燃料電池用于魚雷動力裝置的設想

李 陽，陸文俊，范靖華，范 劍

(1.海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012;2.中國人民解放軍91352 部隊，山東 威海 264200)

1 現有動力裝置分析

燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置［1］。

魚雷上所使用的動力裝置一般有2 類［2-3］:一類是靠電能工作的叫電動力裝置，一類是依靠熱能工作的叫熱動力裝置。

熱動力裝置的原動機是熱力發動機，熱力發動機將燃料燃燒時的熱能轉換成機械能。魚雷用熱力發動機是外燃機，燃料燃燒過程是在燃燒室中完成的。燃燒室是通過燃料的燃燒將燃料的化學能轉變為熱能和壓力能。發動機將工質的熱能和壓力能轉化為推進器的機械功，帶動螺旋槳轉動。

電動力裝置的原動機是電動機，能源是電池。電動機用以將電池的化學能轉換為機械能，用以帶動推進器。包括電池組、電動機。

一般要求魚雷的動力系統的能量儲備要大;功率要大、功率重量比也要大;受背壓影響要小;無航跡性要好;啟動要快;結構要簡單，工作要可靠。

根據上述要求衡量，各種動力系統各有特點。熱動力系統功率大，能量儲備也大，使魚雷有比較高的速度航程質量指標，但是熱動力系統噪聲大，有不溶于水的廢氣排出而產生航跡，隱蔽性差，而且功率受海水背壓的影響。電動力系統正相反，其特點是噪聲小，功率不受背壓影響，沒有航跡，但是其能量儲備小，功率小，魚雷的速度航程質量指標較低。其關系如表1 所示。

表1 2 種動力類型對比

魚雷動力系統的性能指標一般用速度和航程2 個指標來衡量。速度和航程是魚雷最主要的2 個戰術技術性能。這2 個性能主要由動力系統的能量儲備、產生的推力和魚雷航行時所受的阻力決定。速度和航程這2 個主要的戰術技術性能并不是互不相關的。對于采用一定的動力系統，攜帶一定量能源的魚雷，速度高則航程短，速度低則航程長。要綜合評價魚雷的速度航程性能，須把這2 個指標合為一個參數，通常用SV2表示，S 是魚雷的航程，V 是魚雷的速度，這個綜合指標叫做魚雷的速度航程質量指標。它反映了魚雷動力系統的做功能力。

2 采用燃料電池動力系統的優點

燃料燃燒時是把燃料燃燒的化學能轉變為熱能，然后把熱能轉換為動能。雖然燃料功率密度大，單位功率的成本相對便宜，但是大部分化學能都被浪費掉了，例如目前火力發電的效率大約僅為30% ～40%。

電池可以直接將化學能轉換為電能，浪費的化學能要少得多。然而，電池中的化學物質都是非常昂貴的。而且電池的功率密度減小，有限的體積難以提供與熱動力相媲美的功率。

燃料電池是一種把燃料和電池2 種概念結合在一起的裝置。它是一種把存貯在燃料和氧化劑中的化學能，等溫地按電化學原理轉化為電能的能量轉化裝置。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負載流向陰極構成回路，產生電能驅動負載工作。燃料電池工作時需要連續不斷地向電池內輸入燃料和氧化劑，通過點化學反應釋放出電能。根據電解質不同，燃料電池可以分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸性燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不同于普通電池。采用燃料電池的魚雷動力系統需要分為3 部分:燃料艙、電池和發動機。

燃料電池的工作原理如圖1 所示。

圖1 采用燃料電池的魚雷動力系統的工作原理

燃料艙:用于裝CO、甲烷等相對安全的還原劑。

電池:魚雷所用的固體氧化物燃料電池的氧化劑固化于電解質中，接收來自燃料艙輸入的還原劑，通過電池內的反應，產生電能，由電池的負極輸出。

發動機:由于電池輸出的是電能，所以燃料電池動力系統的魚雷發動機是電動機。

采用燃料電池的魚雷動力系統有以下優點:

1)燃料電能能量轉換效率高。它直接將燃料中的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，因此燃料電池不受卡諾循環的限制。目前燃料電池的效率在45% ～60%。

2)魚雷的能力存儲大、航程遠。由于燃料電池的能力存儲是燃料，所以有存儲能力密度大的優點。并且轉換率高，燃料電池所采用的電動機的工作效率也勝過熱動力的發動機，所以同體積的燃料，采用燃料電池可以獲得更多的機械能，根據魚雷的速度航程質量指標，可以獲得更大的速度或者航程。

3)隱蔽性較好。由于燃料部經過燃燒，所以不會向外界排放氣體，就不會在水面形成航跡，且不會受到航行背壓的影響。

4)發展前景廣闊。燃料電池是目前公認的高效、環保的能源裝置，且應用已較為廣泛。

3 采用燃料電池的先進性

PEMFC 燃料電池目前被廣泛應用于潛艇上。德國在燃料電池AIP 技術研究方面居于世界領先位置，其212A 型和214 型潛艇代表著FC/AIP 系統的最高水平。其214 型潛艇水下連續航行時間(2 ～6 節航速)已經達到了3 個星期。

目前魚雷的發展趨勢可以用5 個字來概括:快、遠、準、狠、深。

例如世界上較為先進的魚雷(美國的MK-50)，最大航速55 ～60 節，航程20 km，最大航深750 ～800 m。MK50 魚雷的動力裝置采用了以鋰與六氟化硫氣體化學反應為能源的閉式循環熱動力系統。這種先進而獨立的動力系統能量密度高，且不向外排氣。沒有排氣噪聲和航跡，從而大大降低了魚雷航行時的自噪聲和紅外特性，使魚雷具有更好的安靜性和隱蔽性。

同樣在魚雷上采用燃料電池，它不僅具有閉式循環熱動力系統的優點，而且結構簡單，使用方便，便于維修。目前，我國燃料電池發展較為迅速。AFC 已經在宇航領域廣泛應用，PEMFC 已經廣泛作為中型電源應用進入商業化階段，MCFC 也已完成工業試驗階段。

4 需要解決的問題

常用的燃料電池需要采用昂貴的貴金屬粉末催化劑，才能使陽極與燃料充分反應，因此催化劑價格高是燃料電池廣泛使用的最大障礙。必須解決功率問題，目前體積適合的燃料電池輸出功率遠不能滿足魚雷電池組的輸出功率要求。燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎。必須解決燃料電池工作中的衰減問題。必須解決燃料問題，目前投入使用的燃料依然是氫和氧，存儲使用都非常危險。

5 結束語

魚雷是目前非常重要的海戰武器，在現在海戰中占據的很重要的位置。使用燃料電池作為魚雷的動力裝置是符合目前魚雷的發展趨勢的。研制燃料對于提高未來魚雷的動力和總體性能有著重要的作用。

［1］鄧亞東、王仲范.燃料電池的技術發展及應用分析［J］.武漢:武漢大學學報，2003（4）:48-53.

［2］趙鑒，梁志君.開發魚雷用燃料電池的設想和前景［J］.科技專論，2011（11）:187-187.

［3］汪杰，顏冬，朱彬，等.SOFC 單電池局部性能的評價與測試［J］.功能材料，2011，42（5）:951-954.