國外潛艇燃料電池AIP技術發展現狀及趨勢

袁 斌，趙夢文，周毓軒，王 迪，孫 震

國外潛艇燃料電池AIP技術發展現狀及趨勢

袁 斌1,2，趙夢文1,2，周毓軒1,2，王 迪1,2，孫 震1,2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.武漢氫能與燃料電池產業技術研究院有限公司，武漢 430064）

分析了燃料電池在常規潛艇領域的應用優勢，簡述了德、韓、法、俄、印、西等國潛艇燃料電池AIP技術的發展歷程和技術現狀。分析結果表明，世界主要軍事強國均在潛艇燃料電池AIP技術方面投入了大量研發經費，212A、214、218SG、S80等多型燃料電池AIP潛艇已陸續服役或下水，燃料電池AIP技術已經成為常規潛艇動力系統的主要發展方向。為了進一步提升常規潛艇隱蔽性和續航力，燃料電池AIP技術呈現出三個方面的發展趨勢，一是燃料電池電堆模塊向高電流密度和功率密度方向發展，二是氫源技術由合金儲氫向現場制氫方向發展，三是燃料電池系統向高功率等級、高儲能量方向發展。

常規潛艇 燃料電池 AIP技術 發展現狀 趨勢

0 引言

憑借優秀的作戰隱蔽性和突出的效費比，常規潛艇自發明以來一直受到世界各國的廣泛關注，目前已經成為海軍裝備體系重要組成部分。水下續航力作為評價常規潛艇綜合性能的主要指標之一，直接決定著常規潛艇作戰能力和水下生存能力。傳統常規潛艇水下巡航主要依靠蓄電池，受制于蓄電池較低的能量密度，潛艇的水下續航力一般只有2～3天，遠遠不能滿足現代海軍作戰需求。第二次世界大戰期間，不依賴空氣推進（Air-Independent Propulsion，簡稱AIP）技術進入了研究者視野。AIP技術可使常規潛艇的水下續航力由原來的2～3天大幅延長至2～3周，被認為是常規潛艇動力技術的主要發展方向。當前，已經實際裝艇應用的主要是燃料電池AIP、熱氣機AIP和閉式循環汽輪機AIP，其中，燃料電池AIP應用范圍最廣。自2003年全球首艘燃料電池AIP潛艇—德國212A型潛艇下水以來，燃料電池在常規潛艇的工程應用已經接近20年。近年來，為應對日新月異的反潛技術，燃料電池AIP技術呈現出新的發展趨勢。本論文綜述了近年來國外潛艇燃料電池AIP技術的發展現狀，總結了其發展趨勢，可為本領域研究人員提供參考。

1 國外潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

1.1 德國潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

德國是最早研究燃料電池AIP技術的國家之一，技術水平全球領先。早在20世紀50年代，德國就開始了潛艇燃料電池AIP系統的研制[1]，至80年代，德國潛艇燃料電池AIP技術已基本具備工程應用條件。1990年，德國開始醞釀以209級1200型潛艇為母型，加裝燃料電池AIP系統，研制世界上第一艘裝備燃料電池AIP系統的潛艇—212級常規潛艇。此后，為了滿足意大利的需求，德國又對212級潛艇設計方案進行了修改，并最終定型為212A型潛艇。212A型潛艇水下排水量1830噸，其燃料電池AIP系統采用“質子交換膜燃料電池+合金儲氫”技術方案，配置有西門子公司研制的燃料電池模塊，額定功率272千瓦。裝備AIP系統后，212A型潛艇的4節水下續航力由209級的400海里大幅提升至1638海里。212A型潛艇首艇2005年正式交付，主要裝備德國（6艘）和意大利海軍（4艘）。

圖1 德國214型燃料電池AIP潛艇

進入21世紀后，為了搶占競爭日益激烈的潛艇軍貿市場，德國開發了214型燃料電池AIP潛艇（見圖1），水下排水量約1860噸,配置2套西門子公司120千瓦燃料電池模塊，氫源同樣采用合金儲氫方案，其水下4節續航力達到1248海里。214型潛艇首艇于2001年開工建造，2005年正式交付，目前已經出口至希臘、韓國、葡萄牙、土耳其等國家，訂購及服役數量超過20艘。

除214型外，212A型潛艇近年來還衍生出多個改進型。2021年2月，意大利芬坎蒂耶里集團與歐洲聯合軍備合作組織簽署了一份13.5億歐元的合同，旨在為意大利海軍建造4艘212NFS型燃料電池AIP潛艇的前兩艘。據悉，212NFS型潛艇長約59米，水下排水量約2000噸，首艇及2號艇將保留212A型的柴油/電力和AIP推進系統，3、4號艇還會采用芬坎蒂耶里公司牽頭研制的第二代燃料系統。2021年3月，挪威和德國達成協議，挪威將從德國蒂森克虜伯海事系統公司（TKMS）采購四艘212 CD型AIP潛艇[2]。根據TKMS公司資料，212CD型潛艇將是212型潛艇的簡化型，但將增加了航程，速度和續航能力，水面排水量將達到2500噸，配置新型甲醇重整燃料電池AIP系統。按照協議，TKMS公司還會向德國海軍供應2艘212CD型潛艇。

