潛艇燃料電池AIP系統技術發展現狀

方芳 姚國富 劉斌 任鎳

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

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

相對于斯特林發動機，燃料電池具有低噪音、低紅外、沒有痕跡（燃料電池產物為水，斯特林發動機需要排放 CO、CO2），運行壽命長，能量轉換效率高（最高可達 80%）等優點[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，增加潛艇的水下續航能力[4]。因此燃料電池的開發研究受到世界各國政府和科學家的重視。其中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于能量密度高、安全耐用，特別適用于潛艇AIP系統[1]。

1 系統組成

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，通過兩種物質在質子交換膜兩側催化劑表面進行化學反應將化學能直接轉化為電能。在高速航行時，以柴電系統作為潛艇的動力源；低速航行時，以 FC/AIP系統作為動力源。

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

氫燃料可以以高壓氣態、液態、金屬氫化物、有機氫化物和吸氫材料強化壓縮等形式儲存[6]。FC/AIP系統的儲氫量決定了潛艇的續航力。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系統的儲氫方式。把儲氫合金放在一定溫度和壓力下置于氫氣氣氛中時，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，利用儲氫合金對氫氣的可逆吸附來實現對氫氣的儲存。

相對于氫燃料，氧源的存儲技術比較成熟。相對于其它儲氧方式，液氧具有體積小、重量輕、結構簡單、沒有運動部件等優點，是目前最適合艇用化的儲氧方式[7]。

輔助系統主要包括水收集系統、惰性氣體保護、冷卻系統等。

管理系統包括氫氣供給、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 國外現狀

潛艇用 FC/AIP系統的發展已經走過了三個階段：第一階段，由于 20世紀 60年代燃料電池在航空航天領域成功運用，各國對其在潛艇上的運用產生一濃厚興趣，美國、瑞典等先后投入了大量的人力、物力、財力對其進行研究，但由于當時的技術工藝水平尚不能達到實用要求，不久就停止了研究工作。第二階段是 20世紀 70年代，日本進行了大量的開發研制工作，后來也因為種種原因停止了。第三階段是 20世紀 80年代后，德國加大了 FC/AIP系統的研究力度，并成功將FC/AIP系統裝備到潛艇上，引起了各國的關注，各國隨后都加大了FC/AIP系統的投入。

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

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[2]。為防止反應物泄露，燃料電池模塊被放置在耐壓容器中，容器中充滿了3.5 Pa壓力的氮氣。212A型潛艇上燃料電池模塊共有9個，總輸出功率306 kW。該型潛艇裝備的儲氫合金鋼瓶由德國霍瓦茲公司制造，儲氫合金為鐵-鈦合金，吸氫量可達合金質量的 2%。在212A型潛艇的基礎上，德國還開發了 214型（出口型）FC/AIP潛艇，該型潛艇裝備了2組120 kW質子交換膜燃料電池單元，可輸出 240 kW 的電力。由于提高了AIP系統的綜合性能，214型AIP潛艇水下連續航行時間（2～6節航速）已達到 3個星期。

俄羅斯在潛艇FC/AIP系統的研究其應用方面進行了長期試驗，積累了豐富的經驗。1988年，前蘇聯海軍在“卡特蘭”號潛艇上進行了FC/AIP系統試驗。現役俄羅斯常規潛艇的燃料電池主要由對彼得堡特種鍋爐設計制造局研制。裝備堿性燃料電池的“阿穆爾”-1650型潛艇于2003年秋下水，并于2004年進行了海試。“阿穆爾”-1650型潛艇的AIP系統額定功率為300 kW，FC效率約為70%，額定功率時的耗氫量為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。該系統采用質子交換膜燃料電池，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計局聯合為意大利海軍 S-1000型潛艇研制燃料電池，該艇采用 FC/AIP系統為動力潛航時的航距為1000海里[8]。

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

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

加拿大的早在1994年就己開發出了40 kW的燃料電池模塊，并于 2000年前后與美國通用公司合作開發出了300 kW潛艇用燃料電池模塊。加拿大海軍計劃在 2010年左右對其從英國引進的維多利亞級潛艇裝備由貝拉德動力公司開發的PEMFC/AIP系統，以增加持續潛航能力。

3 國內研究現狀

我國早在上世紀 50年代就開展了燃料電池的研究。目前，國內研制民用質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、上海神力科技有限公司、清華大學、上海交通大學、同濟大學等二十多家。在國家863計劃及各省市科技攻關項目的支持下，我國燃料電池的研發能力取得了長足的進步，車用用燃料電池電堆技術已具有較高水平，且基本掌握了燃料電池本體電堆的關鍵材料及關鍵技術。中科院大連化物所研制出50 kW、100 kW級車用燃料電池模塊，上海神力公司研制出100 kW大巴車燃料電池發動機等，武漢理工大學成功研制了 1 kW～50 kW級系列燃料電池模塊并成功裝備“楚天1號”燃料電池電動轎車和“楚天 2號”燃料電池輕型客車。

在儲氫合金的開發方面，上海冶金研究院、北京金屬研究院、四川大學、浙江大學等單位己經取得了一定成就，但目前都僅限于試驗研究階段，還未實現大規模生產。美國能源部（DOE）提出的車載氫源目標的要求是：質量和體積儲氫密度分別為 6%和 60 kg/m3[6]。國內現有水平同該目標值相比還有很大差距。

國內燃料電池電堆技術已具有較高水平，但裝備潛艇使用，還需對現有燃料電池電堆進行設計、改造并加裝相應的輔助裝置，以滿足艇用化的需要。

4 結束語

潛艇用 FC/AIP系統同斯特林發動機相比具有明顯優勢，國外在 FC/AIP系統技術的應用與研究方面相對成熟。我國在燃料電池電堆技術方面己具有較高水平，在 FC/AIP系統關鍵設備的研究與使用方面己具有一定基礎，需在燃料電池電堆技術及大規模儲氫技術的艇用化方面做深入研究。

[1]平濤, 陳謹, 張南林. 艇用燃料電池 AIP氫系統研究.柴油機, 2003,(2): 43-47.

[2]馬伯巖. 德國燃料電池在潛艇上的成功應用[J]. 電池工業, 2008, 13(3): 195-198.

[3]Angela Posma, Gunter Sattler. Fuel call systems for submarines: from the first idea to serial production[J].Journal of Power Sources, 2002, 106: 381-383.

[4]王曉武. 國外常規潛艇 AIP技術現狀及發展趨勢分析[J]. 艦船科學技術, 2009, 31(1): 172-175.

[5]Gunter Sattler. Fuel cells going on-board[J]. Journal of Power Sources, 2000, 86: 61-67.

[6]任建偉, 廖世軍, 劉軍民. 規模儲氫技術及期研究進展[J]. 現代化工, 2006, 26(3): 19-23.

[7]郭淑萍, 王廣玉, 白松. 核潛艇供氧設備的應用研究[J]. 艦船防化, 2009, (5): 6～10.

[8]華陽, 湯建華. 常規潛艇AIP技術[J]. 現代艦船, 2009,(11): 20-23.