劉云生，陳新傳，關(guān) 濤，李 楓

國(guó)外潛艇燃料電池AIP現(xiàn)狀及啟示

劉云生，陳新傳，關(guān) 濤，李 楓

（中國(guó)人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161)

本文綜述并深入比較世界各國(guó)FC/AIP潛艇研究現(xiàn)狀、性能特點(diǎn)及發(fā)展方向，指出質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)最具吸引力。分析了PEMFC主要特點(diǎn)，梳理了PEMFC應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)，得出發(fā)展啟示，為潛艇采用FC/AIP技術(shù)發(fā)展提供針對(duì)性的指導(dǎo)。

潛艇 AIP系統(tǒng) 燃料電池

0 引言

常規(guī)潛艇一般在水下潛航2～3天就會(huì)耗盡能量上浮充電，這成為容易受到攻擊的致命弱點(diǎn)，大幅降低了隱蔽性能。隨著現(xiàn)代反潛力量的不斷發(fā)展，尤其是聲納、衛(wèi)星、激光等融合現(xiàn)代最新科技的探測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步[1]，常規(guī)潛艇面臨更大的挑戰(zhàn)。但常規(guī)潛艇所具有的低造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用低、安全性高、低輻射噪聲水平等特征是核動(dòng)力潛艇所無(wú)法比擬的。因此，非常有必要借助創(chuàng)新技術(shù)，突破常規(guī)柴電潛艇一直以來(lái)的發(fā)展瓶頸——續(xù)航力的局限。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家長(zhǎng)期努力，發(fā)展了“不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）”成為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題的重要突破點(diǎn)。相對(duì)于其它AIP，燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、聲隱身性好、紅外特征低、沒有尾跡等優(yōu)點(diǎn)，且能在不明顯增加潛艇排水量、主尺度的前提下，大幅增加潛艇的水下續(xù)航能力[2]。因此，燃料電池AIP技術(shù)最具發(fā)展?jié)摿Γ溟_發(fā)研究越來(lái)越受到世界各國(guó)政府和科學(xué)家的重視。

1 燃料電池AIP發(fā)展新動(dòng)態(tài)

德國(guó)是研究燃料電池最積極、最成功的國(guó)家。早在上世紀(jì)80年代，德國(guó)著名的潛艇制造商霍瓦茲（HDW）公司將燃料電池加裝在U205級(jí)潛艇上，海上試驗(yàn)表明其綜合性能較好。這促使德國(guó)在出口209級(jí)常規(guī)潛艇上加裝燃料電池AIP系統(tǒng)（PEMFC/AIP），其燃料電池為西門子公司在1995年完成的35～70 kW級(jí)PEMFC單元，裝備6個(gè)單元，總功率達(dá)210 kW，潛艇在燃料電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，航行時(shí)速可到達(dá)6.5節(jié)，以4.5節(jié)的經(jīng)濟(jì)航速航行時(shí)，航程1250海里，是未加裝燃料電池時(shí)的4倍以上[3]。德國(guó)為本國(guó)海軍建造了世界上最早裝備PEMFC/AIP系統(tǒng)的212A級(jí)潛艇，如圖1，該艇裝有9組PEMFC模塊，總功率為306 kW，航程可達(dá)14天[4]。德國(guó)在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了出口型214潛艇，如圖2，該艇由2組120 kW的PEMFC單元組成，可輸出功率240 kW，水下連續(xù)航行2～6節(jié)時(shí)能達(dá)到21天。第一艘214級(jí)艇于2004年下水，于2010年已交付使用。意大利、韓國(guó)、希臘、葡萄牙等國(guó)海軍陸續(xù)向德國(guó)訂購(gòu)了共30多艘212 A和214級(jí)燃料電池潛艇。212 A、214型潛艇代表著FC/AIP系統(tǒng)的最高水平，德國(guó)提出的潛艇柴電系統(tǒng)、燃料電池AIP系統(tǒng)這兩種動(dòng)力之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短的混合推進(jìn)系統(tǒng)方案，對(duì)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)開創(chuàng)了新的里程碑。

