潜艇燃料电池AIP系统技术发展现状

方芳 姚国富 刘斌 任镍

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

潜艇是我国海军的主要装备之一，如何增加潜艇的水下续航力，减少暴露率具有重要意义。近十年来，潜艇用非核 AIP(Air Independent Propulsion)系统技术的发展非常迅速，其中燃料电池AIP（FC/AIP）系统发展最具潜力[1]。

相对于斯特林发动机，燃料电池具有低噪音、低红外、没有痕迹（燃料电池产物为水，斯特林发动机需要排放 CO、CO2），运行寿命长，能量转换效率高（最高可达 80%）等优点[2,3]，能在不明显增加潜艇排水量和主尺度，不降低潜艇水下最高航速的前提下，增加潜艇的水下续航能力[4]。因此燃料电池的开发研究受到世界各国政府和科学家的重视。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于能量密度高、安全耐用，特别适用于潜艇AIP系统[1]。

1 系统组成

潜艇用 FC/AIP的基本原理是：将氢燃料和氧化剂输送到燃料电池本体电堆，通过两种物质在质子交换膜两侧催化剂表面进行化学反应将化学能直接转化为电能。在高速航行时，以柴电系统作为潜艇的动力源；低速航行时，以 FC/AIP系统作为动力源。

FC/AIP系统由燃料电池本体、氢源、氧源、辅助系统和管理系统组成（图1）[5]。

氢燃料可以以高压气态、液态、金属氢化物、有机氢化物和吸氢材料强化压缩等形式储存[6]。FC/AIP系统的储氢量决定了潜艇的续航力。金属氢化物因高体积密度和高安全性是目前最适合潜艇FC/AIP系统的储氢方式。把储氢合金放在一定温度和压力下置于氢气气氛中时，就可以吸收大量的氢气，生成金属氢化物。而加热条件下，金属氢化物又释放出氢气，利用储氢合金对氢气的可逆吸附来实现对氢气的储存。

相对于氢燃料，氧源的存储技术比较成熟。相对于其它储氧方式，液氧具有体积小、重量轻、结构简单、没有运动部件等优点，是目前最适合艇用化的储氧方式[7]。

辅助系统主要包括水收集系统、惰性气体保护、冷却系统等。

管理系统包括氢气供给、氧气供给、尾气管理、气体增湿、控制单元、DC/DC变换单元、安全管理等模块。

图1 燃料电池电站示意图

2 国外现状

潜艇用 FC/AIP系统的发展已经走过了三个阶段：第一阶段，由于 20世纪 60年代燃料电池在航空航天领域成功运用，各国对其在潜艇上的运用产生一浓厚兴趣，美国、瑞典等先后投入了大量的人力、物力、财力对其进行研究，但由于当时的技术工艺水平尚不能达到实用要求，不久就停止了研究工作。第二阶段是 20世纪 70年代，日本进行了大量的开发研制工作，后来也因为种种原因停止了。第三阶段是 20世纪 80年代后，德国加大了 FC/AIP系统的研究力度，并成功将FC/AIP系统装备到潜艇上，引起了各国的关注，各国随后都加大了FC/AIP系统的投入。

目前，在德国、俄罗斯等国家，燃料电池已成功应用于潜艇 AIP系统，其中德国潜艇燃料电池的研制在世界上一直处于领先地位，其212A型和214型潜艇代表着FC/AIP系统的最高水平。

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[2]。为防止反应物泄露，燃料电池模块被放置在耐压容器中，容器中充满了3.5 Pa压力的氮气。212A型潜艇上燃料电池模块共有9个，总输出功率306 kW。该型潜艇装备的储氢合金钢瓶由德国霍瓦兹公司制造，储氢合金为铁-钛合金，吸氢量可达合金质量的 2%。在212A型潜艇的基础上，德国还开发了 214型（出口型）FC/AIP潜艇，该型潜艇装备了2组120 kW质子交换膜燃料电池单元，可输出 240 kW 的电力。由于提高了AIP系统的综合性能，214型AIP潜艇水下连续航行时间（2～6节航速）已达到 3个星期。

俄罗斯在潜艇FC/AIP系统的研究其应用方面进行了长期试验，积累了丰富的经验。1988年，前苏联海军在“卡特兰”号潜艇上进行了FC/AIP系统试验。现役俄罗斯常规潜艇的燃料电池主要由对彼得堡特种锅炉设计制造局研制。装备碱性燃料电池的“阿穆尔”-1650型潜艇于2003年秋下水，并于2004年进行了海试。“阿穆尔”-1650型潜艇的AIP系统额定功率为300 kW，FC效率约为70%，额定功率时的耗氢量为0.042 kg/kW，单位耗氧量为0.336 kg/kW。燃料电池的工作温度为100℃，压力0.4 MPa，氢氧化钾浓度为38%～40%[8]。

