德国潜艇用燃料电池进展

张翔明

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

燃料电池最初就是为潜艇使用的数千瓦级能源而开发的。20世纪80年代初Simens公司开始研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)作电源的AIP(不依赖空气动力装置)潜艇。德国AIP技术已经相当成熟与完善，2003年4月试航了212A型U31潜艇，其为世界上第一艘现代化AIP质子交换膜燃料电池潜艇。

PEMFC用作潜艇AIP推进动力源，与斯特林发动机（瑞典考库姆公司开发的潜艇AIP动力系统）、闭式循环柴油机相比，除了效率高这一优点外，还具有如下优势：（1）向海水辐射的热能少，红外特征很小；（2）基本不向艇外排放废物，尾流特征很小；（3）超安静运行，声信号特征很低；（4）在携带相同质量或体积的燃料和氧化剂时，续航能力最强，是斯特林发动机的两倍。所以PEMFC潜艇隐形效果极好，潜艇的生存力与战斗力得到极大的提高。

1 潜艇用质子交换膜燃料电池原理及结构

PEMFC作为一种使用氢气和氧气作为反应物、反应副产物只有水的发电装置，膜电极将化学能的电化学元素转化为电能。燃料(含氢、富氢)气体和氧气通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，反应气体通过电极上的扩散层到达质子交换膜。在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为氢离子(质子)和带负电的电子，氢离子以水合质子H+(nH2O)的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基(-SO3H)转移到另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电。质子的这种转移导致阳极出现带负电的电子积累，从而变成一个带负电的端子(负极)。阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使阴极变成带正电的端子(正极)，其结果在阳极带负电终端和阴极带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。同时，氢离子与氧离子发生反应生成水。与其他燃料电池相比较，这种PEM燃料电池不仅仅是安静且无损耗而且还具有高效能，低废热排放和较低工作温度的特点。

燃料电池系统构成与一般电池有很大差别。燃料电池的大小决定系统的输出功率，与储存能量多少无关；反应物质多少决定系统储存能量，在一定的输出功率下如果要增大储存能量，只需增大反应物质及其存储装置，无须增大能量转换装置，即燃料电池。反应物质用完后，补充反应物质即可，无需更换燃料电池。系统配置灵活，便于安装，燃料电池是由若干个电池单元串、并联而成，可根据潜艇内部布置的需要，灵活选择燃料电池的配置方式；效率随输出功率变化特性较好，特别适合潜艇对于动力装置需要功率范围宽而效率高的要求。

212A潜艇与214潜艇上的质子交换膜燃料电池系统(FC-AIP)，在潜艇用AIP混合动力中，其综合性能上是最优秀的。但燃料电池要解决的难题之一就是氢的储存问题。由于氢气属于活泼气体，易燃易爆，在空气含量中超过4%，即有爆炸的威胁，严格控制舱室空气中的氢含量，是潜艇大气环境控制的重要任务。但是FC-AIP的燃料就是氢，这就必须解决艇上储氢的安全问题。常规的罐装液态氢，储存方式简单成本低，但却不适合装艇，因为当受到鱼雷、深弹的攻击时，罐装贮存的气液态氢，在爆炸后产生的冲击振动下，容易产生二次殉爆，导致更严重的次生事故发生。直到戴姆勒－奔驰公司研制出了贮氢合金后，FC-AIP上艇的最大难题终于被解决。

燃料电池在工作中需要添加辅助设备，燃料电池堆、控制阀、配管和传感器形成燃料电池组件，相应的组件控制燃料电池正常工作。辅助设备进行H2、O2和N2的输送、反应物加湿、去除反应生成物水、废热和多余气体。燃料电池堆和辅助设备安装在装有3.0×105Pa的输入气体（N2）贮存箱中以避免H2和O2的泄漏。燃料电池可在不同的静态负载电流下工作，30～40 kW组件和120 kW组件的电流分别低于650 A和560 A，并可连续工作。由于在高电流下产生的热不能及时充分排除，所以高于标称电流的工作时间是限定的，对于每一个负载的电流都可以双倍于标称电流短时间停留。

2 德国潜艇用质子交换膜燃料电池的实例

2.1 加装氢氧燃料电池AIP系统的209级潜艇

碱性氢氧燃料电池在205级潜艇上初步试验成功，鼓舞了人们在常规潜艇上加装AIP系统的信心，于是决定在出口的209级潜艇中加装氢氧燃料电池分段进行海下试验。

采用的燃料电池是西门子公司于1995年完成的35～70 kW质子交换膜氢氧燃料电池（PEMFC）单元。其电池本体是由72个单电池组成的，它和辅助装备以及部分电气设备，都装在耐压容器中。在容器中充满3.5 Pa压力的氮气，以防止电池系统泄漏物直接作用。

在209级潜艇中加装的氢氧燃料电池分段长度为6.5 m，直径与耐压壳相同，容积为2000 m3。燃料电池组是由西门子公司生产的6个PEMFC单元组成，总功率为210 kW。6个单元分上下两排安放，各单元间相互连结构成一体。电池组及其辅助系统放在甲板之上；2个液氧储槽可储14吨液氧，24个储氢钢瓶可储存近1.7吨的氢，它们均放在甲板以下。

