國外潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

袁 斌，趙夢文，周毓軒，王 迪，孫 震

國外潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

袁 斌1,2，趙夢文1,2，周毓軒1,2，王 迪1,2，孫 震1,2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.武漢氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430064）

分析了燃料電池在常規(guī)潛艇領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，簡述了德、韓、法、俄、印、西等國潛艇燃料電池AIP技術(shù)的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀。分析結(jié)果表明，世界主要軍事強(qiáng)國均在潛艇燃料電池AIP技術(shù)方面投入了大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)，212A、214、218SG、S80等多型燃料電池AIP潛艇已陸續(xù)服役或下水，燃料電池AIP技術(shù)已經(jīng)成為常規(guī)潛艇動力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。為了進(jìn)一步提升常規(guī)潛艇隱蔽性和續(xù)航力，燃料電池AIP技術(shù)呈現(xiàn)出三個方面的發(fā)展趨勢，一是燃料電池電堆模塊向高電流密度和功率密度方向發(fā)展，二是氫源技術(shù)由合金儲氫向現(xiàn)場制氫方向發(fā)展，三是燃料電池系統(tǒng)向高功率等級、高儲能量方向發(fā)展。

常規(guī)潛艇 燃料電池 AIP技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢

0 引言

憑借優(yōu)秀的作戰(zhàn)隱蔽性和突出的效費(fèi)比，常規(guī)潛艇自發(fā)明以來一直受到世界各國的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)成為海軍裝備體系重要組成部分。水下續(xù)航力作為評價常規(guī)潛艇綜合性能的主要指標(biāo)之一，直接決定著常規(guī)潛艇作戰(zhàn)能力和水下生存能力。傳統(tǒng)常規(guī)潛艇水下巡航主要依靠蓄電池，受制于蓄電池較低的能量密度，潛艇的水下續(xù)航力一般只有2～3天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)需求。第二次世界大戰(zhàn)期間，不依賴空氣推進(jìn)（Air-Independent Propulsion，簡稱AIP）技術(shù)進(jìn)入了研究者視野。AIP技術(shù)可使常規(guī)潛艇的水下續(xù)航力由原來的2～3天大幅延長至2～3周，被認(rèn)為是常規(guī)潛艇動力技術(shù)的主要發(fā)展方向。當(dāng)前，已經(jīng)實(shí)際裝艇應(yīng)用的主要是燃料電池AIP、熱氣機(jī)AIP和閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP，其中，燃料電池AIP應(yīng)用范圍最廣。自2003年全球首艘燃料電池AIP潛艇—德國212A型潛艇下水以來，燃料電池在常規(guī)潛艇的工程應(yīng)用已經(jīng)接近20年。近年來，為應(yīng)對日新月異的反潛技術(shù)，燃料電池AIP技術(shù)呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。本論文綜述了近年來國外潛艇燃料電池AIP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了其發(fā)展趨勢，可為本領(lǐng)域研究人員提供參考。

1 國外潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 德國潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

德國是最早研究燃料電池AIP技術(shù)的國家之一，技術(shù)水平全球領(lǐng)先。早在20世紀(jì)50年代，德國就開始了潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的研制[1]，至80年代，德國潛艇燃料電池AIP技術(shù)已基本具備工程應(yīng)用條件。1990年，德國開始醞釀以209級1200型潛艇為母型，加裝燃料電池AIP系統(tǒng)，研制世界上第一艘裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇—212級常規(guī)潛艇。此后，為了滿足意大利的需求，德國又對212級潛艇設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修改，并最終定型為212A型潛艇。212A型潛艇水下排水量1830噸，其燃料電池AIP系統(tǒng)采用“質(zhì)子交換膜燃料電池+合金儲氫”技術(shù)方案，配置有西門子公司研制的燃料電池模塊，額定功率272千瓦。裝備AIP系統(tǒng)后，212A型潛艇的4節(jié)水下續(xù)航力由209級的400海里大幅提升至1638海里。212A型潛艇首艇2005年正式交付，主要裝備德國（6艘）和意大利海軍（4艘）。

圖1 德國214型燃料電池AIP潛艇

進(jìn)入21世紀(jì)后，為了搶占競爭日益激烈的潛艇軍貿(mào)市場，德國開發(fā)了214型燃料電池AIP潛艇（見圖1），水下排水量約1860噸,配置2套西門子公司120千瓦燃料電池模塊，氫源同樣采用合金儲氫方案，其水下4節(jié)續(xù)航力達(dá)到1248海里。214型潛艇首艇于2001年開工建造，2005年正式交付，目前已經(jīng)出口至希臘、韓國、葡萄牙、土耳其等國家，訂購及服役數(shù)量超過20艘。