西班牙海军正在为其2500吨的S-80型潜艇研制燃料电池 AIP系统。该系统采用质子交换膜燃料电池，利用乙醇重整抽取和氢气和纯氧气为燃料[8]。

意大利泛安科纳造船公司和俄罗斯红宝石船舶设计局联合为意大利海军 S-1000型潜艇研制燃料电池，该艇采用 FC/AIP系统为动力潜航时的航距为1000海里[8]。

以色列海军由德国新造的2艘改进型“海豚”级潜艇可能采用类似于212A级（或214级）潜艇的FC/AIP系统。由于装备了 FC/AIP系统，其下潜深度较早期建造的3艘“海豚”级潜艇稍有提高，续航力在45天以上[8]。

20世纪 80年代后，日本重新开始了潜艇用FC/AIP系统的研究。日本海洋技术中心2003年8月曾宣布其己成功研制出世界上首台用于深海研究的燃料电池潜艇 Urashina号。Urashina艇长 10 m，鱼雷型设计，下潜深度 3500 m，能在水下航行 300 km。较以往采用锂电池为动力的深海探测潜艇航程大为增加[8]。

加拿大的早在1994年就己开发出了40 kW的燃料电池模块，并于 2000年前后与美国通用公司合作开发出了300 kW潜艇用燃料电池模块。加拿大海军计划在 2010年左右对其从英国引进的维多利亚级潜艇装备由贝拉德动力公司开发的PEMFC/AIP系统，以增加持续潜航能力。

3 国内研究现状

我国早在上世纪 50年代就开展了燃料电池的研究。目前，国内研制民用质子交换膜燃料电池的热情很高，研制单位包括中科院大连化物所、武汉理工大学、上海神力科技有限公司、清华大学、上海交通大学、同济大学等二十多家。在国家863计划及各省市科技攻关项目的支持下，我国燃料电池的研发能力取得了长足的进步，车用用燃料电池电堆技术已具有较高水平，且基本掌握了燃料电池本体电堆的关键材料及关键技术。中科院大连化物所研制出50 kW、100 kW级车用燃料电池模块，上海神力公司研制出100 kW大巴车燃料电池发动机等，武汉理工大学成功研制了 1 kW～50 kW级系列燃料电池模块并成功装备“楚天1号”燃料电池电动轿车和“楚天 2号”燃料电池轻型客车。

在储氢合金的开发方面，上海冶金研究院、北京金属研究院、四川大学、浙江大学等单位己经取得了一定成就，但目前都仅限于试验研究阶段，还未实现大规模生产。美国能源部（DOE）提出的车载氢源目标的要求是：质量和体积储氢密度分别为 6%和 60 kg/m3[6]。国内现有水平同该目标值相比还有很大差距。

国内燃料电池电堆技术已具有较高水平，但装备潜艇使用，还需对现有燃料电池电堆进行设计、改造并加装相应的辅助装置，以满足艇用化的需要。

4 结束语

潜艇用 FC/AIP系统同斯特林发动机相比具有明显优势，国外在 FC/AIP系统技术的应用与研究方面相对成熟。我国在燃料电池电堆技术方面己具有较高水平，在 FC/AIP系统关键设备的研究与使用方面己具有一定基础，需在燃料电池电堆技术及大规模储氢技术的艇用化方面做深入研究。

[1]平涛, 陈谨, 张南林. 艇用燃料电池 AIP氢系统研究.柴油机, 2003,(2): 43-47.

[2]马伯岩. 德国燃料电池在潜艇上的成功应用[J]. 电池工业, 2008, 13(3): 195-198.

[3]Angela Posma, Gunter Sattler. Fuel call systems for submarines: from the first idea to serial production[J].Journal of Power Sources, 2002, 106: 381-383.

[4]王晓武. 国外常规潜艇 AIP技术现状及发展趋势分析[J]. 舰船科学技术, 2009, 31(1): 172-175.

[5]Gunter Sattler. Fuel cells going on-board[J]. Journal of Power Sources, 2000, 86: 61-67.

[6]任建伟, 廖世军, 刘军民. 规模储氢技术及期研究进展[J]. 现代化工, 2006, 26(3): 19-23.

[7]郭淑萍, 王广玉, 白松. 核潜艇供氧设备的应用研究[J]. 舰船防化, 2009, (5): 6～10.

[8]华阳, 汤建华. 常规潜艇AIP技术[J]. 现代舰船, 2009,(11): 20-23.