直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因此燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池的效率在45% ～60%。

2)魚(yú)雷的能力存儲(chǔ)大、航程遠(yuǎn)。由于燃料電池的能力存儲(chǔ)是燃料，所以有存儲(chǔ)能力密度大的優(yōu)點(diǎn)。并且轉(zhuǎn)換率高，燃料電池所采用的電動(dòng)機(jī)的工作效率也勝過(guò)熱動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以同體積的燃料，采用燃料電池可以獲得更多的機(jī)械能，根據(jù)魚(yú)雷的速度航程質(zhì)量指標(biāo)，可以獲得更大的速度或者航程。

3)隱蔽性較好。由于燃料部經(jīng)過(guò)燃燒，所以不會(huì)向外界排放氣體，就不會(huì)在水面形成航跡，且不會(huì)受到航行背壓的影響。

4)發(fā)展前景廣闊。燃料電池是目前公認(rèn)的高效、環(huán)保的能源裝置，且應(yīng)用已較為廣泛。

3 采用燃料電池的先進(jìn)性

PEMFC 燃料電池目前被廣泛應(yīng)用于潛艇上。德國(guó)在燃料電池AIP 技術(shù)研究方面居于世界領(lǐng)先位置，其212A 型和214 型潛艇代表著FC/AIP 系統(tǒng)的最高水平。其214 型潛艇水下連續(xù)航行時(shí)間(2 ～6 節(jié)航速)已經(jīng)達(dá)到了3 個(gè)星期。

目前魚(yú)雷的發(fā)展趨勢(shì)可以用5 個(gè)字來(lái)概括:快、遠(yuǎn)、準(zhǔn)、狠、深。

例如世界上較為先進(jìn)的魚(yú)雷(美國(guó)的MK-50)，最大航速55 ～60 節(jié)，航程20 km，最大航深750 ～800 m。MK50 魚(yú)雷的動(dòng)力裝置采用了以鋰與六氟化硫氣體化學(xué)反應(yīng)為能源的閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)。這種先進(jìn)而獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)能量密度高，且不向外排氣。沒(méi)有排氣噪聲和航跡，從而大大降低了魚(yú)雷航行時(shí)的自噪聲和紅外特性，使魚(yú)雷具有更好的安靜性和隱蔽性。

同樣在魚(yú)雷上采用燃料電池，它不僅具有閉式循環(huán)熱動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，便于維修。目前，我國(guó)燃料電池發(fā)展較為迅速。AFC 已經(jīng)在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PEMFC 已經(jīng)廣泛作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入商業(yè)化階段，MCFC 也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段。

4 需要解決的問(wèn)題

常用的燃料電池需要采用昂貴的貴金屬粉末催化劑，才能使陽(yáng)極與燃料充分反應(yīng)，因此催化劑價(jià)格高是燃料電池廣泛使用的最大障礙。必須解決功率問(wèn)題，目前體積適合的燃料電池輸出功率遠(yuǎn)不能滿足魚(yú)雷電池組的輸出功率要求。燃料電池的啟動(dòng)速度尚不及內(nèi)燃機(jī)引擎。必須解決燃料電池工作中的衰減問(wèn)題。必須解決燃料問(wèn)題，目前投入使用的燃料依然是氫和氧，存儲(chǔ)使用都非常危險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

魚(yú)雷是目前非常重要的海戰(zhàn)武器，在現(xiàn)在海戰(zhàn)中占據(jù)的很重要的位置。使用燃料電池作為魚(yú)雷的動(dòng)力裝置是符合目前魚(yú)雷的發(fā)展趨勢(shì)的。研制燃料對(duì)于提高未來(lái)魚(yú)雷的動(dòng)力和總體性能有著重要的作用。

［1］鄧亞?wèn)|、王仲范.燃料電池的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析［J］.武漢:武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）:48-53.

［2］趙鑒，梁志君.開(kāi)發(fā)魚(yú)雷用燃料電池的設(shè)想和前景［J］.科技專論，2011（11）:187-187.

［3］汪杰，顏冬，朱彬，等.SOFC 單電池局部性能的評(píng)價(jià)與測(cè)試［J］.功能材料，2011，42（5）:951-954.