燃料电池用于鱼雷动力装置的设想

2013-07-03陆文俊范靖华

兵器装备工程学报 2013年10期

关键词：动力装置航程鱼雷

李阳，陆文俊，范靖华，范剑

(1.海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠 233012;2.中国人民解放军91352 部队，山东威海 264200)

1 现有动力装置分析

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置［1］。

鱼雷上所使用的动力装置一般有2 类［2-3］:一类是靠电能工作的叫电动力装置，一类是依靠热能工作的叫热动力装置。

热动力装置的原动机是热力发动机，热力发动机将燃料燃烧时的热能转换成机械能。鱼雷用热力发动机是外燃机，燃料燃烧过程是在燃烧室中完成的。燃烧室是通过燃料的燃烧将燃料的化学能转变为热能和压力能。发动机将工质的热能和压力能转化为推进器的机械功，带动螺旋桨转动。

电动力装置的原动机是电动机，能源是电池。电动机用以将电池的化学能转换为机械能，用以带动推进器。包括电池组、电动机。

一般要求鱼雷的动力系统的能量储备要大;功率要大、功率重量比也要大;受背压影响要小;无航迹性要好;启动要快;结构要简单，工作要可靠。

根据上述要求衡量，各种动力系统各有特点。热动力系统功率大，能量储备也大，使鱼雷有比较高的速度航程质量指标，但是热动力系统噪声大，有不溶于水的废气排出而产生航迹，隐蔽性差，而且功率受海水背压的影响。电动力系统正相反，其特点是噪声小，功率不受背压影响，没有航迹，但是其能量储备小，功率小，鱼雷的速度航程质量指标较低。其关系如表1 所示。

表1 2 种动力类型对比

鱼雷动力系统的性能指标一般用速度和航程2 个指标来衡量。速度和航程是鱼雷最主要的2 个战术技术性能。这2 个性能主要由动力系统的能量储备、产生的推力和鱼雷航行时所受的阻力决定。速度和航程这2 个主要的战术技术性能并不是互不相关的。对于采用一定的动力系统，携带一定量能源的鱼雷，速度高则航程短，速度低则航程长。要综合评价鱼雷的速度航程性能，须把这2 个指标合为一个参数，通常用SV2表示，S 是鱼雷的航程，V 是鱼雷的速度，这个综合指标叫做鱼雷的速度航程质量指标。它反映了鱼雷动力系统的做功能力。

2 采用燃料电池动力系统的优点

燃料燃烧时是把燃料燃烧的化学能转变为热能，然后把热能转换为动能。虽然燃料功率密度大，单位功率的成本相对便宜，但是大部分化学能都被浪费掉了，例如目前火力发电的效率大约仅为30% ～40%。

电池可以直接将化学能转换为电能，浪费的化学能要少得多。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。而且电池的功率密度减小，有限的体积难以提供与热动力相媲美的功率。

燃料电池是一种把燃料和电池2 种概念结合在一起的装置。它是一种把存贮在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转化装置。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成回路，产生电能驱动负载工作。燃料电池工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，通过点化学反应释放出电能。根据电解质不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸性燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不同于普通电池。采用燃料电池的鱼雷动力系统需要分为3 部分:燃料舱、电池和发动机。

燃料电池的工作原理如图1 所示。

图1 采用燃料电池的鱼雷动力系统的工作原理

燃料舱:用于装CO、甲烷等相对安全的还原剂。

电池:鱼雷所用的固体氧化物燃料电池的氧化剂固化于电解质中，接收来自燃料舱输入的还原剂，通过电池内的反应，产生电能，由电池的负极输出。

发动机:由于电池输出的是电能，所以燃料电池动力系统的鱼雷发动机是电动机。

采用燃料电池的鱼雷动力系统有以下优点:

1)燃料电能能量转换效率高。它直接将燃料中的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因此燃料电池不受卡诺循环的限制。目前燃料电池的效率在45% ～60%。

2)鱼雷的能力存储大、航程远。由于燃料电池的能力存储是燃料，所以有存储能力密度大的优点。并且转换率高，燃料电池所采用的电动机的工作效率也胜过热动力的发动机，所以同体积的燃料，采用燃料电池可以获得更多的机械能，根据鱼雷的速度航程质量指标，可以获得更大的速度或者航程。

3)隐蔽性较好。由于燃料部经过燃烧，所以不会向外界排放气体，就不会在水面形成航迹，且不会受到航行背压的影响。

4)发展前景广阔。燃料电池是目前公认的高效、环保的能源装置，且应用已较为广泛。

3 采用燃料电池的先进性

PEMFC 燃料电池目前被广泛应用于潜艇上。德国在燃料电池AIP 技术研究方面居于世界领先位置，其212A 型和214 型潜艇代表着FC/AIP 系统的最高水平。其214 型潜艇水下连续航行时间(2 ～6 节航速)已经达到了3 个星期。

目前鱼雷的发展趋势可以用5 个字来概括:快、远、准、狠、深。

例如世界上较为先进的鱼雷(美国的MK-50)，最大航速55 ～60 节，航程20 km，最大航深750 ～800 m。MK50 鱼雷的动力装置采用了以锂与六氟化硫气体化学反应为能源的闭式循环热动力系统。这种先进而独立的动力系统能量密度高，且不向外排气。没有排气噪声和航迹，从而大大降低了鱼雷航行时的自噪声和红外特性，使鱼雷具有更好的安静性和隐蔽性。

同样在鱼雷上采用燃料电池，它不仅具有闭式循环热动力系统的优点，而且结构简单，使用方便，便于维修。目前，我国燃料电池发展较为迅速。AFC 已经在宇航领域广泛应用，PEMFC 已经广泛作为中型电源应用进入商业化阶段，MCFC 也已完成工业试验阶段。

4 需要解决的问题

常用的燃料电池需要采用昂贵的贵金属粉末催化剂，才能使阳极与燃料充分反应，因此催化剂价格高是燃料电池广泛使用的最大障碍。必须解决功率问题，目前体积适合的燃料电池输出功率远不能满足鱼雷电池组的输出功率要求。燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。必须解决燃料电池工作中的衰减问题。必须解决燃料问题，目前投入使用的燃料依然是氢和氧，存储使用都非常危险。