綻放異彩的燃料電池AIP系統(tǒng)—國(guó)外常規(guī)潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

吳飛，周蕾，皮湛恩

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綻放異彩的燃料電池AIP系統(tǒng)—國(guó)外常規(guī)潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

吳飛1，周蕾1，皮湛恩2

(1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064； 2. 海軍裝備部，北京 100036 )

常規(guī)動(dòng)力潛艇亦稱為柴-電潛艇，其具有三種航行狀態(tài)：水面航行狀態(tài)、通氣管航行狀態(tài)、水下巡航狀態(tài)。前兩種航行狀態(tài)的動(dòng)力由柴油機(jī)或發(fā)電機(jī)提供，而真正隱蔽的水下巡航的動(dòng)力來源于艇上的蓄電池組。由于艇載蓄電池的數(shù)量和容量有限，因此，水下巡航的潛艇間隔一段時(shí)間（幾小時(shí)或幾天）必須浮出水面，通過柴油機(jī)為蓄電池充電。這時(shí)，處于暴露狀態(tài)的潛艇極易被敵方的各型反潛設(shè)備捕捉到并受到攻擊，從而喪失了對(duì)抗的主動(dòng)權(quán)。

水下續(xù)航力是常規(guī)潛艇最重要的戰(zhàn)技指標(biāo)之一，也是常規(guī)潛艇作戰(zhàn)和水下生存的基礎(chǔ)。為了提高常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)效能，長(zhǎng)期以來，潛艇設(shè)計(jì)者一直在探索和研究不依賴空氣的推進(jìn)裝置(Air Independent Propulsion，簡(jiǎn)稱AIP)，以增大常規(guī)潛艇水下續(xù)航力，提高潛艇的隱蔽性和安靜性。在二戰(zhàn)期間，德國(guó)及前蘇聯(lián)就曾涉足AIP動(dòng)力系統(tǒng)的研究。90年代中期，熱氣機(jī)、燃料電池、閉式循環(huán)汽輪機(jī)等形式的AIP系統(tǒng)相繼研制成功并進(jìn)入實(shí)用性階段。隨后，全世界范圍內(nèi)掀起了一股AIP系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)熱潮。從目前各國(guó)潛艇裝備的AIP系統(tǒng)來看，燃料電池AIP（FC/AIP）系統(tǒng)在諸多方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其在以德國(guó)212A、214型潛艇為代表的潛艇上裝艇服役，給常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)帶來一場(chǎng)新的革命。

1 德國(guó)海軍的最終選擇—燃料電池AIP系統(tǒng)

德國(guó)的潛艇技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平，也是世界上最早研究AIP系統(tǒng)的國(guó)家之一。早在二戰(zhàn)期間，德國(guó)就曾研制成功過一種不依賴空氣的推進(jìn)系統(tǒng)，只是因其系統(tǒng)效率較低，安全性差而未投入使用。到了20世紀(jì)50年代，德國(guó)同時(shí)開展燃料電池和閉式循環(huán)柴油機(jī)兩種AIP系統(tǒng)的研制。20世紀(jì)80年代，研制工作取得了突破性進(jìn)展，兩種AIP系統(tǒng)均進(jìn)入了實(shí)用階段。后來經(jīng)過多輪次的對(duì)比論證和試驗(yàn)，德國(guó)海軍最終選擇了燃料電池作為所設(shè)計(jì)新型潛艇的AIP動(dòng)力系統(tǒng)。

德國(guó)海軍之所以更加青睞燃料電池AIP系統(tǒng)，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有其他AIP系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

效率高：燃料電池直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)限制，轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%以上，遠(yuǎn)高于其他內(nèi)燃機(jī)的效率。

無尾流特征：燃料電池AIP系統(tǒng)以氫氣為燃料，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，該系統(tǒng)是目前唯一不需要考慮廢氣排放的AIP系統(tǒng)。熱機(jī)AIP系統(tǒng)通常以專用低硫柴油為燃料，燃燒產(chǎn)物包括CO、CO2等廢氣，當(dāng)潛艇在較淺深度航行時(shí)，尾流特征明顯，導(dǎo)致潛艇的隱蔽性降低。

