方芳 姚國(guó)富 劉斌 任鎳

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

潛艇是我國(guó)海軍的主要裝備之一，如何增加潛艇的水下續(xù)航力，減少暴露率具有重要意義。近十年來(lái)，潛艇用非核 AIP(Air Independent Propulsion)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，其中燃料電池AIP（FC/AIP）系統(tǒng)發(fā)展最具潛力[1]。

相對(duì)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池具有低噪音、低紅外、沒(méi)有痕跡（燃料電池產(chǎn)物為水，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)需要排放 CO、CO2），運(yùn)行壽命長(zhǎng)，能量轉(zhuǎn)換效率高（最高可達(dá) 80%）等優(yōu)點(diǎn)[2,3]，能在不明顯增加潛艇排水量和主尺度，不降低潛艇水下最高航速的前提下，增加潛艇的水下續(xù)航能力[4]。因此燃料電池的開(kāi)發(fā)研究受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的重視。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于能量密度高、安全耐用，特別適用于潛艇AIP系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)組成

潛艇用 FC/AIP的基本原理是：將氫燃料和氧化劑輸送到燃料電池本體電堆，通過(guò)兩種物質(zhì)在質(zhì)子交換膜兩側(cè)催化劑表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。在高速航行時(shí)，以柴電系統(tǒng)作為潛艇的動(dòng)力源；低速航行時(shí)，以 FC/AIP系統(tǒng)作為動(dòng)力源。

FC/AIP系統(tǒng)由燃料電池本體、氫源、氧源、輔助系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成（圖1）[5]。

氫燃料可以以高壓氣態(tài)、液態(tài)、金屬氫化物、有機(jī)氫化物和吸氫材料強(qiáng)化壓縮等形式儲(chǔ)存[6]。FC/AIP系統(tǒng)的儲(chǔ)氫量決定了潛艇的續(xù)航力。金屬氫化物因高體積密度和高安全性是目前最適合潛艇FC/AIP系統(tǒng)的儲(chǔ)氫方式。把儲(chǔ)氫合金放在一定溫度和壓力下置于氫氣氣氛中時(shí)，就可以吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物。而加熱條件下，金屬氫化物又釋放出氫氣，利用儲(chǔ)氫合金對(duì)氫氣的可逆吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的儲(chǔ)存。

相對(duì)于氫燃料，氧源的存儲(chǔ)技術(shù)比較成熟。相對(duì)于其它儲(chǔ)氧方式，液氧具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，是目前最適合艇用化的儲(chǔ)氧方式[7]。

輔助系統(tǒng)主要包括水收集系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)、冷卻系統(tǒng)等。

管理系統(tǒng)包括氫氣供給、氧氣供給、尾氣管理、氣體增濕、控制單元、DC/DC變換單元、安全管理等模塊。

圖1 燃料電池電站示意圖

2 國(guó)外現(xiàn)狀

潛艇用 FC/AIP系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了三個(gè)階段：第一階段，由于 20世紀(jì) 60年代燃料電池在航空航天領(lǐng)域成功運(yùn)用，各國(guó)對(duì)其在潛艇上的運(yùn)用產(chǎn)生一濃厚興趣，美國(guó)、瑞典等先后投入了大量的人力、物力、財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)工藝水平尚不能達(dá)到實(shí)用要求，不久就停止了研究工作。第二階段是 20世紀(jì) 70年代，日本進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)研制工作，后來(lái)也因?yàn)榉N種原因停止了。第三階段是 20世紀(jì) 80年代后，德國(guó)加大了 FC/AIP系統(tǒng)的研究力度，并成功將FC/AIP系統(tǒng)裝備到潛艇上，引起了各國(guó)的關(guān)注，各國(guó)隨后都加大了FC/AIP系統(tǒng)的投入。

目前，在德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家，燃料電池已成功應(yīng)用于潛艇 AIP系統(tǒng)，其中德國(guó)潛艇燃料電池的研制在世界上一直處于領(lǐng)先地位，其212A型和214型潛艇代表著FC/AIP系統(tǒng)的最高水平。

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[2]。為防止反應(yīng)物泄露，燃料電池模塊被放置在耐壓容器中，容器中充滿了3.5 Pa壓力的氮?dú)狻?12A型潛艇上燃料電池模塊共有9個(gè)，總輸出功率306 kW。該型潛艇裝備的儲(chǔ)氫合金鋼瓶由德國(guó)霍瓦茲公司制造，儲(chǔ)氫合金為鐵-鈦合金，吸氫量可達(dá)合金質(zhì)量的 2%。在212A型潛艇的基礎(chǔ)上，德國(guó)還開(kāi)發(fā)了 214型（出口型）FC/AIP潛艇，該型潛艇裝備了2組120 kW質(zhì)子交換膜燃料電池單元，可輸出 240 kW 的電力。由于提高了AIP系統(tǒng)的綜合性能，214型AIP潛艇水下連續(xù)航行時(shí)間（2～6節(jié)航速）已達(dá)到 3個(gè)星期。