圖1 德國(guó)212A級(jí)燃料電池AIP潛艇

圖2 德國(guó)214級(jí)出口型燃料電池潛艇剖視圖

韓國(guó)在2000年～2009年先后向德國(guó)訂購(gòu)了共9艘214級(jí)FC/AIP潛艇。其中第一批3艘在德國(guó)建造，已全部服役；第二批6艘潛艇由德國(guó)霍瓦茲造船廠（HDW）提供技術(shù)支持，全部在韓國(guó)大宇公司建造，現(xiàn)已陸續(xù)服役。韓國(guó)已基本具備FC/AIP潛艇的制造能力，韓華公司正在設(shè)計(jì)下一代“張保皋”Ⅲ級(jí)潛艇，該艇采用了燃料電池AIP和鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)，水下最大航速12節(jié)，水面最大航速20節(jié)，航程可達(dá)10000海里[5]。

西班牙成功研制S80型燃料電池AIP潛艇，該艇采用300 kW級(jí)燃料電池AIP系統(tǒng)。其中：氧源采用傳統(tǒng)液氧儲(chǔ)存罐，氫源有別于其他國(guó)家的技術(shù)路線，采用新型乙醇重整反應(yīng)制氫技術(shù)方案，乙醇重整器由本國(guó)研發(fā)，可將生物乙醇重整后獲得高純度氫氣。燃料電池AIP系統(tǒng)安裝在艇內(nèi)7.89 m艙段內(nèi)，該艙段分為上下兩層，上層裝有燃料電池系統(tǒng)、燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)、二氧化碳處理系統(tǒng)等，下層裝有液氧儲(chǔ)存罐。S80潛艇采用燃料電池AIP系統(tǒng)，可在110 kW的功率下以4節(jié)航速潛航15天；50 kW功率下則可潛航20天[6]。

日本在2021年后服役的“蒼龍”級(jí)下一代常規(guī)潛艇上采用燃料電池AIP，以取代其現(xiàn)用的熱氣機(jī)AIP。日本目前在役“蒼龍”級(jí)潛艇采用熱氣機(jī)AIP，在“蒼龍”后續(xù)艇“皇龍?zhí)枴鄙涎b備了燃料電池和鋰電池作為新型動(dòng)力系統(tǒng)，該艇配置4個(gè)100千瓦燃料電池模塊，水下續(xù)航力約為2880海里，較之前“蒼龍?zhí)枴?800海里有明顯的提升[4]?？傊?，該艇續(xù)航力、隱身性能、高速機(jī)動(dòng)性能均得到大幅提高。

2016年4月，法國(guó)DCNS公司的短鰭梭魚級(jí)潛艇擊敗日本三菱重工的“蒼龍級(jí)”潛艇，獲得澳大利亞海軍SEA1000潛艇項(xiàng)目訂單，共計(jì)12艘潛艇，合同總金額達(dá)到500億澳元，燃料電池AIP+鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)是短鰭梭魚級(jí)擊敗“蒼龍級(jí)”的主要原因之一。法國(guó)、澳大利亞等國(guó)明確今后AIP技術(shù)路線為燃料電池AIP，放棄熱氣機(jī)AIP技術(shù)[5]。

可見，各國(guó)海軍發(fā)展的潛用燃料電池均集中在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），顯然將它用作潛艇動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源，有著其他AIP系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 燃料電池AIP主要特點(diǎn)

目前，國(guó)外較為成熟、已進(jìn)入實(shí)用階段，且能夠大幅提高常規(guī)潛艇水下作戰(zhàn)能力的AIP系統(tǒng)主要有燃料電池AIP系統(tǒng)（FC/AIP）和熱氣機(jī)AIP系統(tǒng)（SE/AIP）。FC/AIP系統(tǒng)的主要特點(diǎn)主要包括[5]：1）系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率高（工程上已達(dá)到50～60%），可大幅提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力；2）系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲?。娀瘜W(xué)反應(yīng)無(wú)振動(dòng)噪聲），紅外輻射低，可提高常規(guī)潛艇的隱蔽性；3）反應(yīng)物是純水，可利用和易處理；4）采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠；5）系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)效率較高，有利于潛艇動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；6）研制和采購(gòu)價(jià)格偏貴。

