綻放異彩的燃料電池AIP系統—國外常規潛艇燃料電池AIP系統的應用現狀

吳飛，周蕾，皮湛恩

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綻放異彩的燃料電池AIP系統—國外常規潛艇燃料電池AIP系統的應用現狀

吳飛1，周蕾1，皮湛恩2

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

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

水下續航力是常規潛艇最重要的戰技指標之一，也是常規潛艇作戰和水下生存的基礎。為了提高常規潛艇的作戰效能，長期以來，潛艇設計者一直在探索和研究不依賴空氣的推進裝置(Air Independent Propulsion，簡稱AIP)，以增大常規潛艇水下續航力，提高潛艇的隱蔽性和安靜性。在二戰期間，德國及前蘇聯就曾涉足AIP動力系統的研究。90年代中期，熱氣機、燃料電池、閉式循環汽輪機等形式的AIP系統相繼研制成功并進入實用性階段。隨后，全世界范圍內掀起了一股AIP系統技術的研發熱潮。從目前各國潛艇裝備的AIP系統來看，燃料電池AIP（FC/AIP）系統在諸多方面具有無可比擬的優勢，其在以德國212A、214型潛艇為代表的潛艇上裝艇服役，給常規潛艇AIP系統帶來一場新的革命。

1 德國海軍的最終選擇—燃料電池AIP系統

德國的潛艇技術一直處于世界領先水平，也是世界上最早研究AIP系統的國家之一。早在二戰期間，德國就曾研制成功過一種不依賴空氣的推進系統，只是因其系統效率較低，安全性差而未投入使用。到了20世紀50年代，德國同時開展燃料電池和閉式循環柴油機兩種AIP系統的研制。20世紀80年代，研制工作取得了突破性進展，兩種AIP系統均進入了實用階段。后來經過多輪次的對比論證和試驗，德國海軍最終選擇了燃料電池作為所設計新型潛艇的AIP動力系統。

德國海軍之所以更加青睞燃料電池AIP系統，是因為該系統具有其他AIP系統無法比擬的技術優勢：

效率高：燃料電池直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學能轉換為電能，能量轉換不受卡諾循環限制，轉換效率達70%以上，遠高于其他內燃機的效率。

無尾流特征：燃料電池AIP系統以氫氣為燃料，反應產物只有水，該系統是目前唯一不需要考慮廢氣排放的AIP系統。熱機AIP系統通常以專用低硫柴油為燃料，燃燒產物包括CO、CO2等廢氣，當潛艇在較淺深度航行時，尾流特征明顯，導致潛艇的隱蔽性降低。

隱身性好：燃料電池系統本身不存在任何運動部件，因此幾乎不產生機械振動與噪聲。聲特征信號極低，綜合隱身性好。在通常作戰條件下，幾乎無法被探測到，是名副其實的安靜型常規潛艇。

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

電堆模塊化設計：燃料電池AIP系統中的燃料電池電堆采用模塊化設計技術，具有體積小、結構緊湊、安裝維護方便等特點。在潛艇內部可進行分布式或集中式布置，并能根據系統功率輸出要求、重量分配均衡和空間有效利用原則機動靈活地進行模塊化組裝。

此外，與其他AIP系統相比，燃料電池AIP系統還具有體積小、輸出功率平穩、無機械振動、過載能力強等特點，在水下深潛器、水下不間斷電源等領域具有重要的應用前景。美國、德國、日本等國家已經成功將燃料電池AIP系統應用于多個型號的水下自主航行器（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

德國海軍確定燃料電池AIP系統作為新型潛艇的AIP系統后，德國的霍瓦滋（HDW）造船廠于1987年在205級的U1潛艇上加裝了燃料電池AIP系統。1988年夏天至1989年3月進行了歷時9個月的海上試航試驗，結果證實燃料電池AIP系統運行正常，安全可靠，加裝該系統的U1潛艇水下續航力、安靜性、隱蔽性等技術指標大幅度提高。

圖1 德國212A型潛艇剖面結構示意圖

1991年，德國國會通過了212A級潛艇正式設計方案審查。2002年3月，首艘212A級燃料電池AIP潛艇在HDW船廠下水，經過一系列性能試驗和18個月海上考核試驗后，2003年9月正式交付德國海軍服役。該燃料電池AIP系統包括9個34 kW燃料電池模塊、液氧儲罐、儲氫合金罐等，總輸出功率達306 kW。單靠燃料電池AIP系統航行時，212A型潛艇的潛航航速可達8節；當以4.5節航速潛航時，該系統還可提供11 kW的生活用電，同時續航力可達2315 km，潛航時間達278 h，比未裝備燃料電池AIP系統的209型潛艇的水下續航力提高了4.4倍。與其他同級別AIP潛艇相比也處于領先水平（對比數據見表1），堪稱常規AIP潛艇的代表作。