圖2 德國218SG型燃料電池AIP潛艇

與此同時，為滿足澳大利亞等國對更大噸位常規潛艇的需求，德國在2011年推出了216型燃料電池AIP潛艇設計方案。216型潛艇水下排水量約4000噸，配備4套120千瓦級燃料電池模塊，氫源采用甲醇重整制氫方案，水下續航力約2400海里。此外，德國還以214型潛艇為原型，同時納入了216型潛艇新技術，為新加坡海軍定制了218SG型潛艇（見圖2），該型潛艇配置了2套120kW燃料電池模塊，水下續航力25-30天，新加坡于2013年和2017年先后訂購了4艘，首艇“無敵號”、第二艘“無瑕”號和第三艘“光輝”號已分別于2019年和2022年下水，預計2023年交付。

1.2 韓國潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

韓國近年來將引進消化吸收和自我研制建造相結合，其燃料電池AIP技術進展顯著。20世紀初，在“國產攻擊型潛艇計劃”（KSS計劃）的支持下，韓國先后于2000年和2008年與德國簽訂了9艘214型燃料電池AIP潛艇采購協議。根據協議，所有9艘潛艇均由韓國本土企業生產。上述9艘潛艇被命名為“孫元一”級（KSS-2），首艇“孫元一”號于2007年交付，最后一艘“申乭石”號于2020年服役?！皩O元一”級潛艇的建造為韓國燃料電池AIP潛艇國產化奠定了堅實的基礎。

圖3 韓國“島山安昌浩”潛艇下水儀式

與此同時，韓國于2007年正式啟動了首型自主研制潛艇“安昌浩”級的研制工作[3]。“安昌浩”級潛艇總共建造9艘，分三個批次，每批次三艘，建成后將完全取代第一代潛艇“張保皋”級。2021年8月，首艇“島山安昌浩”號（見圖3）正式交付，該艇水下排水量3800噸，水下最高航速20節以上，水下續航力約20天。據悉，該艇搭載了由大宇造船抓總、韓國產研各方合作研發的國產燃料電池AIP系統。該系統是繼德國之后全球第二個成功開發的同型產品，也是全球首次在3000噸級中型潛艇上搭載。此外，2018年以來，韓國還組織大宇造船等單位開展了新一代潛艇AIP系統——甲醇重整燃料電池AIP系統的研發工作。2022年2月，韓國國防發展局宣布已完成甲醇重整燃料電池AIP系統（見圖4）全部研發工作，可能將率先裝備“安昌浩”級第二批潛艇。

圖4 韓國潛艇用甲醇重整制氫燃料電池

1.3 法國潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

法國是世界上少數幾個掌握常規潛艇AIP技術的國家之一。2015年，法國海軍造艦集團（DCNS）和泰利斯集團聯合推出了“短鰭梭魚”級燃料電池AIP潛艇（見圖5）設計方案，該型潛艇是法國新一代“梭魚”級攻擊型核潛艇的常規動力版本，水下排水量約4500噸，采用DCNS第一代燃料電池AIP系統。2016年12月，澳大利亞政府宣布與DCNS簽約，將向后者訂購12艘“短鰭梭魚級”燃料電池AIP潛艇。然而在美、英兩國的干擾下，澳大利亞在2021年9月單方面撕毀合同，轉而向英美購買8艘攻擊核潛艇。

2018年10月，DCNS在歐洲海軍裝備展上推出“SMX-31”新概念潛艇設計方案，采用超前設計理念和多種先進技術，引發全球媒體的廣泛關注。SMX-31長約70米、型深13米、排水量約3000噸，選用燃料電池和超高容量鋰電池混合動力，總儲能量是當前常規潛艇的六倍，可以在水下巡航40天。2019年7月，DCNS宣布其研制的第2代潛艇燃料電池AIP系統取得重要突破，在模擬作戰環境中實現了水下巡航18天。據DCNS報道，第2代燃料電池AIP系統采用柴油重整制氫技術，該系統陸基試驗已于當年3月完成。