隱身性好：燃料電池系統(tǒng)本身不存在任何運(yùn)動(dòng)部件，因此幾乎不產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)與噪聲。聲特征信號(hào)極低，綜合隱身性好。在通常作戰(zhàn)條件下，幾乎無法被探測(cè)到，是名副其實(shí)的安靜型常規(guī)潛艇。

工作潛深大：燃料電池AIP系統(tǒng)不需要排放廢氣，因而其工作深度不受潛艇潛深影響，裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇潛深可達(dá)500米以上，而熱機(jī)AIP系統(tǒng)的有效工作深度目前不超過300米。

電堆模塊化設(shè)計(jì)：燃料電池AIP系統(tǒng)中的燃料電池電堆采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。在潛艇內(nèi)部可進(jìn)行分布式或集中式布置，并能根據(jù)系統(tǒng)功率輸出要求、重量分配均衡和空間有效利用原則機(jī)動(dòng)靈活地進(jìn)行模塊化組裝。

此外，與其他AIP系統(tǒng)相比，燃料電池AIP系統(tǒng)還具有體積小、輸出功率平穩(wěn)、無機(jī)械振動(dòng)、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在水下深潛器、水下不間斷電源等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)成功將燃料電池AIP系統(tǒng)應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的水下自主航行器（AUV）和無人水下航行器（UUV）上。

2 212A和214—燃料電池AIP潛艇的代表作

德國(guó)海軍確定燃料電池AIP系統(tǒng)作為新型潛艇的AIP系統(tǒng)后，德國(guó)的霍瓦滋（HDW）造船廠于1987年在205級(jí)的U1潛艇上加裝了燃料電池AIP系統(tǒng)。1988年夏天至1989年3月進(jìn)行了歷時(shí)9個(gè)月的海上試航試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)燃料電池AIP系統(tǒng)運(yùn)行正常，安全可靠，加裝該系統(tǒng)的U1潛艇水下續(xù)航力、安靜性、隱蔽性等技術(shù)指標(biāo)大幅度提高。

圖1 德國(guó)212A型潛艇剖面結(jié)構(gòu)示意圖

1991年，德國(guó)國(guó)會(huì)通過了212A級(jí)潛艇正式設(shè)計(jì)方案審查。2002年3月，首艘212A級(jí)燃料電池AIP潛艇在HDW船廠下水，經(jīng)過一系列性能試驗(yàn)和18個(gè)月海上考核試驗(yàn)后，2003年9月正式交付德國(guó)海軍服役。該燃料電池AIP系統(tǒng)包括9個(gè)34 kW燃料電池模塊、液氧儲(chǔ)罐、儲(chǔ)氫合金罐等，總輸出功率達(dá)306 kW。單靠燃料電池AIP系統(tǒng)航行時(shí)，212A型潛艇的潛航航速可達(dá)8節(jié)；當(dāng)以4.5節(jié)航速潛航時(shí)，該系統(tǒng)還可提供11 kW的生活用電，同時(shí)續(xù)航力可達(dá)2315 km，潛航時(shí)間達(dá)278 h，比未裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的209型潛艇的水下續(xù)航力提高了4.4倍。與其他同級(jí)別AIP潛艇相比也處于領(lǐng)先水平（對(duì)比數(shù)據(jù)見表1），堪稱常規(guī)AIP潛艇的代表作。

德國(guó)針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的常規(guī)潛艇出口市場(chǎng)，研制成功了具有212A型燃料電池AIP技術(shù)和原209型潛艇經(jīng)濟(jì)性的出口214型燃料電池潛艇。該型潛艇裝備了2組質(zhì)子交換膜燃料電池單元，總輸功率240 kW。氫源也采用了金屬儲(chǔ)氫方案，4節(jié)水下續(xù)航力為1324海里。2011年，德國(guó)在國(guó)際潛艇學(xué)術(shù)交流會(huì)上推出216級(jí)潛艇概念方案，采用鋰離子電池加燃料電池AIP系統(tǒng)，以甲醇重整形式供氫，水下續(xù)航時(shí)間可達(dá)28天。