除214型外，212A型潛艇近年來還衍生出多個改進(jìn)型。2021年2月，意大利芬坎蒂耶里集團(tuán)與歐洲聯(lián)合軍備合作組織簽署了一份13.5億歐元的合同，旨在為意大利海軍建造4艘212NFS型燃料電池AIP潛艇的前兩艘。據(jù)悉，212NFS型潛艇長約59米，水下排水量約2000噸，首艇及2號艇將保留212A型的柴油/電力和AIP推進(jìn)系統(tǒng)，3、4號艇還會采用芬坎蒂耶里公司牽頭研制的第二代燃料系統(tǒng)。2021年3月，挪威和德國達(dá)成協(xié)議，挪威將從德國蒂森克虜伯海事系統(tǒng)公司（TKMS）采購四艘212 CD型AIP潛艇[2]。根據(jù)TKMS公司資料，212CD型潛艇將是212型潛艇的簡化型，但將增加了航程，速度和續(xù)航能力，水面排水量將達(dá)到2500噸，配置新型甲醇重整燃料電池AIP系統(tǒng)。按照協(xié)議，TKMS公司還會向德國海軍供應(yīng)2艘212CD型潛艇。

圖2 德國218SG型燃料電池AIP潛艇

與此同時，為滿足澳大利亞等國對更大噸位常規(guī)潛艇的需求，德國在2011年推出了216型燃料電池AIP潛艇設(shè)計(jì)方案。216型潛艇水下排水量約4000噸，配備4套120千瓦級燃料電池模塊，氫源采用甲醇重整制氫方案，水下續(xù)航力約2400海里。此外，德國還以214型潛艇為原型，同時納入了216型潛艇新技術(shù)，為新加坡海軍定制了218SG型潛艇（見圖2），該型潛艇配置了2套120kW燃料電池模塊，水下續(xù)航力25-30天，新加坡于2013年和2017年先后訂購了4艘，首艇“無敵號”、第二艘“無瑕”號和第三艘“光輝”號已分別于2019年和2022年下水，預(yù)計(jì)2023年交付。

1.2 韓國潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

韓國近年來將引進(jìn)消化吸收和自我研制建造相結(jié)合，其燃料電池AIP技術(shù)進(jìn)展顯著。20世紀(jì)初，在“國產(chǎn)攻擊型潛艇計(jì)劃”（KSS計(jì)劃）的支持下，韓國先后于2000年和2008年與德國簽訂了9艘214型燃料電池AIP潛艇采購協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，所有9艘潛艇均由韓國本土企業(yè)生產(chǎn)。上述9艘潛艇被命名為“孫元一”級（KSS-2），首艇“孫元一”號于2007年交付，最后一艘“申乭石”號于2020年服役。“孫元一”級潛艇的建造為韓國燃料電池AIP潛艇國產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 韓國“島山安昌浩”潛艇下水儀式

與此同時，韓國于2007年正式啟動了首型自主研制潛艇“安昌浩”級的研制工作[3]?！鞍膊啤奔墲撏Э偣步ㄔ?艘，分三個批次，每批次三艘，建成后將完全取代第一代潛艇“張保皋”級。2021年8月，首艇“島山安昌浩”號（見圖3）正式交付，該艇水下排水量3800噸，水下最高航速20節(jié)以上，水下續(xù)航力約20天。據(jù)悉，該艇搭載了由大宇造船抓總、韓國產(chǎn)研各方合作研發(fā)的國產(chǎn)燃料電池AIP系統(tǒng)。該系統(tǒng)是繼德國之后全球第二個成功開發(fā)的同型產(chǎn)品，也是全球首次在3000噸級中型潛艇上搭載。此外，2018年以來，韓國還組織大宇造船等單位開展了新一代潛艇AIP系統(tǒng)——甲醇重整燃料電池AIP系統(tǒng)的研發(fā)工作。2022年2月，韓國國防發(fā)展局宣布已完成甲醇重整燃料電池AIP系統(tǒng)（見圖4）全部研發(fā)工作，可能將率先裝備“安昌浩”級第二批潛艇。