德國針對競爭激烈的常規潛艇出口市場，研制成功了具有212A型燃料電池AIP技術和原209型潛艇經濟性的出口214型燃料電池潛艇。該型潛艇裝備了2組質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氫方案，4節水下續航力為1324海里。2011年，德國在國際潛艇學術交流會上推出216級潛艇概念方案，采用鋰離子電池加燃料電池AIP系統，以甲醇重整形式供氫，水下續航時間可達28天。

表1 幾種AIP潛艇的主要指標比較

3 燃料電池AIP潛艇深受世界各國海軍青睞

燃料電池AIP系統具有能量轉化效率高、靜音效果好、無紅外和尾流特征、工作潛深大、配置機動靈活等諸多技術特點，該系統自裝艇服役以來，獲得了世界各國海軍的廣泛關注。212A型潛艇裝備德國和意大利海軍，前者分兩批共采購6艘，后者分兩批共采購4艘。214型潛艇是目前國際AIP潛艇軍貿市場的主流產品。截至2012年底，該型潛艇服役或訂購的數量已近30艘，列裝和訂購國家包括希臘、葡萄牙、韓國、土耳其等，目前的列裝和訂購情況如下：

● 希臘海軍2000年2月向德國定購了4艘214型潛艇，成為購買214型潛艇的第一個買家。首艇“帕帕尼科利斯”號已于2010年11月2日交付希臘海軍；

● 韓國海軍于2000年11月同德國簽署了3艘總價值11億美元的214型潛艇的采購合同，目前這三艘已經全部服役。2009年1月，韓國又簽署了第二批6艘潛艇的建造合同；

● 葡萄牙海軍于2004年向德國定購了2艘總價值8億歐元的214型潛艇，目前這兩艘潛艇已經服役；

● 土耳其海軍于2008年7月與德國霍瓦茲造船廠簽署合作協議，為土耳其建造6艘214型潛艇，首艇計劃于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日宣布同意購買德國3艘總價值為10億美元的214型潛艇，由于政治方面的問題，雙方暫時沒有最終簽署協議。

圖2 德國214型常規潛艇

2013年12月，世界多家軍事媒體報道了一條新聞，證實新加坡將購買兩艘德國最新型的218SG型常規潛艇。據悉，該型潛艇是德國設計的216型潛艇的出口版，預計于2020年交付新加坡海軍。

除了一些國家通過軍貿方式采購燃料電池AIP潛艇，近年來，許多國家開始自主設計、研制燃料電池AIP潛艇。俄羅斯在“比拉魚”型潛艇上試驗了燃料電池，并積累了豐富的經驗。他們在此基礎上設計的“阿穆爾”級潛艇有燃料電池AIP方案，設計功率達到390 kW。西班牙以鲉魚級潛艇為基礎開發出S80級潛艇。該艇采用柴電動力與燃料電池AIP混合作為動力源，燃料電池AIP系統的設計輸出功率達到200kW。由于裝備了燃料電池AIP系統，S80級的水下續航時間可超過17天，水下持續航行距離達到1500海里以上。日本防衛省推出的“高科技潛艇”研制計劃中，將正在研發中的燃料電池AIP系統作為代替斯特林發動機AIP系統的備選方案，以進一步提高潛艇的水下續航力。西班牙、加拿大、英國、挪威等國也均有相應研究計劃。到2020年，至少有40艘燃料電池AIP潛艇在各國服役，它們將成為上述國家海軍的主要水下作戰力量。

4 關鍵技術已獲得突破—燃料電池AIP系統發展的基礎

燃料電池AIP系統由燃料電池電堆、氫源、氧源、水熱管理系統、控制系統等部分組成，其關鍵技術包括燃料電池模塊技術，氫、氧制備儲存技術，系統安全保障等。從國外近幾十年的研究開發及實艇應用情況來看，上述關鍵技術均已得到了很好的解決，這也是燃料電池AIP系統進一步發展的基礎。

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系統的核心，其可靠性決定整個系統能否正常運行。國外早期大量的研究實踐證明，氫氧質子交換膜燃料電池（PEMFC）是最適合AIP潛艇動力系統使用的燃料電池。該類型電池具有啟動快、能量密度高、工作溫度低、制作工藝簡單、使用壽命較長等技術特點。德國212A、214型潛艇分別采用的是BZM34和BZM120型氫氧質子交換膜燃料電池，在環境溫度條件下，參加反應的氫、氧氣體不需要進行其他處理，直接通過管路輸送至燃料電池模塊，即可啟動產生電能。

