潜艇质子交换膜燃料电池技术研究

黄荣，陈新传，宋强



潜艇质子交换膜燃料电池技术研究

黄荣，陈新传，宋强

（海军装备研究院，北京 100161）

常规柴电潜艇因受传统推进技术的限制，已成为新形势下潜艇续航力、隐身性等的发展瓶颈。而融入创新技术的燃料电池AIP(FC/AIP)推进系统的出现，集众多优点，给常规潜艇的发展带来了一片曙光。文章综述并深入比较世界各国FC/AIP潜艇研究现状、性能特点及发展思想，指出质子交换膜燃料电池(PEMFC)在潜艇上的应用最具吸引力。在分析PEMFC主要特点的基础上，提炼出PEMFC应用中所面临的关键技术，并提出应对策略，以达到扬长避短并充分发挥其优势的目标，为潜艇PEMFC/AIP推进系统的发展提供针对性的指导。

潜艇 质子交换膜 燃料电池

0 引言

常规潜艇发展至今已走过近一个世纪，它经历了多次战争的洗礼，取得了赫赫战果，现已成为各国海军不可或缺的主战装备。但常规柴电动力潜艇一般在水下潜航2-3天就会耗尽能量上浮充电，这成为现役常规潜艇的致命弱点，大大降低其隐蔽性能。上世纪50年代，机动性高、续航力长和攻击力强的核潜艇问世曾一度使柴电推进的常规潜艇黯然失色。而随着现代反潜力量的不断发展，尤其是声纳、卫星、激光等融合现代最新科技[1]的探测技术不断进步，常规潜艇面临更大的挑战。但常规柴电潜艇所具备的低造价、维护费用低、安全性高、机动灵活、低辐射噪声水平等特征是核动力潜艇所无法比拟的。因此，非常有必要借助创新技术，突破常规柴电潜艇一直以来的发展瓶颈——续航力的局限。

经过科学家和海军技术人员的长期不懈努力，发展“不依赖空气推进系统（AIP）”成为解决这一关键问题重要突破点，其中燃料电池AIP（FC/AIP）动力推进系统发展最具潜力。相对于其他AIP系统，FC/AIP系统具有声特征远低于常规柴电动力或热机动力、向海水辐射的热能及红外特征小、没有痕迹(燃料电池产物为水)、能量转换效率高(最高可达80%)等优点，且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（是斯特林AIP系统的2倍以上）[2,3]。因此，潜用燃料电池动力系统的开发研究越来越受到世界各国政府和科学家的重视。

1 潜艇FC/AIP系统研究动态

德国是研制燃料电池潜艇最积极、最成功的国家。早在上世纪80年代德国著名的潜艇制造商霍瓦兹（HDW）公司开始进行潜用燃料电池的试验研究，并于随后将该燃料电池加装在U205级潜艇，海上试验表明其综合性能较好，这也促使德国在出口的209艇中加装氢氧燃料电池。德国将燃料电池系统完全集成到潜艇平台上，建造了世界上最早采用加装氢氧燃料电池AIP系统的212A级潜艇，该艇装有9组PEMFC，总功率为306kw。德国在212A级艇基础上设计了出口的214艇，第一艘214艇于2004年下水，在2010年前陆续交付使用。希腊、韩国海军已向德国订购214级燃料电池潜艇。212A、214型潜艇代表着FC/AIP系统的最高水平，德国提出潜艇柴电系统与燃料电池AIP系统优势互补、取长补短的混合推进系统方案，这对潜艇燃料电池推进系统方案来说开创了新的里程碑。

加拿大海军采取的FC/AIP潜艇的发展基本策略是“自主开发，稳扎稳打”。早在1994年就开始开发了40kw的燃料电池模块，加拿大海军正在拟定对英国海军购进的4艘“维多利亚”级潜艇实施AIP改装计划，在适当的时候将巴拉德动力系统公司开发的PEMFC系统装备在“维多利亚”级潜艇上。

日本海洋技术中心2003年8月宣布其已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。2005年2月，日本海洋科学技术中心研制的深海巡航探测器“浦岛”号使用全封闭式燃料电池，创下了续航距离317km的世界新记录。日本在燃料电池汽车技术方面居于全球领先地位，因此，日本有意向放弃斯特林发动机转向研制FC/AIP潜艇。

易见，各国海军发展的潜用燃料电池均集中在质子交换膜燃料电池（PEMFC），显然将PEMFC用作潜艇AIP系统的推进动力源，有着其他系统不可比拟的优势。

2 燃料电池AIP的主要优势

目前，国外技术较为成熟、已进入实用阶段，且能够大幅提高常规潜艇水下作战能力的AIP系统主要是燃料电池AIP系统和热气机AIP系统。燃料电池AIP系统的技术优势主要表现在以下几个方面：

