國外潛艇燃料電池AIP現狀及啟示

劉云生，陳新傳，關 濤，李 楓

國外潛艇燃料電池AIP現狀及啟示

劉云生，陳新傳，關 濤，李 楓

（中國人民解放軍92942部隊，北京 100161)

本文綜述并深入比較世界各國FC/AIP潛艇研究現狀、性能特點及發展方向，指出質子交換膜燃料電池(PEMFC)最具吸引力。分析了PEMFC主要特點，梳理了PEMFC應用中關鍵技術，得出發展啟示，為潛艇采用FC/AIP技術發展提供針對性的指導。

潛艇 AIP系統 燃料電池

0 引言

常規潛艇一般在水下潛航2～3天就會耗盡能量上浮充電，這成為容易受到攻擊的致命弱點，大幅降低了隱蔽性能。隨著現代反潛力量的不斷發展，尤其是聲納、衛星、激光等融合現代最新科技的探測技術不斷進步[1]，常規潛艇面臨更大的挑戰。但常規潛艇所具有的低造價、維護費用低、安全性高、低輻射噪聲水平等特征是核動力潛艇所無法比擬的。因此，非常有必要借助創新技術，突破常規柴電潛艇一直以來的發展瓶頸——續航力的局限。

經過科學家長期努力，發展了“不依賴空氣推進系統（AIP）”成為解決這一關鍵問題的重要突破點。相對于其它AIP，燃料電池技術具有能量轉換效率高、聲隱身性好、紅外特征低、沒有尾跡等優點，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航能力[2]。因此，燃料電池AIP技術最具發展潛力，其開發研究越來越受到世界各國政府和科學家的重視。

1 燃料電池AIP發展新動態

德國是研究燃料電池最積極、最成功的國家。早在上世紀80年代，德國著名的潛艇制造商霍瓦茲（HDW）公司將燃料電池加裝在U205級潛艇上，海上試驗表明其綜合性能較好。這促使德國在出口209級常規潛艇上加裝燃料電池AIP系統（PEMFC/AIP），其燃料電池為西門子公司在1995年完成的35～70 kW級PEMFC單元，裝備6個單元，總功率達210 kW，潛艇在燃料電池系統單獨運行時，航行時速可到達6.5節，以4.5節的經濟航速航行時，航程1250海里，是未加裝燃料電池時的4倍以上[3]。德國為本國海軍建造了世界上最早裝備PEMFC/AIP系統的212A級潛艇，如圖1，該艇裝有9組PEMFC模塊，總功率為306 kW，航程可達14天[4]。德國在此基礎上設計了出口型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，水下連續航行2～6節時能達到21天。第一艘214級艇于2004年下水，于2010年已交付使用。意大利、韓國、希臘、葡萄牙等國海軍陸續向德國訂購了共30多艘212 A和214級燃料電池潛艇。212 A、214型潛艇代表著FC/AIP系統的最高水平，德國提出的潛艇柴電系統、燃料電池AIP系統這兩種動力之間優勢互補、取長補短的混合推進系統方案，對潛艇動力系統來說開創了新的里程碑。

圖1 德國212A級燃料電池AIP潛艇

圖2 德國214級出口型燃料電池潛艇剖視圖

韓國在2000年～2009年先后向德國訂購了共9艘214級FC/AIP潛艇。其中第一批3艘在德國建造，已全部服役；第二批6艘潛艇由德國霍瓦茲造船廠（HDW）提供技術支持，全部在韓國大宇公司建造，現已陸續服役。韓國已基本具備FC/AIP潛艇的制造能力，韓華公司正在設計下一代“張保皋”Ⅲ級潛艇，該艇采用了燃料電池AIP和鋰離子動力電池技術，水下最大航速12節，水面最大航速20節，航程可達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級燃料電池AIP系統。其中：氧源采用傳統液氧儲存罐，氫源有別于其他國家的技術路線，采用新型乙醇重整反應制氫技術方案，乙醇重整器由本國研發，可將生物乙醇重整后獲得高純度氫氣。燃料電池AIP系統安裝在艇內7.89 m艙段內，該艙段分為上下兩層，上層裝有燃料電池系統、燃料儲存系統、二氧化碳處理系統等，下層裝有液氧儲存罐。S80潛艇采用燃料電池AIP系統，可在110 kW的功率下以4節航速潛航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”級下一代常規潛艇上采用燃料電池AIP，以取代其現用的熱氣機AIP。日本目前在役“蒼龍”級潛艇采用熱氣機AIP，在“蒼龍”后續艇“皇龍號”上裝備了燃料電池和鋰電池作為新型動力系統，該艇配置4個100千瓦燃料電池模塊，水下續航力約為2880海里，較之前“蒼龍號”1800海里有明顯的提升[4]。總之，該艇續航力、隱身性能、高速機動性能均得到大幅提高。