圖4 韓國潛艇用甲醇重整制氫燃料電池

1.3 法國潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

法國是世界上少數(shù)幾個掌握常規(guī)潛艇AIP技術(shù)的國家之一。2015年，法國海軍造艦集團(tuán)（DCNS）和泰利斯集團(tuán)聯(lián)合推出了“短鰭梭魚”級燃料電池AIP潛艇（見圖5）設(shè)計(jì)方案，該型潛艇是法國新一代“梭魚”級攻擊型核潛艇的常規(guī)動力版本，水下排水量約4500噸，采用DCNS第一代燃料電池AIP系統(tǒng)。2016年12月，澳大利亞政府宣布與DCNS簽約，將向后者訂購12艘“短鰭梭魚級”燃料電池AIP潛艇。然而在美、英兩國的干擾下，澳大利亞在2021年9月單方面撕毀合同，轉(zhuǎn)而向英美購買8艘攻擊核潛艇。

2018年10月，DCNS在歐洲海軍裝備展上推出“SMX-31”新概念潛艇設(shè)計(jì)方案，采用超前設(shè)計(jì)理念和多種先進(jìn)技術(shù)，引發(fā)全球媒體的廣泛關(guān)注。SMX-31長約70米、型深13米、排水量約3000噸，選用燃料電池和超高容量鋰電池混合動力，總儲能量是當(dāng)前常規(guī)潛艇的六倍，可以在水下巡航40天。2019年7月，DCNS宣布其研制的第2代潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)取得重要突破，在模擬作戰(zhàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了水下巡航18天。據(jù)DCNS報道，第2代燃料電池AIP系統(tǒng)采用柴油重整制氫技術(shù)，該系統(tǒng)陸基試驗(yàn)已于當(dāng)年3月完成。

圖5 法國“短鰭梭魚級”燃料電池AIP潛艇

1.4 俄羅斯?jié)撏剂想姵谹IP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

俄羅斯常規(guī)潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的研制工作可追溯至20世紀(jì)70年代。1978～1986年，蘇聯(lián)特種鍋爐設(shè)計(jì)局開展了燃料電池AIP系統(tǒng)的預(yù)先研究工作。1988年，“天青石”中央設(shè)計(jì)局對613型潛艇進(jìn)行了燃料電池AIP系統(tǒng)改裝，命名為“613Э”，該樣機(jī)最終成功通過國家試驗(yàn)。1989年，蘇聯(lián)授予紅寶石設(shè)計(jì)局一份合同，委托其負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)新的第四代常規(guī)潛艇，即“拉達(dá)級”常規(guī)潛艇?！袄_(dá)級”常規(guī)潛艇（見圖6）長72米，寬7.1米，滿載排水量2800噸，計(jì)劃配置堿性燃料電池AIP系統(tǒng)，功率為300千瓦，能保證潛艇在水下以3.5節(jié)的速度持續(xù)航行1203千米。

“拉達(dá)級”首艇“圣彼得堡”號，2號艇“喀瑯施塔得”號已分別于2004年和2018年下水，3號艇“大盧基”號已于2006年開工建造，然而，由于“拉達(dá)級”潛艇采用了過多新技術(shù)，加之俄羅斯燃料電池技術(shù)成熟度偏低，上述3艘潛艇均未安裝燃料電池AIP系統(tǒng)。鑒于“拉達(dá)級”潛艇建造進(jìn)度緩慢，為避免影響戰(zhàn)備，俄羅斯于2014年宣布開始研制第五代常規(guī)動力潛艇—“卡麗娜”級常規(guī)潛艇，該型潛艇同樣裝備燃料電池AIP系統(tǒng)，水下續(xù)航力可達(dá)25天。根據(jù)此前報道，該型潛艇已于2015年完成方案設(shè)計(jì)，計(jì)劃于2020年交付俄羅斯海軍。

圖6 俄羅斯“拉達(dá)級”潛艇

1.5 印度潛艇燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

印度常規(guī)潛艇AIP技術(shù)采用自主研制和對外引進(jìn)相結(jié)合的總體路線。在對外引進(jìn)方面，2021年，印度國防采辦委員會批準(zhǔn)了代號為“P-75 India”的潛艇項(xiàng)目，計(jì)劃耗資5000億盧比（約67.1億美元）在本土建造6艘AIP常規(guī)潛艇。參與競標(biāo)的廠家包括法國海軍集團(tuán)、德國蒂森克虜伯海洋集團(tuán)、俄羅斯國防出口公司、瑞典薩博-考庫姆、西班牙納凡蒂亞公司、韓國大宇造船海洋等六家。根據(jù)招標(biāo)文件要求，“P-75 India”項(xiàng)目中潛艇國產(chǎn)化率須達(dá)到65%，國外公司必須提供關(guān)鍵系統(tǒng)的全部技術(shù)轉(zhuǎn)讓。由于提出的附加條件過于苛刻，多家公司放棄競標(biāo)，目前僅剩韓國大宇尚未退出。考慮到印度法律要求競標(biāo)方必須達(dá)到2家或以上，在新的競標(biāo)方出現(xiàn)前，該項(xiàng)目只能無限期推遲。