俄羅斯在潛艇FC/AIP系統(tǒng)的研究其應(yīng)用方面進(jìn)行了長(zhǎng)期試驗(yàn)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。1988年，前蘇聯(lián)海軍在“卡特蘭”號(hào)潛艇上進(jìn)行了FC/AIP系統(tǒng)試驗(yàn)?，F(xiàn)役俄羅斯常規(guī)潛艇的燃料電池主要由對(duì)彼得堡特種鍋爐設(shè)計(jì)制造局研制。裝備堿性燃料電池的“阿穆?tīng)枴?1650型潛艇于2003年秋下水，并于2004年進(jìn)行了海試。“阿穆?tīng)枴?1650型潛艇的AIP系統(tǒng)額定功率為300 kW，F(xiàn)C效率約為70%，額定功率時(shí)的耗氫量為0.042 kg/kW，單位耗氧量為0.336 kg/kW。燃料電池的工作溫度為100℃，壓力0.4 MPa，氫氧化鉀濃度為38%～40%[8]。

西班牙海軍正在為其2500噸的S-80型潛艇研制燃料電池 AIP系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池，利用乙醇重整抽取和氫氣和純氧氣為燃料[8]。

意大利泛安科納造船公司和俄羅斯紅寶石船舶設(shè)計(jì)局聯(lián)合為意大利海軍 S-1000型潛艇研制燃料電池，該艇采用 FC/AIP系統(tǒng)為動(dòng)力潛航時(shí)的航距為1000海里[8]。

以色列海軍由德國(guó)新造的2艘改進(jìn)型“海豚”級(jí)潛艇可能采用類似于212A級(jí)（或214級(jí)）潛艇的FC/AIP系統(tǒng)。由于裝備了 FC/AIP系統(tǒng)，其下潛深度較早期建造的3艘“海豚”級(jí)潛艇稍有提高，續(xù)航力在45天以上[8]。

20世紀(jì) 80年代后，日本重新開(kāi)始了潛艇用FC/AIP系統(tǒng)的研究。日本海洋技術(shù)中心2003年8月曾宣布其己成功研制出世界上首臺(tái)用于深海研究的燃料電池潛艇 Urashina號(hào)。Urashina艇長(zhǎng) 10 m，魚(yú)雷型設(shè)計(jì)，下潛深度 3500 m，能在水下航行 300 km。較以往采用鋰電池為動(dòng)力的深海探測(cè)潛艇航程大為增加[8]。

加拿大的早在1994年就己開(kāi)發(fā)出了40 kW的燃料電池模塊，并于 2000年前后與美國(guó)通用公司合作開(kāi)發(fā)出了300 kW潛艇用燃料電池模塊。加拿大海軍計(jì)劃在 2010年左右對(duì)其從英國(guó)引進(jìn)的維多利亞級(jí)潛艇裝備由貝拉德動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的PEMFC/AIP系統(tǒng)，以增加持續(xù)潛航能力。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)早在上世紀(jì) 50年代就開(kāi)展了燃料電池的研究。目前，國(guó)內(nèi)研制民用質(zhì)子交換膜燃料電池的熱情很高，研制單位包括中科院大連化物所、武漢理工大學(xué)、上海神力科技有限公司、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等二十多家。在國(guó)家863計(jì)劃及各省市科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，我國(guó)燃料電池的研發(fā)能力取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，車用用燃料電池電堆技術(shù)已具有較高水平，且基本掌握了燃料電池本體電堆的關(guān)鍵材料及關(guān)鍵技術(shù)。中科院大連化物所研制出50 kW、100 kW級(jí)車用燃料電池模塊，上海神力公司研制出100 kW大巴車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)等，武漢理工大學(xué)成功研制了 1 kW～50 kW級(jí)系列燃料電池模塊并成功裝備“楚天1號(hào)”燃料電池電動(dòng)轎車和“楚天 2號(hào)”燃料電池輕型客車。

在儲(chǔ)氫合金的開(kāi)發(fā)方面，上海冶金研究院、北京金屬研究院、四川大學(xué)、浙江大學(xué)等單位己經(jīng)取得了一定成就，但目前都僅限于試驗(yàn)研究階段，還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。美國(guó)能源部（DOE）提出的車載氫源目標(biāo)的要求是：質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度分別為 6%和 60 kg/m3[6]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平同該目標(biāo)值相比還有很大差距。

國(guó)內(nèi)燃料電池電堆技術(shù)已具有較高水平，但裝備潛艇使用，還需對(duì)現(xiàn)有燃料電池電堆進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造并加裝相應(yīng)的輔助裝置，以滿足艇用化的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

潛艇用 FC/AIP系統(tǒng)同斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，國(guó)外在 FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用與研究方面相對(duì)成熟。我國(guó)在燃料電池電堆技術(shù)方面己具有較高水平，在 FC/AIP系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研究與使用方面己具有一定基礎(chǔ)，需在燃料電池電堆技術(shù)及大規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)的艇用化方面做深入研究。

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