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

可見，各國海軍發展的潛用燃料電池均集中在質子交換膜燃料電池（PEMFC），顯然將它用作潛艇動力系統的動力源，有著其他AIP系統無法比擬的優勢。

2 燃料電池AIP主要特點

目前，國外較為成熟、已進入實用階段，且能夠大幅提高常規潛艇水下作戰能力的AIP系統主要有燃料電池AIP系統（FC/AIP）和熱氣機AIP系統（SE/AIP）。FC/AIP系統的主要特點主要包括[5]：1）系統能量轉換效率高（工程上已達到50～60%），可大幅提高常規潛艇水下續航力；2）系統振動和噪聲小（電化學反應無振動噪聲），紅外輻射低，可提高常規潛艇的隱蔽性；3）反應物是純水，可利用和易處理；4）采用模塊化結構，系統設計簡單可靠；5）系統全工況范圍內效率較高，有利于潛艇動力系統優化設計；6）研制和采購價格偏貴。

綜上所述，FC/AIP系統可提高燃料利用率、降低振動噪聲、減少紅外特征、優化總體布置，能較好地滿足潛艇對動力系統要求，是潛艇AIP系統理想的動力方案之一。

3 燃料電池AIP關鍵技術分析

3.1 膜電極技術

膜電極是PEMFC的電化學心臟，其結構的設計、材料的制備和工藝優化一直是PEMFC研究的技術關鍵。膜電極由質子交換膜、催化層、氣體擴散層熱壓而成，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。質子交換膜（PEM）是PEMFC的核心元件；催化劑重點一方面是改進電極結構，提高催化劑的利用率，另一方面是尋找高效廉價的催化劑材料。

3.2 雙極板技術

在膜電極的兩邊分別對應有陽極集流板和陰極集流板，通常稱為雙極板，其是PEMFC的關鍵部件。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率，但成本高，加工難度大；金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕性。復合材料雙極板則結合了兩者的優點，是未來發展的趨勢。

3.3 氫源技術

由于氫氣易燃易爆，氫儲存問題是燃料電池的難題之一，要求儲氫技術具有安全性高、轉化效率高、體積小易存放、成本合理等。德國采用了金屬氫化物儲存罐技術，技術相對比較成熟，但金屬儲存罐相當笨重。國外正在探索碳氫化物、乙醇或甲醇等制氫，這些燃料具有安全性高、容易在艇上儲存等特點，但需要處理制氫過程中產生的二氧化碳[4]。德國下一代216型FC潛艇將采用甲醇制氫，而俄羅斯和美國擬采用柴油重整制氫技術。

3.4 輔助系統及監控系統

水熱管理包括反應氣增濕、陰陽級液態控水、電堆溫度控制及系統廢熱利用。燃料電池的溫度、濕度、電壓等一些重要參數對燃料電池的性能和使用壽命有直接的影響，為此，設計出潛艇燃料電池監控系統將變得非常重要。

4 燃料電池AIP發展啟示

1）燃料電池AIP應定位為潛艇主動力

最初設計思路是將燃料電池作為潛艇主動力系統，由于早期燃料電池技術不成熟、功率低，難以實現目標。德國、俄羅斯等國提出將燃料電池作為潛艇輔助動力的設計理念，即在保留現有柴電系統基礎上，加裝一套FC系統，作為潛艇水下續航動力，與普通柴電推進系統組成混合式推進系統，解決了燃料電池的出路問題。

