外军AIP 潜艇燃料电池最新储氢技术
2012-07-02李世令
李世令
(海军潜艇学院,山东 青岛 266044)
自第二次世界大战以来,潜艇主要还是依靠柴电推进系统和铅酸蓄电池提供的电能进行航行,这些系统已经获得了很大的改进,但是潜艇在信号特征方面的改善并不是很大,在最近几十年,常规潜艇仍然必须使用通气管才能在水下为蓄电池充电。燃料电池的装备为潜艇航行提供了巨大的优势,它能够使潜艇在水下运行更长的时间,而且潜艇的信号水平也比较低。这是因为燃料电池与普通的电池一样,产生的电能几乎没有任何浪费。此外,燃料电池还具有很多优势:高性能,排放到海水中的热量较低,噪声水平低,磁信号特征低,尺寸小、质量小,维护便利等。因此,可以说燃料电池完全是一种全新的系统,而不是对现有系统的一种改进。
1 金属氢化物储存罐技术
德国是最早研究并在潜艇上实际使用燃料电池的国家。德国的霍瓦特-德意志造船股份有限公司研究燃料电池已经超过20年[1]。1988年,它们第1 次在U1 号潜艇上进行海试,测试燃料电池的性能。如今,德国海军的U212A 级潜艇和214 级潜艇都已经服役,而且国外的一些国家也在使用这种潜艇。燃料电池具有的优势使该公司赢得了大量的订单。由于燃料电池需要在艇上进行氢——氧间的电化学反应,因此,艇上必须携带大量的氢燃料和氧燃料。目前,氧基本都是以液态存储在储罐中。但是液态氢占据的体积较大,不稳定。如果在潜艇上携带大量液态氢不但使本已非常狭小的潜艇空间更加拥挤,而且存在很大的危险性。因此德国海军在这些燃料电池AIP 潜艇上采用了金属氢化物储存罐技术。也就是利用高压将氢压入金属内,以此来提高氢气的储存量。
2 甲醇转化制氢技术
尽管现有的燃料电池系统具有很多优势,但是潜艇的发展趋势应当是能够从AIP 系统中获得更多的能量。目前使用的金属氢化物储存罐相当笨重,潜艇的尺寸限制了艇上氢气的储量。通常情况,液体燃料具有很高的体积能和重量能,而且便于控制。因此,需要对燃料电池进行改进,选择一种最好的燃料,这不仅仅影响到燃料电池系统的设计,而且还会对潜艇的设计和性能产生影响。通常候选的燃料是碳氢化合物和乙醇。与存储纯氢相比,这种燃料会产生二氧化碳。而二氧化碳不能在艇上存放,必须将其排放到大海。为了实现质量平衡,排放掉的二氧化碳的质量必须由海水来补偿。因此,改进的燃料系统必须以燃料+氧气(+水)的形式工作。氧气在艇上以液体的形式存放在液氧罐内。巨大的液氧罐占据了系统相当大的尺寸。因此,对于AIP 系统来说,氧气的消耗非常重要,并且应当尽可能缓慢。考虑到整个AIP 系统的化学产物是水和二氧化碳。因此,在燃料的化学组成中,氢与碳的比值应当较高,因为碳比氢氧化时需要更多的氧气。另外一个重要的因素是燃料必须在世界任何地方都能够找到,而且它的安全性、可操作性、纯度(避免使用额外的净化器)以及转化所需的温度都应当使氢气获得的更加容易。另外,需要能够以现有的西门子电池为基础,废气(二氧化碳)排放压力较高,不需要额外的废气压缩机就可以将废气排放到周围的海水里。最重要的是整个系统需要高效而可靠,可用性好。因此,德国的下一代216 型AIP 潜艇虽然仍采用燃料电池作为动力系统,但是该艇储存氢气的形式却与上述两级潜艇截然不同,采用了甲醇转化制氢技术。
从通常意义上讲,柴油、乙醇和甲醇这3 种物质都可以作为潜艇的燃料。但与柴油和乙醇相比,甲醇中氢与碳的比值最高,达到4∶1,而另外2 种燃料分别为2∶1 和3∶1;而且甲醇转化效率高,非常容易转化(转化温度大约为250 ℃,柴油大于850 ℃,乙醇大于700 ℃)。总的来说,选用甲醇作为燃料的优点是:在化学结构中氢的含量高;转化过程效率高;在全世界都可以获得;纯度高(不含硫);容易在艇上储存;容易处理(例如燃料的添加);容易转化[2]。不足的地方是甲醇蒸汽转化系统需要提高压力才能运行,而且氢气提纯在薄膜净化装置中进行,转化过程需要通过高压氧炉进行加热。