圖5 法國“短鰭梭魚級”燃料電池AIP潛艇

1.4 俄羅斯潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

俄羅斯常規潛艇燃料電池AIP系統的研制工作可追溯至20世紀70年代。1978～1986年，蘇聯特種鍋爐設計局開展了燃料電池AIP系統的預先研究工作。1988年，“天青石”中央設計局對613型潛艇進行了燃料電池AIP系統改裝，命名為“613Э”，該樣機最終成功通過國家試驗。1989年，蘇聯授予紅寶石設計局一份合同，委托其負責設計新的第四代常規潛艇，即“拉達級”常規潛艇。“拉達級”常規潛艇（見圖6）長72米，寬7.1米，滿載排水量2800噸，計劃配置堿性燃料電池AIP系統，功率為300千瓦，能保證潛艇在水下以3.5節的速度持續航行1203千米。

“拉達級”首艇“圣彼得堡”號，2號艇“喀瑯施塔得”號已分別于2004年和2018年下水，3號艇“大盧基”號已于2006年開工建造，然而，由于“拉達級”潛艇采用了過多新技術，加之俄羅斯燃料電池技術成熟度偏低，上述3艘潛艇均未安裝燃料電池AIP系統。鑒于“拉達級”潛艇建造進度緩慢，為避免影響戰備，俄羅斯于2014年宣布開始研制第五代常規動力潛艇—“卡麗娜”級常規潛艇，該型潛艇同樣裝備燃料電池AIP系統，水下續航力可達25天。根據此前報道，該型潛艇已于2015年完成方案設計，計劃于2020年交付俄羅斯海軍。

圖6 俄羅斯“拉達級”潛艇

1.5 印度潛艇燃料電池AIP技術發展現狀

印度常規潛艇AIP技術采用自主研制和對外引進相結合的總體路線。在對外引進方面，2021年，印度國防采辦委員會批準了代號為“P-75 India”的潛艇項目，計劃耗資5000億盧比（約67.1億美元）在本土建造6艘AIP常規潛艇。參與競標的廠家包括法國海軍集團、德國蒂森克虜伯海洋集團、俄羅斯國防出口公司、瑞典薩博-考庫姆、西班牙納凡蒂亞公司、韓國大宇造船海洋等六家。根據招標文件要求，“P-75 India”項目中潛艇國產化率須達到65%，國外公司必須提供關鍵系統的全部技術轉讓。由于提出的附加條件過于苛刻，多家公司放棄競標，目前僅剩韓國大宇尚未退出?？紤]到印度法律要求競標方必須達到2家或以上，在新的競標方出現前，該項目只能無限期推遲。

在自主研制方面，印度國產AIP系統的研制工作由印度國家材料研究實驗室負責。據印度國防研究與發展組織（DRDO）宣稱，不同于其它國家的AIP系統，印度采用了一種獨特的磷酸燃料電池技術路線，能支持常規潛艇在水下潛航14天以上。資料顯示，相比于德國214型潛艇所采用的質子交換膜燃料電池，磷酸燃料電池效率更低（大約為40%），工作溫度更高（約200℃），可靠性和穩定性相對較差。2021年3月，DRDO宣布印度國產270千瓦燃料電池AIP系統已經成功通過陸基原型試驗。根據印度海軍要求，該系統在完成潛艇平臺驗證后，將安裝在印方早前引進了6艘鲉魚級（見圖7）潛艇上。

圖7 印度“鲉魚級”潛艇加裝燃料電池示意圖

1.6 西班牙燃料電池AIP技術發展現狀

西班牙燃料電池AIP技術的形成與S80型常規潛艇研制密不可分。20世紀80年代末期，為了取代現役法制S60海豚級常規潛艇，西班牙與法國DCN達成協議，決定以S-70型潛艇為基礎，開發一款兼顧外貿，型號定為S80型的常規動力潛艇。至90年代初期，伴隨著冷戰結束，西班牙對S80型潛艇的定位也進行了調整，要求具備AIP功能，且由國內企業獨立完成研制。

圖8 西班牙S80型潛艇首艇下水現場

2004年3月，西班牙海軍授予IZAR公司（現為Navantia）四艘S80型潛艇建造合同，按照最初合同要求，S80型潛艇長71.05米，寬度11.68米，排水量2200噸，裝備基于乙醇重整的燃料電池AIP系統，額定功率約300千瓦，水下續航時間可達20-30天，計劃2011年10月交付首艇，2014年全部交付完畢。然而，由于設計和計算錯誤導致超重，以及阿本戈亞公司（Abengoa）負責的燃料電池AIP系統研制進度嚴重滯后，S80型（后期更改為S80 Plus型）潛艇首艇被延遲至2021年4月才正式下水（見圖8），且前兩艘潛艇均錯過了AIP系統安裝期，上述AIP系統將首先在第三艘和第四艘上安裝。2020年3月，Navantia公司宣布已經成功研發燃料電池AIP系統，在完成驗證后，將會順利安裝在第三艘S-80型常規潛艇上。