表1 幾種AIP潛艇的主要指標(biāo)比較

3 燃料電池AIP潛艇深受世界各國(guó)海軍青睞

燃料電池AIP系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、靜音效果好、無紅外和尾流特征、工作潛深大、配置機(jī)動(dòng)靈活等諸多技術(shù)特點(diǎn)，該系統(tǒng)自裝艇服役以來，獲得了世界各國(guó)海軍的廣泛關(guān)注。212A型潛艇裝備德國(guó)和意大利海軍，前者分兩批共采購(gòu)6艘，后者分兩批共采購(gòu)4艘。214型潛艇是目前國(guó)際AIP潛艇軍貿(mào)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。截至2012年底，該型潛艇服役或訂購(gòu)的數(shù)量已近30艘，列裝和訂購(gòu)國(guó)家包括希臘、葡萄牙、韓國(guó)、土耳其等，目前的列裝和訂購(gòu)情況如下：

● 希臘海軍2000年2月向德國(guó)定購(gòu)了4艘214型潛艇，成為購(gòu)買214型潛艇的第一個(gè)買家。首艇“帕帕尼科利斯”號(hào)已于2010年11月2日交付希臘海軍；

● 韓國(guó)海軍于2000年11月同德國(guó)簽署了3艘總價(jià)值11億美元的214型潛艇的采購(gòu)合同，目前這三艘已經(jīng)全部服役。2009年1月，韓國(guó)又簽署了第二批6艘潛艇的建造合同；

● 葡萄牙海軍于2004年向德國(guó)定購(gòu)了2艘總價(jià)值8億歐元的214型潛艇，目前這兩艘潛艇已經(jīng)服役；

● 土耳其海軍于2008年7月與德國(guó)霍瓦茲造船廠簽署合作協(xié)議，為土耳其建造6艘214型潛艇，首艇計(jì)劃于2014年服役；

● 南非海軍參照214型潛艇，在4艘209型潛艇上加裝了FC/AIP艙段；

● 巴基斯坦于2008年11月26日宣布同意購(gòu)買德國(guó)3艘總價(jià)值為10億美元的214型潛艇，由于政治方面的問題，雙方暫時(shí)沒有最終簽署協(xié)議。

圖2 德國(guó)214型常規(guī)潛艇

2013年12月，世界多家軍事媒體報(bào)道了一條新聞，證實(shí)新加坡將購(gòu)買兩艘德國(guó)最新型的218SG型常規(guī)潛艇。據(jù)悉，該型潛艇是德國(guó)設(shè)計(jì)的216型潛艇的出口版，預(yù)計(jì)于2020年交付新加坡海軍。

除了一些國(guó)家通過軍貿(mào)方式采購(gòu)燃料電池AIP潛艇，近年來，許多國(guó)家開始自主設(shè)計(jì)、研制燃料電池AIP潛艇。俄羅斯在“比拉魚”型潛艇上試驗(yàn)了燃料電池，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們?cè)诖嘶A(chǔ)上設(shè)計(jì)的“阿穆爾”級(jí)潛艇有燃料電池AIP方案，設(shè)計(jì)功率達(dá)到390 kW。西班牙以鲉魚級(jí)潛艇為基礎(chǔ)開發(fā)出S80級(jí)潛艇。該艇采用柴電動(dòng)力與燃料電池AIP混合作為動(dòng)力源，燃料電池AIP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸出功率達(dá)到200kW。由于裝備了燃料電池AIP系統(tǒng)，S80級(jí)的水下續(xù)航時(shí)間可超過17天，水下持續(xù)航行距離達(dá)到1500海里以上。日本防衛(wèi)省推出的“高科技潛艇”研制計(jì)劃中，將正在研發(fā)中的燃料電池AIP系統(tǒng)作為代替斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP系統(tǒng)的備選方案，以進(jìn)一步提高潛艇的水下續(xù)航力。西班牙、加拿大、英國(guó)、挪威等國(guó)也均有相應(yīng)研究計(jì)劃。到2020年，至少有40艘燃料電池AIP潛艇在各國(guó)服役，它們將成為上述國(guó)家海軍的主要水下作戰(zhàn)力量。

4 關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破—燃料電池AIP系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)