在很多年以前,德国海军曾经计划在第2 批212 级潜艇上采用甲醇转化炉技术,而且霍瓦特-德意志公司也开始着手开发该项技术。然而,德国海军后来决定仍然在212 级潜艇上使用金属氢储存罐存储氢。因此,艇用甲醇转化炉的研制过程也有所放缓。目前,霍瓦特-德意志公司在基尔已经开始运行一个全尺寸的功能样机,用来对该项技术进行测试。该样机最初使用商业现货产品(COTS)进行建造,许多部件无法在艇上使用。现在,适合潜艇使用的独立的组件和系统已经得到开发和组装,并能够对真实的运行情况进行测试。2009年,霍瓦特-德意志公司建造并测试了一个新的气体提纯装置,该提纯装置符合军用标准,而且已经在不同温度和压力运行的情况下进行了震动测试,性能得到了验证。提取出的氢纯度非常高,能够满足西门子燃料电池的需求。2010年2月,甲醇转化炉与潜艇燃料电池进行了联合测试,并取得了非常好的效果。与从霍瓦特-德意志公司低温储存罐内获得的氢相比,当燃料电池使用从甲醇转化炉内获得的氢进行工作时,其性能没有任何区别。对转化炉进行测试后表明,该系统的效率非常高,超过了90%。目前,霍瓦特-德意志公司已经开始对系统进行整合。在甲醇燃料电池技术的优势逐渐凸显,而且工业部门已经获得了大量的技术储备的情况下,德国海军计划在216 型潜艇上使用甲醇燃料电池也就顺理成章了。
图1 甲醇转化为氢气的具体过程
甲醇转化为氢气的具体过程:甲醇与液态水混合,进入气体转化炉,转化炉由沸腾的循环水进行加热,如图1 所示。在典型的甲醇转化温度下,甲醇和水的混合物被转化为一种富含氢的气体混合物。在转化温度下,绝大部分的氢都能够从甲醇中分离,直接提供给西门子燃料电池。转化剩余的气体将在燃烧后为转化过程提供所需的热量。在加压过程中,转化炉中唯一的产物是二氧化碳,而废气中的水在内部被冷凝后将得到重新使用。甲醇转化炉在一个封装的容器内运行,具有相应的安全措施,能够保证艇员免遭气体和液体的伤害。
但是,甲醇转化炉应当进行进一步的改进,以便满足艇上运行所需的全部条件。首先,在转化氢的过程中,热量整合的方式将需要进一步改进,设备的阀门也需要被替换。其次,转化炉与燃料电池的联合运行需要进一步扩展,并对新的直流/直流转换器进行运行和测试。最后,转化炉需要与废气处理系统一同运行,并直接将二氧化碳排放到周围的海水中。所有的这些步骤都将使甲醇燃料电池转化系统更加接近实用。按照设计指标,在仅依靠燃料电池的情况下,216型潜艇将能够在水下持续航行4 周,当使用4 节的经济航速航行时,可以持续航行2 400海里。
3 柴油重整制氢技术
为了满足现代海战的作战需求,目前世界各海军大国的常规潜艇普遍都安装了AIP 系统。在20 个世纪80年代末,俄罗斯圣彼得堡特种锅炉设计局(ICBC)开始研制AIP 系统,其最初研制的AIP 系统是“水晶-20”系统,它使用氢气和氧气作为原料,可以提供130 kW 的电能。在电解质的作用下,系统中的氧气和氢气相互作用产生水和电能。也就是说,在没有燃烧的情况下,“水晶-20”AIP 系统就可以将化学能转化成电能。其转换效率可以到达70% ~75%,而且没有任何机械冲击,能够明显提高潜艇的隐蔽性。1991年,在经过广泛的测试后,“水晶-20”AIP 系统已经被前苏联国防部所接受。但是,不久之后苏联解体,AIP 系统的研制计划也被搁置。然而,俄罗斯圣彼得堡特种锅炉设计局并没有放弃AIP 系统的研制工作,在他们研制的第2 代“水晶-27”AIP 系统中,氢并不是以液体的形式储存在罐子中,而是储存在金属化合物中,使其成为一种氢含量高的金属合金,从而大大提高AIP 系统运行的安全性。但是由于缺乏资金,俄罗斯的常规潜艇并没有安装这种系统。1998年,俄罗斯研制了RG -99AIP 系统工程样机,它是通过在现有潜艇上加装一个AIP 系统舱段,可以使常规潜艇在水下连续航行长达20 d。安装这种AIP 系统舱段是一件容易而经济的事情。但是,燃料组件的低温储存比较困难,由于氧和氢是储存在同一个舱段的容器中,存在一定的安全隐患。在“库尔斯克”号核潜艇遇难沉没后,俄罗斯对于在常规潜艇上加装AIP 系统舱段的热情也降低到了冰点。因此,如何能够安全、高效地储存AIP 系统燃料成为俄罗斯常规潜艇发展的瓶颈。
