绽放异彩的燃料电池AIP系统—国外常规潜艇燃料电池AIP系统的应用现状

2014-02-27吴飞周蕾皮湛恩

船电技术 2014年8期

吴飞，周蕾，皮湛恩

吴飞1，周蕾1，皮湛恩2

(1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064； 2. 海军装备部，北京 100036 )

常规动力潜艇亦称为柴-电潜艇，其具有三种航行状态：水面航行状态、通气管航行状态、水下巡航状态。前两种航行状态的动力由柴油机或发电机提供，而真正隐蔽的水下巡航的动力来源于艇上的蓄电池组。由于艇载蓄电池的数量和容量有限，因此，水下巡航的潜艇间隔一段时间（几小时或几天）必须浮出水面，通过柴油机为蓄电池充电。这时，处于暴露状态的潜艇极易被敌方的各型反潜设备捕捉到并受到攻击，从而丧失了对抗的主动权。

水下续航力是常规潜艇最重要的战技指标之一，也是常规潜艇作战和水下生存的基础。为了提高常规潜艇的作战效能，长期以来，潜艇设计者一直在探索和研究不依赖空气的推进装置(Air Independent Propulsion，简称AIP)，以增大常规潜艇水下续航力，提高潜艇的隐蔽性和安静性。在二战期间，德国及前苏联就曾涉足AIP动力系统的研究。90年代中期，热气机、燃料电池、闭式循环汽轮机等形式的AIP系统相继研制成功并进入实用性阶段。随后，全世界范围内掀起了一股AIP系统技术的研发热潮。从目前各国潜艇装备的AIP系统来看，燃料电池AIP（FC/AIP）系统在诸多方面具有无可比拟的优势，其在以德国212A、214型潜艇为代表的潜艇上装艇服役，给常规潜艇AIP系统带来一场新的革命。

1 德国海军的最终选择—燃料电池AIP系统

德国的潜艇技术一直处于世界领先水平，也是世界上最早研究AIP系统的国家之一。早在二战期间，德国就曾研制成功过一种不依赖空气的推进系统，只是因其系统效率较低，安全性差而未投入使用。到了20世纪50年代，德国同时开展燃料电池和闭式循环柴油机两种AIP系统的研制。20世纪80年代，研制工作取得了突破性进展，两种AIP系统均进入了实用阶段。后来经过多轮次的对比论证和试验，德国海军最终选择了燃料电池作为所设计新型潜艇的AIP动力系统。

德国海军之所以更加青睐燃料电池AIP系统，是因为该系统具有其他AIP系统无法比拟的技术优势：

效率高：燃料电池直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转换为电能，能量转换不受卡诺循环限制，转换效率达70%以上，远高于其他内燃机的效率。

无尾流特征：燃料电池AIP系统以氢气为燃料，反应产物只有水，该系统是目前唯一不需要考虑废气排放的AIP系统。热机AIP系统通常以专用低硫柴油为燃料，燃烧产物包括CO、CO2等废气，当潜艇在较浅深度航行时，尾流特征明显，导致潜艇的隐蔽性降低。

隐身性好：燃料电池系统本身不存在任何运动部件，因此几乎不产生机械振动与噪声。声特征信号极低，综合隐身性好。在通常作战条件下，几乎无法被探测到，是名副其实的安静型常规潜艇。

工作潜深大：燃料电池AIP系统不需要排放废气，因而其工作深度不受潜艇潜深影响，装备燃料电池AIP系统的常规潜艇潜深可达500米以上，而热机AIP系统的有效工作深度目前不超过300米。

电堆模块化设计：燃料电池AIP系统中的燃料电池电堆采用模块化设计技术，具有体积小、结构紧凑、安装维护方便等特点。在潜艇内部可进行分布式或集中式布置，并能根据系统功率输出要求、重量分配均衡和空间有效利用原则机动灵活地进行模块化组装。

此外，与其他AIP系统相比，燃料电池AIP系统还具有体积小、输出功率平稳、无机械振动、过载能力强等特点，在水下深潜器、水下不间断电源等领域具有重要的应用前景。美国、德国、日本等国家已经成功将燃料电池AIP系统应用于多个型号的水下自主航行器（AUV）和无人水下航行器（UUV）上。

2 212A和214—燃料电池AIP潜艇的代表作

德国海军确定燃料电池AIP系统作为新型潜艇的AIP系统后，德国的霍瓦滋（HDW）造船厂于1987年在205级的U1潜艇上加装了燃料电池AIP系统。1988年夏天至1989年3月进行了历时9个月的海上试航试验，结果证实燃料电池AIP系统运行正常，安全可靠，加装该系统的U1潜艇水下续航力、安静性、隐蔽性等技术指标大幅度提高。