綜上所述，F(xiàn)C/AIP系統(tǒng)可提高燃料利用率、降低振動(dòng)噪聲、減少紅外特征、優(yōu)化總體布置，能較好地滿足潛艇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)要求，是潛艇AIP系統(tǒng)理想的動(dòng)力方案之一。

3 燃料電池AIP關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 膜電極技術(shù)

膜電極是PEMFC的電化學(xué)心臟，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的制備和工藝優(yōu)化一直是PEMFC研究的技術(shù)關(guān)鍵。膜電極由質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層熱壓而成，因此稱為膜電極三合一組件，膜電極制備工藝是影響燃料電池性能的重要因素。質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心元件；催化劑重點(diǎn)一方面是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，提高催化劑的利用率，另一方面是尋找高效廉價(jià)的催化劑材料。

3.2 雙極板技術(shù)

在膜電極的兩邊分別對(duì)應(yīng)有陽(yáng)極集流板和陰極集流板，通常稱為雙極板，其是PEMFC的關(guān)鍵部件。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕性和較高的熱導(dǎo)率，但成本高，加工難度大；金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕性。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.3 氫源技術(shù)

由于氫氣易燃易爆，氫儲(chǔ)存問(wèn)題是燃料電池的難題之一，要求儲(chǔ)氫技術(shù)具有安全性高、轉(zhuǎn)化效率高、體積小易存放、成本合理等。德國(guó)采用了金屬氫化物儲(chǔ)存罐技術(shù)，技術(shù)相對(duì)比較成熟，但金屬儲(chǔ)存罐相當(dāng)笨重。國(guó)外正在探索碳?xì)浠?、乙醇或甲醇等制氫，這些燃料具有安全性高、容易在艇上儲(chǔ)存等特點(diǎn)，但需要處理制氫過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳[4]。德國(guó)下一代216型FC潛艇將采用甲醇制氫，而俄羅斯和美國(guó)擬采用柴油重整制氫技術(shù)。

3.4 輔助系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)

水熱管理包括反應(yīng)氣增濕、陰陽(yáng)級(jí)液態(tài)控水、電堆溫度控制及系統(tǒng)廢熱利用。燃料電池的溫度、濕度、電壓等一些重要參數(shù)對(duì)燃料電池的性能和使用壽命有直接的影響，為此，設(shè)計(jì)出潛艇燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)將變得非常重要。

4 燃料電池AIP發(fā)展啟示

1）燃料電池AIP應(yīng)定位為潛艇主動(dòng)力

最初設(shè)計(jì)思路是將燃料電池作為潛艇主動(dòng)力系統(tǒng)，由于早期燃料電池技術(shù)不成熟、功率低，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。德國(guó)、俄羅斯等國(guó)提出將燃料電池作為潛艇輔助動(dòng)力的設(shè)計(jì)理念，即在保留現(xiàn)有柴電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加裝一套FC系統(tǒng)，作為潛艇水下續(xù)航動(dòng)力，與普通柴電推進(jìn)系統(tǒng)組成混合式推進(jìn)系統(tǒng)，解決了燃料電池的出路問(wèn)題。

由于要求潛艇離開控制海區(qū)后長(zhǎng)時(shí)間隱蔽潛航、水下續(xù)航力要大，潛艇主要依靠FC/AIP供電完成長(zhǎng)期低速水下航行，從其功能、地位及作用來(lái)分析，F(xiàn)C/AIP已成為了潛艇主動(dòng)力。柴油發(fā)電機(jī)組由原先主動(dòng)力降為備用動(dòng)力，世界上許多常規(guī)潛艇只保留了1臺(tái)或2臺(tái)柴發(fā)機(jī)組，只在AIP系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)使用。蓄電池組只有在潛艇需要高速機(jī)動(dòng)等時(shí)機(jī)才使用，也基本屬于備用電源。