在自主研制方面，印度國產(chǎn)AIP系統(tǒng)的研制工作由印度國家材料研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)。據(jù)印度國防研究與發(fā)展組織（DRDO）宣稱，不同于其它國家的AIP系統(tǒng)，印度采用了一種獨(dú)特的磷酸燃料電池技術(shù)路線，能支持常規(guī)潛艇在水下潛航14天以上。資料顯示，相比于德國214型潛艇所采用的質(zhì)子交換膜燃料電池，磷酸燃料電池效率更低（大約為40%），工作溫度更高（約200℃），可靠性和穩(wěn)定性相對較差。2021年3月，DRDO宣布印度國產(chǎn)270千瓦燃料電池AIP系統(tǒng)已經(jīng)成功通過陸基原型試驗(yàn)。根據(jù)印度海軍要求，該系統(tǒng)在完成潛艇平臺驗(yàn)證后，將安裝在印方早前引進(jìn)了6艘鲉魚級（見圖7）潛艇上。

圖7 印度“鲉魚級”潛艇加裝燃料電池示意圖

1.6 西班牙燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

西班牙燃料電池AIP技術(shù)的形成與S80型常規(guī)潛艇研制密不可分。20世紀(jì)80年代末期，為了取代現(xiàn)役法制S60海豚級常規(guī)潛艇，西班牙與法國DCN達(dá)成協(xié)議，決定以S-70型潛艇為基礎(chǔ)，開發(fā)一款兼顧外貿(mào)，型號定為S80型的常規(guī)動力潛艇。至90年代初期，伴隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，西班牙對S80型潛艇的定位也進(jìn)行了調(diào)整，要求具備AIP功能，且由國內(nèi)企業(yè)獨(dú)立完成研制。

圖8 西班牙S80型潛艇首艇下水現(xiàn)場

2004年3月，西班牙海軍授予IZAR公司（現(xiàn)為Navantia）四艘S80型潛艇建造合同，按照最初合同要求，S80型潛艇長71.05米，寬度11.68米，排水量2200噸，裝備基于乙醇重整的燃料電池AIP系統(tǒng)，額定功率約300千瓦，水下續(xù)航時間可達(dá)20-30天，計(jì)劃2011年10月交付首艇，2014年全部交付完畢。然而，由于設(shè)計(jì)和計(jì)算錯誤導(dǎo)致超重，以及阿本戈亞公司（Abengoa）負(fù)責(zé)的燃料電池AIP系統(tǒng)研制進(jìn)度嚴(yán)重滯后，S80型（后期更改為S80 Plus型）潛艇首艇被延遲至2021年4月才正式下水（見圖8），且前兩艘潛艇均錯過了AIP系統(tǒng)安裝期，上述AIP系統(tǒng)將首先在第三艘和第四艘上安裝。2020年3月，Navantia公司宣布已經(jīng)成功研發(fā)燃料電池AIP系統(tǒng)，在完成驗(yàn)證后，將會順利安裝在第三艘S-80型常規(guī)潛艇上。

2 燃料電池AIP技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來，隨著海洋監(jiān)視衛(wèi)星等傳統(tǒng)反潛技術(shù)的不斷優(yōu)化，以及紅外探測等新型反潛裝備的陸續(xù)部署，常規(guī)潛艇在續(xù)航力和隱蔽性方面面臨新的挑戰(zhàn)，燃料電池AIP技術(shù)進(jìn)入發(fā)展新階段，呈現(xiàn)出以下三個方面的發(fā)展趨勢。

1）燃料電池電堆模塊向高電流密度/功率密度方向發(fā)展。作為AIP系統(tǒng)的核心設(shè)備，燃料電池電堆模塊的性能優(yōu)劣與否對AIP系統(tǒng)整體性能具有直接影響。以德國燃料電池AIP系統(tǒng)為例，其第一代燃料電池AIP潛艇212A型潛艇配備西門子公司研制的BZM34燃料電池電堆模塊，模塊電流密度約為 600 mA/cm2@ 0.72 V，功率密度約為107.6W/L；其第二代燃料電池AIP潛艇214型潛艇配備西門子公司研制的BZM120燃料電池電堆模塊，模塊電流密度約為1000 mA/cm2@ 0.70 V，功率密度約為257.5W/L。