1) 燃料电池AIP系统的能量转换效率高，可大幅提高常规潜艇水下续航力。

燃料电池的理论效率可接近90％，目前实际效率已达到60％～70％。燃料电池效率高，系统发电效率高，这意味着在潜艇携带同样液氧等燃料的条件下，燃料电池AIP潜艇的水下续航力是热气机AIP潜艇的2倍以上，可大幅提高常规潜艇水下续航力。

2) 燃料电池AIP系统振动和噪声小，红外辐射低，可提高常规潜艇的隐蔽性。

燃料电池本身无运动部件，自身不产生振动和噪声，非常适合应用于安静型潜艇。质子交换膜燃料电池的反应电堆工作温度只有60～80℃左右，红外辐射低，通过常规淡水冷却系统可解决问题，这些特点有力于提高潜艇的隐蔽性。

3) 燃料电池AIP系统的反应物是纯水，电堆采用模块化结构，系统设计简单可靠。

燃料电池反应产物是纯水，可供艇内储存使用，不会额外增加重量，并且无尾气排放等问题，不受潜艇潜深限制。而柴油机、热气机和闭式循环汽轮机都需要解决废气排放问题。燃料电池的安装、维护、修理很方便，整体模块更换简便，提高了动力系统可靠性、可维修性和保障性，有利于系统优化设计。

4) 燃料电池AIP系统的全工况范围内效率都较高，有利于潜艇动力系统优化设计。

柴油机和热气机等热机在额定功率附近运行时才有最高的效率，在低功率运行时效率较低，潜艇用柴油机20%额定负荷时工作效率只有28%左右。燃料电池的效率一般是指额定功率下的效率（现为50～60%），在部分功率下运行的效率反而高于额定功率下的效率(现接近70%)，在过载功率下运行的效率只略低于额定功率下的效率，这种功率适应性范围宽、效率高的特性特别适合于常规潜艇动力系统的使用。

综上所述，燃料电池AIP系统可提高燃料利用率、降低振动噪声、减少红外特征、优化总体布置，能很好地满足潜艇对动力系统的要求，是潜艇AIP系统理想的动力方案之一。

3 PEMFC的关键技术

3.1 膜电极（MEA）

膜电极是PEMFC的电化学心脏，其结构的设计、材料的制备和工艺优化一直是PEMFC研究的技术关键。膜电极由质子交换膜、催化层、气体扩散层热压而成，因此称为膜电极三合一组件[6]。

3.1.1质子交换膜技术

质子交换膜（PEM）是PEMFC的核心元件。近年来对PEM的研究是燃料电池领域研究热点之一。目前主要的膜材料为美国DuPont公司的全氟型磺酸膜即Nafion系列膜，其运行寿命可达到50000h。通过研究表明PEM的研制应满足良好的离子导电性、较好的化学和热稳定性、良好的力学性能（强度和柔韧性）、气体在膜中的渗透性尽可能小（以免氢气和氧气在电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的电流效率）、膜的水合/脱水可逆性好且性价比高等特点。

3.1.2催化剂

近年来，对PEMFC催化剂的研究相当活跃，研究重点一方面是改进电极结构，提高催化剂的利用率；另一方面是寻找高效廉价的催化剂材料。当前最实用的还是Pt基催化剂，催化剂应具有抗CO中毒能力，因为PEMFC对燃料气中的CO非常敏感。经过不懈的努力，金属Pt催化剂的用量已经降到了很低的程度。因此，开发非贵金属催化剂仍是研究的重点，较为引人注目的是热解或非热解过度金属大环螯合物，金属氧化物（如锰氧化物，尖晶石氧化物）等。

3.1.3气体扩散层

气体扩散层是支撑催化层、收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道，而高性能的气体扩散层应该满足：均匀的多孔质结构，赋予它优异的透气性能；低电阻率，赋予它高的电子传导能力；结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；具有一定的机械强度，适当的刚性和柔性，利于电极的制作，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；适当的亲水/憎水平衡，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；具有化学和热稳定性；低制作成本、高的性价比。除了上述膜电极各组件研制，膜电极的制备工艺也是影响燃料电池性能的重要因素。

3.2 双极板

在膜电极的两边分别对应有阳极集流板和阴极集流板，通常称为双极板，其是PEMFC的关键部件。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀性。复合材料双极板（复合金属薄板和复合聚合物碳板）则结合了两者的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。与此同时，应探索极板的结构形式增强其性能，广泛采用的极板结构形式有平行流场、蛇形流场、交指形流场和多孔碳或不锈钢流程四种形式。今后研制的双极板应该具有良好的导电性、导热性、气密性、机械强度、稳定性等特质。

