潜艇燃料电池-核动力联合动力装置研究

张林根，张义农

(1.海军装备部，北京 100841； 2.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 100012)

潜艇燃料电池-核动力联合动力装置研究

张林根1，张义农2

(1.海军装备部，北京 100841； 2.中国船舶重工集团公司 第七一四研究所，北京 100012)

目前燃料电池已在国外常规潜艇上使用，具有独特优势。随着燃料电池技术的逐渐成熟，其在核潜艇上应用的可能性逐渐增大。本文对燃料电池在核潜艇上的应用可行性进行了探讨，对燃料电池功率、体积、重量以及型号选择进行了分析，最后总结了燃料电池在核潜艇上应用的优势以及待突破的关键技术。

燃料电池；核动力；联合动力；潜艇

1 核潜艇燃料电池的发展和使用分析

目前，燃料电池在国外常规潜艇上主要作AIP装置使用。除德国外，西班牙、意大利和以色列都在发展燃料电池常规潜艇。近年常规潜艇采用燃料电池明显有增加的趋势，2008年世界各国海军计划或准备采购的28艘常规潜艇中，有15艘明确将采用燃料电池，另有6艘可能会采用燃料电池。

英国海军在20世纪90年代为其未来核潜艇探索新型动力形式时，曾委托英国罗尔斯·罗伊斯公司开展核潜艇使用燃料电池的前期研究，但截至目前英国海军也没有核潜艇采用燃料电池的计划和方案。与英国类似，美国、法国和俄罗斯等核大国也没有核潜艇采用燃料电池的计划。但随着燃料电池技术的逐渐成熟，燃料电池在核潜艇上应用的可能性逐渐增大。

目前，核潜艇的动力装置主要是核动力、柴油发电机组和蓄电池3种。核潜艇高速航行、低速巡航时采用核动力推进，应急推进时采用柴油发电机组或蓄电池。如果燃料电池在核潜艇上应用，将有以下3种使用形式：

1)部分替代蓄电池。用燃料电池部分替代蓄电池，并继续保留核动力装置、柴油发电机组和大部分蓄电池。对于这种动力形式，潜艇高速航行或低速巡航时采用核动力，应急推进时采用柴油发电机组或蓄电池和燃料电池联合推进。相比现在的核潜艇，这种形式可利用燃料电池延长水下续航力。但这种形式也有很多缺点，如：采用的动力装置种类更多，核潜艇设计更复杂，还增加了后勤补给和维修保养的难度。另外，由于采用的燃料电池功率较小，仅能做应急备用电源使用。

2)完全替代柴油发电机组。用燃料电池完全替代柴油发电机组，并保留核动力装置和全部蓄电池。对于这种动力形式，核潜艇高速航行、低速巡航时采用核动力，应急推进时采用燃料电池或蓄电池。相比现在的核潜艇，由于取消了柴油发电机组，因此可降低动力装置的噪声和振动，并减少了对空气的依赖。其缺点是由于燃料电池的功率较小，只能做应急电源使用，无法在潜艇低速巡航时使用。

3)部分取代蓄电池、完全取代柴油发电机组，形成燃料电池-核动力联合动力装置。这种形式与第2种形式类似，但燃料电池的功率要比第2种形式中仅作应急电源使用的燃料电池大得多。对于这种动力形式，核潜艇高速航行时采用核动力，低速巡航和应急时主要采用燃料电池。当燃料电池出现故障后，蓄电池作其应急备用电源使用。这种动力形式不但具有第2种形式的优点，同时还可在潜艇低速巡航或应急推进时采用燃料电池，从而提高潜艇隐身性和作战能力。

通过对上述3种使用形式的简单分析，可以看出如果燃料电池在核潜艇上使用，燃料电池部分取代蓄电池、完全取代柴油发电机组是最有可能采用的一种形式。虽然从使用角度看燃料电池可在核潜艇上使用，但这些分析不充分。下面将从燃料电池功率、体积、重量和类型等方面，对燃料电池在核潜艇上使用进行可行性分析。