2）氫源技術(shù)由合金儲氫向現(xiàn)場制氫方向發(fā)展。氫源技術(shù)直接決定了燃料電池AIP系統(tǒng)能量密度，是決定潛艇水下續(xù)航力的關(guān)鍵。早期的燃料電池AIP系統(tǒng)多采用合金儲氫技術(shù)，例如德國212A和214型常規(guī)潛艇。然而，由于儲氫密度偏低，基于合金儲氫技術(shù)的燃料電池AIP系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足新一代常規(guī)潛艇要求，為此，近年來研制的燃料電池AIP系統(tǒng)多采用現(xiàn)場制氫技術(shù)，如西班牙S80型潛艇采用乙醇重整制氫，德國216型潛艇和韓國第二批“安昌浩”級潛艇均采用甲醇重整制氫，法國DCNS公司第二代燃料電池AIP系統(tǒng)則采用柴油重整制氫。

3）燃料電池系統(tǒng)向高功率等級、高儲能量方向發(fā)展。為滿足未來海軍作戰(zhàn)需求，常規(guī)潛艇對燃料電池AIP系統(tǒng)的功率等級和儲能量要求不斷提升。在額定功率方面，早期燃料電池AIP系統(tǒng)額定功率較低，如德國212 A型272 kW，214型240 kW，稍晚出現(xiàn)的燃料電池AIP系統(tǒng)普遍具備更高的功率等級，如德國216型潛艇和法國DCNS公司短鰭梭魚級潛艇均配置480 kW燃料電池AIP系統(tǒng)；儲能量的增長趨勢也同樣明顯，如德國212 A型潛艇儲能量約為40 MWh，而法國短鰭梭魚級采用柴油制氫，儲能量超過100 MWh。

3 結(jié)論與展望

燃料電池不僅能夠有效提升常規(guī)潛艇續(xù)航力，還能大幅改善其隱蔽性，此外，裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇還能夠更好地適應(yīng)大潛深，燃料電池AIP系統(tǒng)對提升常規(guī)潛艇作戰(zhàn)性能效果顯著，已經(jīng)成為常規(guī)潛艇動力系統(tǒng)主要發(fā)展方向。為了進(jìn)一步提升常規(guī)潛艇隱蔽性和續(xù)航力，燃料電池AIP技術(shù)呈現(xiàn)出三個方面的發(fā)展趨勢，一是燃料電池電堆模塊向高電流密度/功率密度方向發(fā)展，二是氫源技術(shù)由合金儲氫向現(xiàn)場制氫方向發(fā)展，三是燃料電池系統(tǒng)向高功率等級、高儲能量方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，在俄烏沖突不斷加劇、國際軍事安全形勢加速惡化的背景下，燃料電池AIP技術(shù)必將進(jìn)入快速發(fā)展期。

[1] Stolten D, Emonts B. Hydrogen science and engineering: materials, processes, systems and technology[M]. New Jersey: Wiley, 2016: 991-1010.

[2] Sutton H I. Radical new stealth submarine, type-212CD, will be much larger[EB/OL]. (2021-09-14)[2023-03-18]. https://www.navalnews.com/naval-news/2021/09/radical-new-stealth-submarine-type-212cd-will-be-much-larger.

[3] Naval Technology. KSS-III (Jangbogo-III) class attack submarines, South Korear[EB/OL]. (2022-01-21) [2023-03-18]. https://www.naval-technology.com/projects/kss-iii-jangbogo-iii-class.

[4] Vavasseur X. Naval group achieves breakthrough with its FC2G AIP system[EB/OL]. (2019-07-30) [2023-03-18]. https://www.navalnews.com/naval-news/2019/07/naval-group-achieves-breakthrough-with-its-fc2g-aip-system.

Development status and trend of fuel cell-based AIP technology for submarines abroad

Yuan Bin1,2, Zhao Mengwen1,2, Zhou Yuxuan1,2, Wang Di1,2, Sun Zhen1,2

(1. Fuel Cell Department, Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 China; 2. Wuhan Hydrogen and Fuel Cell Industry Technology Research Institute Co., Ltd, Wuhan 430064 China)

TK91

A

1003-4862（2023）11-0018-05

2023-04-14

袁斌（1985-），男，高級工程師，研究方向：氫能與燃料電池。E-mail：binyuan1985@163.com.