目前,俄罗斯常规潜艇的AIP 系统主要分为热机系统和电化学系统两大类。其中闭式循环柴油机属于热机AIP 系统,而聚合物电解质膜燃料电池属于电化学AIP 系统[3]。与燃气轮机和柴油机不同,燃料电池不需要燃烧,因此不会产生过多的污染物,比如一些氮氧化物等。而且燃料电池的工作效率远远高于内燃机。此外,燃料电池也允许采用分布式动力系统。不像传统的发动机,分布式动力系统能够将功率分配到整艘潜艇,而不是集中在潜艇的主轴上。氢和液氧是燃料电池2 种必备的燃料,但是氢在潜艇上储存困难,具有一定的危险性。因此,俄罗斯在П -650Э 等小型AIP 潜艇上并没有携带现成的氢,而是利用柴油重整提取氢,以此来作为燃料电池的氢燃料。柴油是一种二次能源,按照目前的观点,传统高效柴油机的能源转化效率只有30%左右。然而,如果将柴油转化为氢气,再通过燃料电池将其化学能直接转变成电能,其能源转化效率就可以达到50%以上。近年来,柴油重整制氢已经深入到燃料电池与制氢技术领域,成为燃料电池氢源技术的重要来源之一。柴油重整制氢可以有水蒸气重整(SR)、氧重整(OX)、部分氧化重整(POX)和自热重整(ATR)多种方式,这些重整过程都要借助催化剂来完成。由于柴油碳链较长,无论以哪种方式制氢,都非常容易析碳,所以柴油重整制氢的催化剂需要具有高活性、长寿命、抗析碳的特点。柴油自热重整制氢要通过放热的氧重整和吸热的水蒸气重整之间的热量耦合来实现,除上述要求外,催化剂还需要能够经受住反复的氧化还原,并有较好的热稳定性,而且也允许使用标准的柴油作为燃料,不需要复杂的陆上勤务。据悉,美国海军也已经研制出新型的燃料电池,它们能够使未来的舰船得到更大的推进电力和设计灵活性。在此基础上,美国海军正在开发一种新型的推进系统。为了确保能够迅速地向这种前景光明的技术转移,美国海军正在积极研究能够从柴油中提取氢的方法。由此可见,柴油重整制氢的优势——燃油成本相对较低,系统噪声小,而且海军也能够轻松地建立采购、储存和运输等相关基础设施——正吸引包括美国和俄罗斯在内的海军强国积极投身于该系统的研究和使用当中。
4 结束语
目前,从燃料电池在潜艇上的实际使用情况来看,金属氢化物储存罐技术比较成熟,能够提供潜艇动力系统所必需的氢燃料,而且安全可靠。但是金属氢化物储存罐的生产加工技术难度大,并且受到技术保护,储存罐的更换必须到原生产厂家进行,这使得潜艇的自主性和行动范围受到极大制约。甲醇转化制氢和柴油重整制氢技术的成本较低,潜艇依靠自身携带的甲醇和柴油即可制造出高纯度氢,解决了氢燃料不易携带的问题。然而,这2 种技术还存在一定的难题,目前并未在AIP 潜艇上实现广泛地实用化。总之,对于燃料电池来说,不论是哪种储氢技术,其最终目的都是应当能够为潜艇提供足够而安全的氢燃料。
[1]Robert Petersson.KOCKUMS:Presentation at Polish-Swedish Defence Industry[R].[S.l.]:[s.n.],2009.
[2]Krummrich S.Hydrogen Production Technologies[R].[S.l.]:[s.n.],2010.
[3]MALAKHIT. P-650E diesel-electric submarine design has an air-independent propulsion system[R].[S. l.]:[s.n.],2009.