由于要求潛艇離開控制海區后長時間隱蔽潛航、水下續航力要大，潛艇主要依靠FC/AIP供電完成長期低速水下航行，從其功能、地位及作用來分析，FC/AIP已成為了潛艇主動力。柴油發電機組由原先主動力降為備用動力，世界上許多常規潛艇只保留了1臺或2臺柴發機組，只在AIP系統發生故障時使用。蓄電池組只有在潛艇需要高速機動等時機才使用，也基本屬于備用電源。

2）液態有機物儲氫是PEMFC/AIP系統較好的氫源方案

德國研制的212 A、214型潛艇均采用了金屬氫化物儲存罐技術，該技術比較成熟，但儲存罐相當笨重，總重達200噸左右；目前正在探索乙醇、甲醇等化學制氫，這些燃料具有安全性、可靠性高、容易在艇上儲存轉化等特點，但需要處理制氫過程中產生的CO2在高壓下隱蔽排放等問題。德國下一代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，因此尚未實現裝艇應用。

近期國內外液體有機儲氫技術獲得重大突破，該技術具有儲氫密度高（約5.0%，是金屬儲氫密度的3倍以上）、安全可靠、無廢氣排放、燃料儲存和補給方便等優點，已在電動汽車領域應用，潛艇用有機儲氫制氫樣機已與燃料電池AIP系統成功聯試。因此，該項技術是燃料電池潛艇較好的氫源方案，應重點關注研究。

3）開展燃料電池AIP系統研究

按照國內外艦艇動力統計，無論是柴油機、汽輪機以及AIP，每型動力升級換代周期一般為15～20年，國內已到了升級換代窗口。目前，已基本具備FC/AIP研究條件，應適時啟動FC/AIP系統研究工作，做好技術儲備，可有效地提升潛艇水下續航力[7]。

5 主要結論

1）當今海戰給各國海軍潛艇戰術技術提出了更高要求，常規柴電潛艇現已難以滿足新形勢下潛艇的遠續航力、高隱身性等基本要求。而AIP動力系統問世再次為常規潛艇的發展注入新的生命力。

2）燃料電池AIP具有工作效率高、隱身效果好、紅外特征小、無廢物排放、安全可靠以及維護方便等諸多優點，是常規潛艇較理想的AIP技術。作為一套復雜系統，需要解決關鍵技術后，才能在潛艇上發揮應有的作用。

3）目前燃料電池AIP技術具有較好的研發基礎，燃料電池AIP應定位為潛艇主動力；應重點關注液態有機物儲氫技術，這是燃料電池AIP系統較好的氫源方案；應適時開展燃料電池AIP系統研究工作，這將大幅提升常規潛艇的戰技術性能。

[1] 袁茂錢. 水雷反潛中探測技術的研究與分析[D]. 成都：西南交通大學，2008.

[2] 萬芳, 姚國富, 劉斌，等. 潛艇燃料電池AIP系統技術發展現狀[J]. 船電技術, 2011, 31(8): 16-22.

[3] 張翔明. 德國潛艇用燃料電池進展[J]. 電源技術, 2012, 36(9): 1421-1422.

[4] 陳新傳, 劉云生, 關濤. 潛艇燃料電池AIP發展現狀及策略[D]. 北京: 海軍研究院，2021.

[5] 呂強, 張義農, 蘇強等. 潛艇動力系統[D]. 國外艦船動力速覽, 2021, 2(2): 14-15.

[6] 呂強, 張義農, 蘇強等. 國外常規潛艇燃料電池發展綜述[D]. 國外艦船動力速覽, 2021，1(1): 21-26.

[7] 陳新傳, 宋強, 黃榮. 基于MATLAB平臺的燃料電池系統建模及外特性仿真[J]. 船電技術，2016, 36(7): 77-80.

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，高級工程師。研究方向：輪機工程。E-mail chenxzwy@163.com