加装氢氧燃料电池分段后的209级潜艇，总长度由原来的54.7 m增加到61.2 m，水面排水量由原来的1200 m3增加到1420 m3，燃油由原来的100吨减少到98吨，柴油发电机组和蓄电池数均保持不变。该艇单独用燃料电池供电航行，最高时速可达6.5节。用4.5节常规速度航行时，燃料电池AIP系统除了可以提供11 kW的生活和辅机用电外，潜艇可一次潜航278 h，航程1250海里。原来用蓄电池供电只能潜航390海里，用燃料电池 AIP系统和蓄电池共同供电，则水下可一次潜航1640海里，是未加装 AIP系统的4倍以上。此外，潜艇的暴露率也由原来的9%下降到6%。

2.2 加装氢氧燃料电池 AIP系统的212级潜艇

212级潜艇中燃料电池系统包括：燃料电池；氢源（性能与209级潜艇相同）；氧源是2个液氧储槽，它的直径与209级潜艇所用的相同，但长度有所增加。

加装氢氧燃料电池AIP系统分段的212级潜艇排水量为1350吨，长度53.5 m，宽度为6.8 m。在海下试航试验过程中，用燃料电池单独为推进电机供电，潜艇航速可达8节，航程约900海里；用燃料电池与蓄电池并联为推进电机供电，潜艇航速可达8节。

212A级潜艇是由德国霍瓦兹公司和北海船厂合作开发的，它是世界最早采用加装氢氧燃料电池AIP系统的潜艇。每艘212A型艇都有9组质子交换膜燃料电池，每组的输出功率为30～40 kW，这样9组共有约300 kW，这就可以用AIP航行约14天，和原212型设计的只有6组燃料电池相比，功率增加了大约100 kW。

2.3 加装氢氧燃料电池AIP系统的214级潜艇

214级潜艇推进装置的核心是燃料电池，该电池以212级上采用的燃料电池为基础，214级潜艇将燃料电池系统完全集成到潜艇平台上。AIP系统的性能增强，使用的二套西门子PEM燃料电池模块，每套模块产生120 kW功率，安装两套总功率为240 kW，给潜艇提供长达二个星期的水面下持久力，同时降低了每千瓦功率费用。

3 德国燃料电池成功应用的分析

燃料电池AIP系统在德国潜艇中得到实际应用，并且得到许多国家的认可和订购，可以认为这是至今燃料电池最成功的实用范例。

（1）燃料电池比能量高于铅蓄电池，但比功率却只有铅蓄电池的一半（约100 W/kg）。这就决定了燃料电池和铅蓄电池组合而成的混合动力系统具有更大的优越性。为了使水下一次性续航力提高4倍，若单独用蓄电池，则蓄电池的数量必须扩大4倍，显然这是潜艇总体不允许的。使用燃料电池则只要加一节舱段就可，大大节约了潜艇总体的质量和空间。如果没有铅蓄电池，那么潜艇要求高航速时，燃料电池就显得力不从心了。

（2）燃料电池工作产物是水，必须处理和排出艇外的废物这不但节省了废物处理系统，而且还可以使潜艇在整个潜航期间总重保持不变，不会影响潜艇的动态性能。其它3种AIP系统使用的是热机，其工作产物是CO2或其它废物，必须有处理装置，这就增加了潜艇总体的质量和复杂性。

（3）燃料电池寿命目前还不够长，平均只有2200 h，这是当今燃料电池的技术水平限制了它单独用作动力的瓶颈之一，也可以看成是当今燃料电池的不足之处。若像上世纪50～60年代那样把燃料电池作为潜艇的唯一动力源，那么这样短的使用寿命无法用于潜艇。但若用于延长水下一次潜航行程，情况就不同了。209级潜艇一次潜航278 h，那么现有的燃料电池可以满足8次以上水下一次潜航。只有在特殊情况下才需要长时间潜航，平时是不需要的。

（4）性价比高。虽然燃料电池成本高，但是潜艇燃料电池AIP系统是在必要的关键性时刻用的，成本与战术增益之间就有可能达到平衡。从德国的试验情况来看，燃料电池AIP系统的贮能约为潜艇总贮能的十分之一，也就是说，潜艇使用燃料电池的机会只有十分之一，因而虽然燃料电池成本高，但从性价比来看却是合算的。

（5）安全性和可靠性。德国燃料电池AIP系统使用贮氢材料吸收并放出纯氢，所用的氧也来源于液氧槽放出的纯氧，不会出现燃料电池中毒问题，所以安全性和可靠性均较高。

4 展望

未来的海战给电动鱼雷和潜艇的战术技术提出了更高的要求，当今世界各国都在探索寻求高能电池或热动力源。各国对潜艇用铅酸电池以外的化学电源和能量转换系统的技术开发一直在紧张进行，如锂电池和燃料电池的使用，西门子燃料电池在德国AIP系统潜艇上的应用较为成熟。加快水下电源的研发，于海防及海洋探测意义重大，需要科技工作者的不懈努力[1-2]。

[1]吕鸣祥.化学电源[M].天津：天津大学出版社，1992：258-261

[2]李国欣.新型化学电源技术概论[M].上海：上海科学技术出版社，2006.