燃料電池AIP系統(tǒng)由燃料電池電堆、氫源、氧源、水熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)包括燃料電池模塊技術(shù)，氫、氧制備儲(chǔ)存技術(shù)，系統(tǒng)安全保障等。從國(guó)外近幾十年的研究開發(fā)及實(shí)艇應(yīng)用情況來看，上述關(guān)鍵技術(shù)均已得到了很好的解決，這也是燃料電池AIP系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。

4.1 燃料電池模塊的可靠性

燃料電池電堆模塊是燃料電池AIP系統(tǒng)的核心，其可靠性決定整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。國(guó)外早期大量的研究實(shí)踐證明，氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是最適合AIP潛艇動(dòng)力系統(tǒng)使用的燃料電池。該類型電池具有啟動(dòng)快、能量密度高、工作溫度低、制作工藝簡(jiǎn)單、使用壽命較長(zhǎng)等技術(shù)特點(diǎn)。德國(guó)212A、214型潛艇分別采用的是BZM34和BZM120型氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池，在環(huán)境溫度條件下，參加反應(yīng)的氫、氧氣體不需要進(jìn)行其他處理，直接通過管路輸送至燃料電池模塊，即可啟動(dòng)產(chǎn)生電能。

質(zhì)子交換膜燃料電池研制初期，由于電解質(zhì)膜穩(wěn)定性差，其早期的壽命較低。自杜邦公司60年代初開發(fā)出Nafion膜以來，燃料電池模塊的壽命大幅度提升。近十幾年來，隨著新型三維有序化電極結(jié)構(gòu)的深入研究以及新型抗毒化催化劑的開發(fā)應(yīng)用，大幅降低了整個(gè)燃料電池成本，可保證燃料電池性能穩(wěn)定且進(jìn)一步提高其工作壽命。隨著Nafion膜的不斷改進(jìn)和新型膜的開發(fā)，膜電極、雙極板相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步突破，燃料電池模塊的可靠性和穩(wěn)定性將大幅度提高。

4.2 氫、氧的制備、儲(chǔ)存及使用

燃料電池AIP系統(tǒng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。國(guó)外相關(guān)資料顯示，普通純氫即可滿足212A、214型潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的運(yùn)行需求。這種純度級(jí)別的氫氣可通過多種非常成熟并大規(guī)模應(yīng)用的制氫技術(shù)獲得，如水電解制氫、水煤氣制氫、氨分解制氫、甲醇裂解制氫和氯堿工業(yè)尾氣制氫等。雖然自然界中不存在氫資源，但是自然界中的風(fēng)能、太陽(yáng)能等取之不盡、用之不竭的能源可以轉(zhuǎn)換為氫資源。近年來，德國(guó)、瑞典、英國(guó)等歐美國(guó)家大力推廣應(yīng)用的風(fēng)能和光能發(fā)電制氫技術(shù)，即是將風(fēng)能、太陽(yáng)能等初始能源通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換為電能，供給電解水裝置制得氫氣，通過增壓將氫氣儲(chǔ)存起來，然后供應(yīng)給燃料電池電站、加氫站等。這種制氫方式具有成本低廉、能量利用率高、氫氣純度高、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)。

圖4 德國(guó)212A型常規(guī)潛艇的合金儲(chǔ)氫罐組布置局部圖

氫氣儲(chǔ)存技術(shù)包括：金屬儲(chǔ)氫、碳纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫等。金屬儲(chǔ)氫是利用儲(chǔ)氫合金與氫氣反應(yīng)生成穩(wěn)定的金屬氫化物，放氫過程伴隨吸熱反應(yīng)，即可通過熱量供給實(shí)現(xiàn)放氫控制，因而金屬儲(chǔ)氫技術(shù)安全，可靠性高。德國(guó)212A和214型潛艇均采用鈦鐵系金屬儲(chǔ)氫技術(shù)，合金儲(chǔ)氫罐組布置于艙底附加龍骨里，作為壓載使用，有效解決了氫燃料的空間布置和潛艇配重問題。目前，鈦鐵系金屬儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫率在1.8~2.0 wt%，隨著材料及罐組裝相關(guān)技術(shù)的突破，金屬儲(chǔ)氫密度將進(jìn)一步提高。其它儲(chǔ)氫材料如釩基固溶體合金儲(chǔ)氫密度為2.2~3.0wt%，鎂系合金儲(chǔ)氫密度為2.2~4.5 wt%。碳纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫技術(shù)也比較成熟，目前，國(guó)外開發(fā)出的70 MPa和35 MPa兩種產(chǎn)品已在車船等交通運(yùn)輸工具上試用。