图1 德国212A型潜艇剖面结构示意图

1991年，德国国会通过了212A级潜艇正式设计方案审查。2002年3月，首艘212A级燃料电池AIP潜艇在HDW船厂下水，经过一系列性能试验和18个月海上考核试验后，2003年9月正式交付德国海军服役。该燃料电池AIP系统包括9个34 kW燃料电池模块、液氧储罐、储氢合金罐等，总输出功率达306 kW。单靠燃料电池AIP系统航行时，212A型潜艇的潜航航速可达8节；当以4.5节航速潜航时，该系统还可提供11 kW的生活用电，同时续航力可达2315 km，潜航时间达278 h，比未装备燃料电池AIP系统的209型潜艇的水下续航力提高了4.4倍。与其他同级别AIP潜艇相比也处于领先水平（对比数据见表1），堪称常规AIP潜艇的代表作。

德国针对竞争激烈的常规潜艇出口市场，研制成功了具有212A型燃料电池AIP技术和原209型潜艇经济性的出口214型燃料电池潜艇。该型潜艇装备了2组质子交换膜燃料电池单元，总输功率240 kW。氢源也采用了金属储氢方案，4节水下续航力为1324海里。2011年，德国在国际潜艇学术交流会上推出216级潜艇概念方案，采用锂离子电池加燃料电池AIP系统，以甲醇重整形式供氢，水下续航时间可达28天。

表1 几种AIP潜艇的主要指标比较

3 燃料电池AIP潜艇深受世界各国海军青睐

燃料电池AIP系统具有能量转化效率高、静音效果好、无红外和尾流特征、工作潜深大、配置机动灵活等诸多技术特点，该系统自装艇服役以来，获得了世界各国海军的广泛关注。212A型潜艇装备德国和意大利海军，前者分两批共采购6艘，后者分两批共采购4艘。214型潜艇是目前国际AIP潜艇军贸市场的主流产品。截至2012年底，该型潜艇服役或订购的数量已近30艘，列装和订购国家包括希腊、葡萄牙、韩国、土耳其等，目前的列装和订购情况如下：

● 希腊海军2000年2月向德国定购了4艘214型潜艇，成为购买214型潜艇的第一个买家。首艇“帕帕尼科利斯”号已于2010年11月2日交付希腊海军；

● 韩国海军于2000年11月同德国签署了3艘总价值11亿美元的214型潜艇的采购合同，目前这三艘已经全部服役。2009年1月，韩国又签署了第二批6艘潜艇的建造合同；

● 葡萄牙海军于2004年向德国定购了2艘总价值8亿欧元的214型潜艇，目前这两艘潜艇已经服役；

● 土耳其海军于2008年7月与德国霍瓦兹造船厂签署合作协议，为土耳其建造6艘214型潜艇，首艇计划于2014年服役；

● 南非海军参照214型潜艇，在4艘209型潜艇上加装了FC/AIP舱段；

● 巴基斯坦于2008年11月26日宣布同意购买德国3艘总价值为10亿美元的214型潜艇，由于政治方面的问题，双方暂时没有最终签署协议。

图2 德国214型常规潜艇

2013年12月，世界多家军事媒体报道了一条新闻，证实新加坡将购买两艘德国最新型的218SG型常规潜艇。据悉，该型潜艇是德国设计的216型潜艇的出口版，预计于2020年交付新加坡海军。

除了一些国家通过军贸方式采购燃料电池AIP潜艇，近年来，许多国家开始自主设计、研制燃料电池AIP潜艇。俄罗斯在“比拉鱼”型潜艇上试验了燃料电池，并积累了丰富的经验。他们在此基础上设计的“阿穆尔”级潜艇有燃料电池AIP方案，设计功率达到390 kW。西班牙以鲉鱼级潜艇为基础开发出S80级潜艇。该艇采用柴电动力与燃料电池AIP混合作为动力源，燃料电池AIP系统的设计输出功率达到200kW。由于装备了燃料电池AIP系统，S80级的水下续航时间可超过17天，水下持续航行距离达到1500海里以上。日本防卫省推出的“高科技潜艇”研制计划中，将正在研发中的燃料电池AIP系统作为代替斯特林发动机AIP系统的备选方案，以进一步提高潜艇的水下续航力。西班牙、加拿大、英国、挪威等国也均有相应研究计划。到2020年，至少有40艘燃料电池AIP潜艇在各国服役，它们将成为上述国家海军的主要水下作战力量。

4 关键技术已获得突破—燃料电池AIP系统发展的基础

燃料电池AIP系统由燃料电池电堆、氢源、氧源、水热管理系统、控制系统等部分组成，其关键技术包括燃料电池模块技术，氢、氧制备储存技术，系统安全保障等。从国外近几十年的研究开发及实艇应用情况来看，上述关键技术均已得到了很好的解决，这也是燃料电池AIP系统进一步发展的基础。

4.1 燃料电池模块的可靠性

燃料电池电堆模块是燃料电池AIP系统的核心，其可靠性决定整个系统能否正常运行。国外早期大量的研究实践证明，氢氧质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最适合AIP潜艇动力系统使用的燃料电池。该类型电池具有启动快、能量密度高、工作温度低、制作工艺简单、使用寿命较长等技术特点。德国212A、214型潜艇分别采用的是BZM34和BZM120型氢氧质子交换膜燃料电池，在环境温度条件下，参加反应的氢、氧气体不需要进行其他处理，直接通过管路输送至燃料电池模块，即可启动产生电能。

