德國潛艇用燃料電池進展

張翔明

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

燃料電池最初就是為潛艇使用的數千瓦級能源而開發的。20世紀80年代初Simens公司開始研究質子交換膜燃料電池(PEMFC)作電源的AIP(不依賴空氣動力裝置)潛艇。德國AIP技術已經相當成熟與完善，2003年4月試航了212A型U31潛艇，其為世界上第一艘現代化AIP質子交換膜燃料電池潛艇。

PEMFC用作潛艇AIP推進動力源，與斯特林發動機（瑞典考庫姆公司開發的潛艇AIP動力系統）、閉式循環柴油機相比，除了效率高這一優點外，還具有如下優勢：（1）向海水輻射的熱能少，紅外特征很小；（2）基本不向艇外排放廢物，尾流特征很小；（3）超安靜運行，聲信號特征很低；（4）在攜帶相同質量或體積的燃料和氧化劑時，續航能力最強，是斯特林發動機的兩倍。所以PEMFC潛艇隱形效果極好，潛艇的生存力與戰斗力得到極大的提高。

1 潛艇用質子交換膜燃料電池原理及結構

PEMFC作為一種使用氫氣和氧氣作為反應物、反應副產物只有水的發電裝置，膜電極將化學能的電化學元素轉化為電能。燃料(含氫、富氫)氣體和氧氣通過雙極板上的導氣通道分別到達電池的陽極和陰極，反應氣體通過電極上的擴散層到達質子交換膜。在膜的陽極一側，氫氣在陽極催化劑的作用下解離為氫離子(質子)和帶負電的電子，氫離子以水合質子H+(nH2O)的形式，在質子交換膜中從一個磺酸基(-SO3H)轉移到另一個磺酸基，最后到達陰極，實現質子導電。質子的這種轉移導致陽極出現帶負電的電子積累，從而變成一個帶負電的端子(負極)。陰極的氧分子與催化劑激發產生的電子發生反應，變成氧離子，使陰極變成帶正電的端子(正極)，其結果在陽極帶負電終端和陰極帶正電終端之間產生了一個電壓。如果此時通過外部電路將兩極相連，電子通過回路從陽極流向陰極，從而產生電能。同時，氫離子與氧離子發生反應生成水。與其他燃料電池相比較，這種PEM燃料電池不僅僅是安靜且無損耗而且還具有高效能，低廢熱排放和較低工作溫度的特點。

燃料電池系統構成與一般電池有很大差別。燃料電池的大小決定系統的輸出功率，與儲存能量多少無關；反應物質多少決定系統儲存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲存能量，只需增大反應物質及其存儲裝置，無須增大能量轉換裝置，即燃料電池。反應物質用完后，補充反應物質即可，無需更換燃料電池。系統配置靈活，便于安裝，燃料電池是由若干個電池單元串、并聯而成，可根據潛艇內部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對于動力裝置需要功率范圍寬而效率高的要求。

212A潛艇與214潛艇上的質子交換膜燃料電池系統(FC-AIP)，在潛艇用AIP混合動力中，其綜合性能上是最優秀的。但燃料電池要解決的難題之一就是氫的儲存問題。由于氫氣屬于活潑氣體，易燃易爆，在空氣含量中超過4%，即有爆炸的威脅，嚴格控制艙室空氣中的氫含量，是潛艇大氣環境控制的重要任務。但是FC-AIP的燃料就是氫，這就必須解決艇上儲氫的安全問題。常規的罐裝液態氫，儲存方式簡單成本低，但卻不適合裝艇，因為當受到魚雷、深彈的攻擊時，罐裝貯存的氣液態氫，在爆炸后產生的沖擊振動下，容易產生二次殉爆，導致更嚴重的次生事故發生。直到戴姆勒－奔馳公司研制出了貯氫合金后，FC-AIP上艇的最大難題終于被解決。

燃料電池在工作中需要添加輔助設備，燃料電池堆、控制閥、配管和傳感器形成燃料電池組件，相應的組件控制燃料電池正常工作。輔助設備進行H2、O2和N2的輸送、反應物加濕、去除反應生成物水、廢熱和多余氣體。燃料電池堆和輔助設備安裝在裝有3.0×105Pa的輸入氣體（N2）貯存箱中以避免H2和O2的泄漏。燃料電池可在不同的靜態負載電流下工作，30～40 kW組件和120 kW組件的電流分別低于650 A和560 A，并可連續工作。由于在高電流下產生的熱不能及時充分排除，所以高于標稱電流的工作時間是限定的，對于每一個負載的電流都可以雙倍于標稱電流短時間停留。

2 德國潛艇用質子交換膜燃料電池的實例

2.1 加裝氫氧燃料電池AIP系統的209級潛艇

堿性氫氧燃料電池在205級潛艇上初步試驗成功，鼓舞了人們在常規潛艇上加裝AIP系統的信心，于是決定在出口的209級潛艇中加裝氫氧燃料電池分段進行海下試驗。

采用的燃料電池是西門子公司于1995年完成的35～70 kW質子交換膜氫氧燃料電池（PEMFC）單元。其電池本體是由72個單電池組成的，它和輔助裝備以及部分電氣設備，都裝在耐壓容器中。在容器中充滿3.5 Pa壓力的氮氣，以防止電池系統泄漏物直接作用。

在209級潛艇中加裝的氫氧燃料電池分段長度為6.5 m，直徑與耐壓殼相同，容積為2000 m3。燃料電池組是由西門子公司生產的6個PEMFC單元組成，總功率為210 kW。6個單元分上下兩排安放，各單元間相互連結構成一體。電池組及其輔助系統放在甲板之上；2個液氧儲槽可儲14噸液氧，24個儲氫鋼瓶可儲存近1.7噸的氫，它們均放在甲板以下。