液氧廣泛應(yīng)用于軍、民諸多領(lǐng)域，其艇用儲(chǔ)存、釋放技術(shù)已非常成熟。液氧通常采用空氣液化分離技術(shù)制取，其中含有N2、CO2、Ar等微量雜質(zhì)，上述雜質(zhì)氣體對(duì)燃料電池模塊幾乎不產(chǎn)生任何影響。AIP潛艇使用的氧均以液氧方式儲(chǔ)存于高真空絕熱的耐低溫金屬罐中，通過吸收燃料電池模塊產(chǎn)生的廢熱使液氧汽化為氣態(tài)氧，經(jīng)調(diào)壓裝置減至合適壓力后供給燃料電池模塊。國(guó)外相關(guān)資料顯示，德國(guó)212A和214型潛艇攜帶液氧的純度均為工業(yè)級(jí)，成本低，易獲取，完全滿足燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行及艇員呼吸用氧要求。

4.3 系統(tǒng)的安全性

燃料電池AIP系統(tǒng)的安全性包括燃料電池模塊的安全性、氫氧使用的安全性、系統(tǒng)運(yùn)行安全保障性等方面。

燃料電池模塊的安全性方面，在燃料電池系統(tǒng)裝入潛艇之前，德國(guó)HDW船廠進(jìn)行了大量的陸上試驗(yàn)和海上試驗(yàn)，結(jié)果表明燃料電池模塊運(yùn)行正常、安全可靠，適裝性良好。212A型潛艇裝備的質(zhì)子交換膜燃料電池模塊由德國(guó)西門子公司提供，為防止燃料電池反應(yīng)過程中反應(yīng)物泄露，燃料電池模塊被設(shè)置在耐壓的箱裝體容器中，充以惰性氣體保護(hù)，有效保障了燃料電池模塊的安全可靠性。

氫氧儲(chǔ)存的安全性方面，212A、214型潛艇均采用鐵鈦系合金儲(chǔ)氫。合金儲(chǔ)氫是一種安全的儲(chǔ)氫方式，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入合金晶格間隙并與金屬原子發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的金屬氫化物，只有在供給熱量時(shí)才可控地釋放氫氣。儲(chǔ)氫合金被儲(chǔ)存在耐壓的合金儲(chǔ)氫罐中，罐組替代部分壓鐵，布置于潛艇的耐壓殼體外，可承受槍炮擊打等劇烈沖擊振動(dòng)。金屬儲(chǔ)氫經(jīng)過十余年的裝艇實(shí)用，證明其安全性、可靠性良好。

系統(tǒng)運(yùn)行安全性方面，燃料電池AIP系統(tǒng)的運(yùn)行既可通過潛艇中央集成控制平臺(tái)操控，也可通過系統(tǒng)各組成單元的本地控制平臺(tái)操控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有啟動(dòng)巡檢、運(yùn)行監(jiān)控、故障報(bào)警、故障停機(jī)、關(guān)機(jī)等控制程序，最大限度保障了燃料電池AIP系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行、停止時(shí)的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

燃料電池AIP系統(tǒng)與其他幾種AIP系統(tǒng)相比，在工作效率、隱蔽性、安靜性、續(xù)航力等方面具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更符合未來常規(guī)潛艇超靜音、大潛深、長(zhǎng)續(xù)航力的發(fā)展趨勢(shì)。

以212A、214型潛艇為代表的燃料電池AIP潛艇深受世界各國(guó)海軍的青睞。從燃料電池AIP系統(tǒng)研究應(yīng)用的歷史階段及其發(fā)展方向來看，燃料電池AIP系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破，而高度集成化、長(zhǎng)壽命燃料電池模塊，大容量高效儲(chǔ)氫方式等方面是燃料電池AIP系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2014-06-06

吳飛（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：能源化工新材料。