质子交换膜燃料电池研制初期，由于电解质膜稳定性差，其早期的寿命较低。自杜邦公司60年代初开发出Nafion膜以来，燃料电池模块的寿命大幅度提升。近十几年来，随着新型三维有序化电极结构的深入研究以及新型抗毒化催化剂的开发应用，大幅降低了整个燃料电池成本，可保证燃料电池性能稳定且进一步提高其工作寿命。随着Nafion膜的不断改进和新型膜的开发，膜电极、双极板相关技术进一步突破，燃料电池模块的可靠性和稳定性将大幅度提高。

4.2 氢、氧的制备、储存及使用

燃料电池AIP系统以氢气为燃料，氧气为氧化剂。国外相关资料显示，普通纯氢即可满足212A、214型潜艇燃料电池AIP系统的运行需求。这种纯度级别的氢气可通过多种非常成熟并大规模应用的制氢技术获得，如水电解制氢、水煤气制氢、氨分解制氢、甲醇裂解制氢和氯碱工业尾气制氢等。虽然自然界中不存在氢资源，但是自然界中的风能、太阳能等取之不尽、用之不竭的能源可以转换为氢资源。近年来，德国、瑞典、英国等欧美国家大力推广应用的风能和光能发电制氢技术，即是将风能、太阳能等初始能源通过风力发电机组、太阳能电池板转换为电能，供给电解水装置制得氢气，通过增压将氢气储存起来，然后供应给燃料电池电站、加氢站等。这种制氢方式具有成本低廉、能量利用率高、氢气纯度高、环境友好、可持续发展等特点。

图4 德国212A型常规潜艇的合金储氢罐组布置局部图

氢气储存技术包括：金属储氢、碳纤维缠绕高压储氢等。金属储氢是利用储氢合金与氢气反应生成稳定的金属氢化物，放氢过程伴随吸热反应，即可通过热量供给实现放氢控制，因而金属储氢技术安全，可靠性高。德国212A和214型潜艇均采用钛铁系金属储氢技术，合金储氢罐组布置于舱底附加龙骨里，作为压载使用，有效解决了氢燃料的空间布置和潜艇配重问题。目前，钛铁系金属储氢材料的储氢率在1.8~2.0 wt%，随着材料及罐组装相关技术的突破，金属储氢密度将进一步提高。其它储氢材料如钒基固溶体合金储氢密度为2.2~3.0wt%，镁系合金储氢密度为2.2~4.5 wt%。碳纤维缠绕高压储氢技术也比较成熟，目前，国外开发出的70 MPa和35 MPa两种产品已在车船等交通运输工具上试用。

液氧广泛应用于军、民诸多领域，其艇用储存、释放技术已非常成熟。液氧通常采用空气液化分离技术制取，其中含有N2、CO2、Ar等微量杂质，上述杂质气体对燃料电池模块几乎不产生任何影响。AIP潜艇使用的氧均以液氧方式储存于高真空绝热的耐低温金属罐中，通过吸收燃料电池模块产生的废热使液氧汽化为气态氧，经调压装置减至合适压力后供给燃料电池模块。国外相关资料显示，德国212A和214型潜艇携带液氧的纯度均为工业级，成本低，易获取，完全满足燃料电池系统运行及艇员呼吸用氧要求。

4.3 系统的安全性

燃料电池AIP系统的安全性包括燃料电池模块的安全性、氢氧使用的安全性、系统运行安全保障性等方面。

燃料电池模块的安全性方面，在燃料电池系统装入潜艇之前，德国HDW船厂进行了大量的陆上试验和海上试验，结果表明燃料电池模块运行正常、安全可靠，适装性良好。212A型潜艇装备的质子交换膜燃料电池模块由德国西门子公司提供，为防止燃料电池反应过程中反应物泄露，燃料电池模块被设置在耐压的箱装体容器中，充以惰性气体保护，有效保障了燃料电池模块的安全可靠性。

氢氧储存的安全性方面，212A、214型潜艇均采用铁钛系合金储氢。合金储氢是一种安全的储氢方式，氢原子扩散进入合金晶格间隙并与金属原子发生反应生成稳定的金属氢化物，只有在供给热量时才可控地释放氢气。储氢合金被储存在耐压的合金储氢罐中，罐组替代部分压铁，布置于潜艇的耐压壳体外，可承受枪炮击打等剧烈冲击振动。金属储氢经过十余年的装艇实用，证明其安全性、可靠性良好。

系统运行安全性方面，燃料电池AIP系统的运行既可通过潜艇中央集成控制平台操控，也可通过系统各组成单元的本地控制平台操控。系统设计有启动巡检、运行监控、故障报警、故障停机、关机等控制程序，最大限度保障了燃料电池AIP系统启动、运行、停止时的安全性。