3.3 储氢技术

氢储存问题是燃料电池的难题之一，由于氢气属于活泼气体，易燃易爆，在空气中含量超过4%，即有爆炸的威胁。常规的储氢方式有灌装液态氢，其储存方式简单、经济，但在各种冲击振动的情况下，容易泄漏、爆炸，其不适合潜艇应用。为此，德国海军采用了金属氢化物储存罐技术，技术相对比较成熟，但目前储存罐相当笨重。目前正在探索碳氢化物、乙醇或甲醇等制氢，这些燃料具有安全性、可靠性，容易在艇上储存，易于转化等特点，但需要处理制氢过程中产生的二氧化碳。德国的下一代216型FC潜艇将采用甲醇转化制氢。而俄罗斯和美国青睐柴油重整制氢技术，该技术具有燃油成本低，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。总之，对于燃料电池潜艇来说，不论哪种储氢技术，其应该具有安全性、转化效率高、体积小易存放、防振动冲击、生产的副产物少且容易处理、成本合理等特点。

3.4 辅助监测、控制系统

燃料电池的水热管理包括反应气增湿、阴阳级液态控水、燃料电池堆温度控制及系统的废热利用。燃料电池的温度、湿度、电压等一些重要参数对燃料电池的性能和使用寿命有直接的影响，因此非常有必要对这些参数实现运行时的实时检测显示，进而依据实际需求，控制或调节这些参数，使得燃料电池的性能达到最佳状态，以提高运行的效率和燃料电池的寿命。为此，设计出用于潜艇燃料电池工作的监控系统将变得非常重要。

3.5 燃料电池混合动力系统

燃料电池最初被引入到潜艇动力系统时，设计思路是将燃料电池作为潜艇的主推进系统，但由于早期燃料电池的技术不是十分成熟，功率有限，难以满足潜艇高速、机动时的运转，导致很 多国家（如美国、日本）的海军先后放弃了燃料电池的研制。而德国、俄罗斯、加拿大等国另辟蹊径，提出将燃料电池作为潜艇的辅助动力系统的设计理念，即在保留现有柴电系统的基础上，加装一套燃料电池AIP系统，作为潜艇的水下续航动力，与普通柴电推进系统组成混合式推进系统。这种设计理念在某种程度上是现代潜艇燃料电池AIP技术走向蓬勃发展的重要因素。

当前，各国海军寻求燃料电池AIP系统作为潜艇动力源时，通常采用的策略是直接在现役的潜艇上加装一套FC/AIP系统，这在一定程度上限制了FC/AIP系统的发挥更大的作用。在今后的研究工作中，非常有必要在潜艇的设计和建造阶段便综合考虑燃料电池和潜艇的特性，据此可针对性地设计、组装、合理布置燃料电池系统。这将大大节约潜艇的空间，且使FC/AIP系统与潜艇联系的更加紧密，FC/AIP系统将变得更具有效性、可靠性和安全性，借此FC/AIP系统的优势定将尽显无疑。

4 结论

当今海战给各国海军的潜艇战术技术提出了更高要求，融入最新技术的AIP动力推进系统问世再次为常规潜艇的发展注入新的生命力，其中最具潜力的AIP系统当属质子交换膜燃料电池（PEMFC）AIP系统。PEMFC/AIP系统具有效率高、隐身效果极佳、红外特征小、续航力强、无废物排放、安全可靠以及维护方便等优点，但作为一套复杂的系统，仅在有效地解决了其面临的关键技术难题后，才能将其在潜艇上的作用发挥到淋漓尽致。

国内燃料电池电堆技术已具有较高水平且越来越受到我海军的重视，近年我国研制的燃料电池动力源的远程水下机器人已完成了封仓和水下试验，这些都意味着装备FC/AIP系统的常规潜艇已不是很遥远的事情，这势必将极大提升我常规潜艇在近中国海的作战性能。

[1] 袁茂钱. 水雷反潜中探测技术的研究与分析[D]. 成都：西南交通大学，2008.

[2] 徐纪伟. 船用燃料电池动力系统研究设计[D]. 武汉：中国船舶科学研究中心，2011.

[3] 万芳，姚国富，刘斌，等. 潜艇燃料电池AIP系统技术发展现状[J]. 船电技术，2011, 31(8): 16-22.

[4] 刘鹤. 质子交换膜燃料电池的建模与仿真[D]. 北京：华北电力大学，2012.

[5] Kordesc K V, Oliveira J C T. Fuel cells, Ulmann’s encyclopedia of industrial chemistry [M]. Fifth edition. Germany: VCH, Weiheim, 1996, A12: 55.

[6] 盛金鹏. 国产材料燃料电池膜电极的制备与性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[7] 彭红建. 交换膜燃料电池电催化剂Pt-Ru合金系的系统研究[D]. 长沙：中南大学，2007.

[8] 丁刚强，罗志平，潘牧等. 质子交换膜燃料电池组水管理研究[J]. 能源技术，2005，26(1): 18-22.

[9] 张翔明. 德国潜艇用燃料电池进展[J]. 电源技术, 2012，36(9)：1421-1422.

Research on Proton Exchange Membrane Fuel Cell for A Submarine

Huang Rong, Chen Xinchuan, Song Qiang

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, china)

2014-06-23

TM911

A

1003-4862（2014）11-0029-04

黄荣(1987-), 男，硕士研究生。研究方向：机电工程。