2 燃料电池在核潜艇上使用的可行性分析

2.1 燃料电池功率分析

如前文所述，燃料电池-核动力联合动力装置中的燃料电池既可用于巡航推进也可用于应急推进。因此，需进行燃料电池巡航推进功率和应急推进功率分析。由于目前还没有采用这种动力形式的核潜艇，因此，需要做如下假设：

1)假设采用燃料电池-核动力联合动力装置的潜艇，其排水量与小型核潜艇(法国“红宝石”级核潜艇)或大型常规潜艇(澳大利亚“科林斯”级常规潜艇)类似，为2 000～3 000 t，接近德国212A/214型潜艇的两倍，艇长75 m，直径8 m，表面积1 885 m2，长宽比9.375，方形系数0.72，海水密度1 025 kg/m3，运动粘度1×10-6m2/s。

图1 “红宝石”级核潜艇与“科林斯”级常规潜艇Fig.1 Rubis class submarine and Collins class subamrine

2)假设螺旋桨效率为75%，电机效率为95%，电力变换效率为95%。

3)假设采用燃料电池-核动力联合动力装置的潜艇日用电为100 kW(由于缺少合适功率的反应堆有关数据，因此利用了伦敦大学工学院潜艇设计经验)。

4)假设反应堆安全载荷约为100 kW(此数字不代表当前核潜艇)。

当潜艇以8 kn最大持续航速巡航时，计算出燃料电池为推进系统提供的有效功率为187 kW，再利用假设(2)得出推进系统所需的燃料电池功率为277 kW。再加上日用电100 kW和反应堆安全载荷100 kW，三者相加得出所需燃料电池的总功率为477 kW；当潜艇以6 kn平均航速巡航时，利用同样方法可计算出燃料电池总功率为320 kW。

当潜艇以4 kn的航速应急航行时，假设维持反应堆最小安全载荷所需功率为50 kW，最小日用电功率为50 kW，续航力为7天。利用上述方法可计算出燃料电池总功率为137 kW，因此，要求燃料电池系统能够存储的氢和氧至少在7天内每天向全艇提供137 kW的电能。为此，潜艇需携带60个金属氢化物储气瓶和20个氧气瓶。氧气瓶总体积与英国核潜艇高压空气瓶总体积接近，为3.2 m3，总重量为500 kg。

对于以上3种功率，以8 kn最大持续航速巡航时的功率最大。因此，采用4个单机120 kW的燃料电池就可满足该潜艇巡航和应急推进的功率需求。

目前，德国214型常规潜艇采用的BZM120型燃料电池组的功率就是120 kW，因此，从功率等级角度看，燃料电池在核潜艇上使用可行。

2.2 燃料电池体积和重量分析

目前，120 kW燃料电池的体积与已在214型潜艇上使用的西门子BZM120燃料电池类似，重900 kg，体积500 L，包括可逆燃料电池、氧气瓶、氢气瓶、氧气压缩机、反向渗透净水设备、设备平衡系统和箱装体在内，整个燃料电池系统的体积是285 m3。若以5.6 m长燃料电池舱段形式整体插入，包括上述设备燃料电池的总重量为313 t，约占潜艇总排水量的1/10。从体积和重量角度看，燃料电池在核潜艇上使用也是可行的。

图2 西门子BZM120燃料电池Fig.2 SIEMENS BZM120 fuel cell

2.3 燃料电池选型分析

为使热信号最小和提供充足的启动和响应次数，以及减少艇上冷却需求，就需要使用低温燃料电池。在目前的几种燃料电池中，质子交换膜燃料电池的工作温度最低。

表1 燃料电池工作温度的比较

按使用空气或使用纯氧可将质子交换膜燃料电池分为空气质子交换膜燃料电池和纯氧质子交换膜燃料电池。由于潜艇舱容有限，燃料电池储氧罐中需要储存纯氧。为此，需选择纯氧质子交换膜燃料电池。