2 燃料電池AIP技術發展趨勢

近年來，隨著海洋監視衛星等傳統反潛技術的不斷優化，以及紅外探測等新型反潛裝備的陸續部署，常規潛艇在續航力和隱蔽性方面面臨新的挑戰，燃料電池AIP技術進入發展新階段，呈現出以下三個方面的發展趨勢。

1）燃料電池電堆模塊向高電流密度/功率密度方向發展。作為AIP系統的核心設備，燃料電池電堆模塊的性能優劣與否對AIP系統整體性能具有直接影響。以德國燃料電池AIP系統為例，其第一代燃料電池AIP潛艇212A型潛艇配備西門子公司研制的BZM34燃料電池電堆模塊，模塊電流密度約為 600 mA/cm2@ 0.72 V，功率密度約為107.6W/L；其第二代燃料電池AIP潛艇214型潛艇配備西門子公司研制的BZM120燃料電池電堆模塊，模塊電流密度約為1000 mA/cm2@ 0.70 V，功率密度約為257.5W/L。

2）氫源技術由合金儲氫向現場制氫方向發展。氫源技術直接決定了燃料電池AIP系統能量密度，是決定潛艇水下續航力的關鍵。早期的燃料電池AIP系統多采用合金儲氫技術，例如德國212A和214型常規潛艇。然而，由于儲氫密度偏低，基于合金儲氫技術的燃料電池AIP系統已經不能滿足新一代常規潛艇要求，為此，近年來研制的燃料電池AIP系統多采用現場制氫技術，如西班牙S80型潛艇采用乙醇重整制氫，德國216型潛艇和韓國第二批“安昌浩”級潛艇均采用甲醇重整制氫，法國DCNS公司第二代燃料電池AIP系統則采用柴油重整制氫。

3）燃料電池系統向高功率等級、高儲能量方向發展。為滿足未來海軍作戰需求，常規潛艇對燃料電池AIP系統的功率等級和儲能量要求不斷提升。在額定功率方面，早期燃料電池AIP系統額定功率較低，如德國212 A型272 kW，214型240 kW，稍晚出現的燃料電池AIP系統普遍具備更高的功率等級，如德國216型潛艇和法國DCNS公司短鰭梭魚級潛艇均配置480 kW燃料電池AIP系統；儲能量的增長趨勢也同樣明顯，如德國212 A型潛艇儲能量約為40 MWh，而法國短鰭梭魚級采用柴油制氫，儲能量超過100 MWh。

3 結論與展望

燃料電池不僅能夠有效提升常規潛艇續航力，還能大幅改善其隱蔽性，此外，裝備燃料電池AIP系統的常規潛艇還能夠更好地適應大潛深，燃料電池AIP系統對提升常規潛艇作戰性能效果顯著，已經成為常規潛艇動力系統主要發展方向。為了進一步提升常規潛艇隱蔽性和續航力，燃料電池AIP技術呈現出三個方面的發展趨勢，一是燃料電池電堆模塊向高電流密度/功率密度方向發展，二是氫源技術由合金儲氫向現場制氫方向發展，三是燃料電池系統向高功率等級、高儲能量方向發展。可以預見，在俄烏沖突不斷加劇、國際軍事安全形勢加速惡化的背景下，燃料電池AIP技術必將進入快速發展期。

[1] Stolten D, Emonts B. Hydrogen science and engineering: materials, processes, systems and technology[M]. New Jersey: Wiley, 2016: 991-1010.

[2] Sutton H I. Radical new stealth submarine, type-212CD, will be much larger[EB/OL]. (2021-09-14)[2023-03-18]. https://www.navalnews.com/naval-news/2021/09/radical-new-stealth-submarine-type-212cd-will-be-much-larger.

[3] Naval Technology. KSS-III (Jangbogo-III) class attack submarines, South Korear[EB/OL]. (2022-01-21) [2023-03-18]. https://www.naval-technology.com/projects/kss-iii-jangbogo-iii-class.

[4] Vavasseur X. Naval group achieves breakthrough with its FC2G AIP system[EB/OL]. (2019-07-30) [2023-03-18]. https://www.navalnews.com/naval-news/2019/07/naval-group-achieves-breakthrough-with-its-fc2g-aip-system.

Development status and trend of fuel cell-based AIP technology for submarines abroad

Yuan Bin1,2, Zhao Mengwen1,2, Zhou Yuxuan1,2, Wang Di1,2, Sun Zhen1,2

(1. Fuel Cell Department, Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064 China; 2. Wuhan Hydrogen and Fuel Cell Industry Technology Research Institute Co., Ltd, Wuhan 430064 China)

TK91

A

1003-4862（2023）11-0018-05

2023-04-14

袁斌（1985-），男，高級工程師，研究方向：氫能與燃料電池。E-mail：binyuan1985@163.com.