2）液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫是PEMFC/AIP系統(tǒng)較好的氫源方案

德國(guó)研制的212 A、214型潛艇均采用了金屬氫化物儲(chǔ)存罐技術(shù)，該技術(shù)比較成熟，但儲(chǔ)存罐相當(dāng)笨重，總重達(dá)200噸左右；目前正在探索乙醇、甲醇等化學(xué)制氫，這些燃料具有安全性、可靠性高、容易在艇上儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，但需要處理制氫過(guò)程中產(chǎn)生的CO2在高壓下隱蔽排放等問(wèn)題。德國(guó)下一代216型燃料電池潛艇將采用甲醇制氫，同樣存在CO2排放和氫氣不純等難題，因此尚未實(shí)現(xiàn)裝艇應(yīng)用。

近期國(guó)內(nèi)外液體有機(jī)儲(chǔ)氫技術(shù)獲得重大突破，該技術(shù)具有儲(chǔ)氫密度高（約5.0%，是金屬儲(chǔ)氫密度的3倍以上）、安全可靠、無(wú)廢氣排放、燃料儲(chǔ)存和補(bǔ)給方便等優(yōu)點(diǎn)，已在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用，潛艇用有機(jī)儲(chǔ)氫制氫樣機(jī)已與燃料電池AIP系統(tǒng)成功聯(lián)試。因此，該項(xiàng)技術(shù)是燃料電池潛艇較好的氫源方案，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注研究。

3）開展燃料電池AIP系統(tǒng)研究

按照國(guó)內(nèi)外艦艇動(dòng)力統(tǒng)計(jì)，無(wú)論是柴油機(jī)、汽輪機(jī)以及AIP，每型動(dòng)力升級(jí)換代周期一般為15～20年，國(guó)內(nèi)已到了升級(jí)換代窗口。目前，已基本具備FC/AIP研究條件，應(yīng)適時(shí)啟動(dòng)FC/AIP系統(tǒng)研究工作，做好技術(shù)儲(chǔ)備，可有效地提升潛艇水下續(xù)航力[7]。

5 主要結(jié)論

1）當(dāng)今海戰(zhàn)給各國(guó)海軍潛艇戰(zhàn)術(shù)技術(shù)提出了更高要求，常規(guī)柴電潛艇現(xiàn)已難以滿足新形勢(shì)下潛艇的遠(yuǎn)續(xù)航力、高隱身性等基本要求。而AIP動(dòng)力系統(tǒng)問(wèn)世再次為常規(guī)潛艇的發(fā)展注入新的生命力。

2）燃料電池AIP具有工作效率高、隱身效果好、紅外特征小、無(wú)廢物排放、安全可靠以及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)潛艇較理想的AIP技術(shù)。作為一套復(fù)雜系統(tǒng)，需要解決關(guān)鍵技術(shù)后，才能在潛艇上發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3）目前燃料電池AIP技術(shù)具有較好的研發(fā)基礎(chǔ)，燃料電池AIP應(yīng)定位為潛艇主動(dòng)力；應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫技術(shù)，這是燃料電池AIP系統(tǒng)較好的氫源方案；應(yīng)適時(shí)開展燃料電池AIP系統(tǒng)研究工作，這將大幅提升常規(guī)潛艇的戰(zhàn)技術(shù)性能。

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Current Status and Enlightenment of Submarine Feul Cell AIP Abroad

Liu Yunsheng, Chen Xinchuan, Guan Tao, Li Feng

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China )

U674.76

A

1003-4862（2021）11-0017-03

2021-09-24

劉云生(1976-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：輪機(jī)工程。E-mail chenxzwy@163.com