加裝氫氧燃料電池分段后的209級潛艇，總長度由原來的54.7 m增加到61.2 m，水面排水量由原來的1200 m3增加到1420 m3，燃油由原來的100噸減少到98噸，柴油發電機組和蓄電池數均保持不變。該艇單獨用燃料電池供電航行，最高時速可達6.5節。用4.5節常規速度航行時，燃料電池AIP系統除了可以提供11 kW的生活和輔機用電外，潛艇可一次潛航278 h，航程1250海里。原來用蓄電池供電只能潛航390海里，用燃料電池 AIP系統和蓄電池共同供電，則水下可一次潛航1640海里，是未加裝 AIP系統的4倍以上。此外，潛艇的暴露率也由原來的9%下降到6%。

2.2 加裝氫氧燃料電池 AIP系統的212級潛艇

212級潛艇中燃料電池系統包括：燃料電池；氫源（性能與209級潛艇相同）；氧源是2個液氧儲槽，它的直徑與209級潛艇所用的相同，但長度有所增加。

加裝氫氧燃料電池AIP系統分段的212級潛艇排水量為1350噸，長度53.5 m，寬度為6.8 m。在海下試航試驗過程中，用燃料電池單獨為推進電機供電，潛艇航速可達8節，航程約900海里；用燃料電池與蓄電池并聯為推進電機供電，潛艇航速可達8節。

212A級潛艇是由德國霍瓦茲公司和北海船廠合作開發的，它是世界最早采用加裝氫氧燃料電池AIP系統的潛艇。每艘212A型艇都有9組質子交換膜燃料電池，每組的輸出功率為30～40 kW，這樣9組共有約300 kW，這就可以用AIP航行約14天，和原212型設計的只有6組燃料電池相比，功率增加了大約100 kW。

2.3 加裝氫氧燃料電池AIP系統的214級潛艇

214級潛艇推進裝置的核心是燃料電池，該電池以212級上采用的燃料電池為基礎，214級潛艇將燃料電池系統完全集成到潛艇平臺上。AIP系統的性能增強，使用的二套西門子PEM燃料電池模塊，每套模塊產生120 kW功率，安裝兩套總功率為240 kW，給潛艇提供長達二個星期的水面下持久力，同時降低了每千瓦功率費用。

3 德國燃料電池成功應用的分析

燃料電池AIP系統在德國潛艇中得到實際應用，并且得到許多國家的認可和訂購，可以認為這是至今燃料電池最成功的實用范例。

（1）燃料電池比能量高于鉛蓄電池，但比功率卻只有鉛蓄電池的一半（約100 W/kg）。這就決定了燃料電池和鉛蓄電池組合而成的混合動力系統具有更大的優越性。為了使水下一次性續航力提高4倍，若單獨用蓄電池，則蓄電池的數量必須擴大4倍，顯然這是潛艇總體不允許的。使用燃料電池則只要加一節艙段就可，大大節約了潛艇總體的質量和空間。如果沒有鉛蓄電池，那么潛艇要求高航速時，燃料電池就顯得力不從心了。

（2）燃料電池工作產物是水，必須處理和排出艇外的廢物這不但節省了廢物處理系統，而且還可以使潛艇在整個潛航期間總重保持不變，不會影響潛艇的動態性能。其它3種AIP系統使用的是熱機，其工作產物是CO2或其它廢物，必須有處理裝置，這就增加了潛艇總體的質量和復雜性。

（3）燃料電池壽命目前還不夠長，平均只有2200 h，這是當今燃料電池的技術水平限制了它單獨用作動力的瓶頸之一，也可以看成是當今燃料電池的不足之處。若像上世紀50～60年代那樣把燃料電池作為潛艇的唯一動力源，那么這樣短的使用壽命無法用于潛艇。但若用于延長水下一次潛航行程，情況就不同了。209級潛艇一次潛航278 h，那么現有的燃料電池可以滿足8次以上水下一次潛航。只有在特殊情況下才需要長時間潛航，平時是不需要的。

（4）性價比高。雖然燃料電池成本高，但是潛艇燃料電池AIP系統是在必要的關鍵性時刻用的，成本與戰術增益之間就有可能達到平衡。從德國的試驗情況來看，燃料電池AIP系統的貯能約為潛艇總貯能的十分之一，也就是說，潛艇使用燃料電池的機會只有十分之一，因而雖然燃料電池成本高，但從性價比來看卻是合算的。

（5）安全性和可靠性。德國燃料電池AIP系統使用貯氫材料吸收并放出純氫，所用的氧也來源于液氧槽放出的純氧，不會出現燃料電池中毒問題，所以安全性和可靠性均較高。

4 展望

未來的海戰給電動魚雷和潛艇的戰術技術提出了更高的要求，當今世界各國都在探索尋求高能電池或熱動力源。各國對潛艇用鉛酸電池以外的化學電源和能量轉換系統的技術開發一直在緊張進行，如鋰電池和燃料電池的使用，西門子燃料電池在德國AIP系統潛艇上的應用較為成熟。加快水下電源的研發，于海防及海洋探測意義重大，需要科技工作者的不懈努力[1-2]。

[1]呂鳴祥.化學電源[M].天津：天津大學出版社，1992：258-261

[2]李國欣.新型化學電源技術概論[M].上海：上海科學技術出版社，2006.