質子交換膜燃料電池研制初期，由于電解質膜穩定性差，其早期的壽命較低。自杜邦公司60年代初開發出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構的深入研究以及新型抗毒化催化劑的開發應用，大幅降低了整個燃料電池成本，可保證燃料電池性能穩定且進一步提高其工作壽命。隨著Nafion膜的不斷改進和新型膜的開發，膜電極、雙極板相關技術進一步突破，燃料電池模塊的可靠性和穩定性將大幅度提高。

4.2 氫、氧的制備、儲存及使用

燃料電池AIP系統以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。國外相關資料顯示，普通純氫即可滿足212A、214型潛艇燃料電池AIP系統的運行需求。這種純度級別的氫氣可通過多種非常成熟并大規模應用的制氫技術獲得，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，但是自然界中的風能、太陽能等取之不盡、用之不竭的能源可以轉換為氫資源。近年來，德國、瑞典、英國等歐美國家大力推廣應用的風能和光能發電制氫技術，即是將風能、太陽能等初始能源通過風力發電機組、太陽能電池板轉換為電能，供給電解水裝置制得氫氣，通過增壓將氫氣儲存起來，然后供應給燃料電池電站、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、環境友好、可持續發展等特點。

圖4 德國212A型常規潛艇的合金儲氫罐組布置局部圖

氫氣儲存技術包括：金屬儲氫、碳纖維纏繞高壓儲氫等。金屬儲氫是利用儲氫合金與氫氣反應生成穩定的金屬氫化物，放氫過程伴隨吸熱反應，即可通過熱量供給實現放氫控制，因而金屬儲氫技術安全，可靠性高。德國212A和214型潛艇均采用鈦鐵系金屬儲氫技術，合金儲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，鈦鐵系金屬儲氫材料的儲氫率在1.8~2.0 wt%，隨著材料及罐組裝相關技術的突破，金屬儲氫密度將進一步提高。其它儲氫材料如釩基固溶體合金儲氫密度為2.2~3.0wt%，鎂系合金儲氫密度為2.2~4.5 wt%。碳纖維纏繞高壓儲氫技術也比較成熟，目前，國外開發出的70 MPa和35 MPa兩種產品已在車船等交通運輸工具上試用。

液氧廣泛應用于軍、民諸多領域，其艇用儲存、釋放技術已非常成熟。液氧通常采用空氣液化分離技術制取，其中含有N2、CO2、Ar等微量雜質，上述雜質氣體對燃料電池模塊幾乎不產生任何影響。AIP潛艇使用的氧均以液氧方式儲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生的廢熱使液氧汽化為氣態氧，經調壓裝置減至合適壓力后供給燃料電池模塊。國外相關資料顯示，德國212A和214型潛艇攜帶液氧的純度均為工業級，成本低，易獲取，完全滿足燃料電池系統運行及艇員呼吸用氧要求。

4.3 系統的安全性

燃料電池AIP系統的安全性包括燃料電池模塊的安全性、氫氧使用的安全性、系統運行安全保障性等方面。

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

氫氧儲存的安全性方面，212A、214型潛艇均采用鐵鈦系合金儲氫。合金儲氫是一種安全的儲氫方式，氫原子擴散進入合金晶格間隙并與金屬原子發生反應生成穩定的金屬氫化物，只有在供給熱量時才可控地釋放氫氣。儲氫合金被儲存在耐壓的合金儲氫罐中，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。金屬儲氫經過十余年的裝艇實用，證明其安全性、可靠性良好。

系統運行安全性方面，燃料電池AIP系統的運行既可通過潛艇中央集成控制平臺操控，也可通過系統各組成單元的本地控制平臺操控。系統設計有啟動巡檢、運行監控、故障報警、故障停機、關機等控制程序，最大限度保障了燃料電池AIP系統啟動、運行、停止時的安全性。

5 結語

燃料電池AIP系統與其他幾種AIP系統相比，在工作效率、隱蔽性、安靜性、續航力等方面具有領先的技術優勢，更符合未來常規潛艇超靜音、大潛深、長續航力的發展趨勢。

以212A、214型潛艇為代表的燃料電池AIP潛艇深受世界各國海軍的青睞。從燃料電池AIP系統研究應用的歷史階段及其發展方向來看，燃料電池AIP系統相關的關鍵技術已獲得突破，而高度集成化、長壽命燃料電池模塊，大容量高效儲氫方式等方面是燃料電池AIP系統進一步發展的重點方向。

2014-06-06

吳飛（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：能源化工新材料。