德国212A和214型常规潜艇就采用了纯氧质子交换膜燃料电池，因此，从技术角度看，在核潜艇上使用纯氧燃料电池也可行。

3 核潜艇使用燃料电池的优势分析

相比目前的核潜艇动力装置，核潜艇在低速巡航时使用燃料电池比使用核动力装置具有如下优势：

1)实现安静巡航。巡航时只使用燃料电池，可消除二回路蒸汽轮机和齿轮传动装置的机械噪声；

2)提高潜艇隐身能力。燃料电池工作过程中不使用转动机械和不产生废热，因此可消除连续使用转动机械产生的噪声信号和向海水排出大量废热产生的热信号。

相比目前的核潜艇动力装置，核潜艇在应急情况下使用燃料电池比使用柴油机和蓄电池具有如下优势：

1)声信号和热信号明显低于柴油发电机组。燃料电池没有运动部件，燃烧产物也没有烟气，其噪声信号和红外信号比柴油发电机组更小；

2)续航力比蓄电池更长。利用艇上存储的氧气和氢气，潜艇只要携带足够的氢气和氧气，潜艇利用燃料电池可以4 kn的航速在水下航行一周的时间。

3)在紧急情况下，可由燃料电池氧气舱提供应急吹气，而无需使用氧烛，减少发生火灾和爆炸的可能性。

通过前3节对燃料电池在核潜艇上的使用分析、可行性分析和优势分析，可以看出燃料电池在核潜艇上使用可行，并且燃料电池部分取代蓄电池、完全取代柴油发电机组将是燃料电池在核潜艇上使用的主要形式。

4 燃料电池上艇需要解决的技术问题

燃料电池-核动力联合动力装置虽然有很多优点，但其未来上艇还要解决一些技术问题。如：需要利用可逆燃料电池2解决氢源和氧源的问题；利用碳纳米管提高储氢能力等。

4.1 发展可逆燃料电池

质子交换膜燃料电池目前虽然已在212A和214型常规潜艇上采用，但与常规潜艇不同，核潜艇的质子交换膜燃料电池不但巡航时使用，应急推进时也要使用。而核潜艇上携带的氢和氧毕竟有限，需要使用艇上的电解槽和压气机等设备为燃料电池制备氢和氧，供燃料电池使用。再增加一套制氢和制氧设备，会增大燃料电池系统的体积，因此就需采用可逆质子交换膜燃料电池。目前这种燃料电池技术尚不成熟，但有望在未来几年得到快速发展。

4.2 氢氧的存储技术

与212A型常规潜艇类似，核潜艇燃料电池的氧气采用压缩氧气方式存储，压比为200∶1～300∶1。由于受潜艇舱容限制，氢存储系统必须具有体积效率。压缩氢气和液氧存储是不合适的，前者体积效率低，后者需要使用制冷设备将氢气冷却到70 K。同时，二者都需要使用耐压壳，需要很大的空间。目前国外比较成熟的储氢技术是金属氢化物储氢，相比压缩氢气储氢和液氧储氢具有较高的储氢量，这种技术已在212A型和214型常规潜艇上采用。但其储氢能力与核潜艇的发展需求尚有一定差距。目前国外正在发展碳纳米管固态氢储技术，其储氢量接近金属氢化物的2倍。

5 结 语

燃料电池-核动力联合动力装置是一种全新的动力形式，利用燃料电池核潜艇可实现长时间的安静潜航，这将对潜艇的作战能力和作战样式产生重大影响；核潜艇利用燃料电池巡航或应急推进时，可大幅降低潜艇的声信号和红外信号，这将极大提高核潜艇的隐身能力；无论是以燃料电池舱段的形式插入或以分散布置形式引入，都会对核潜艇舱室布局和舱室设计产生重大影响；燃料电池在核潜艇上采用后，还需要建立燃料电池的维修、保养、训练等一系列基础设施。总之，核潜艇采用燃料电池，对核潜艇而言不啻为一场革命。

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Research on submarine combined fuel cell and nuclear power plant

ZHANG Lin-gen1，ZHANG Yi-nong2

(1.Navy Equipment Department, Beijing 100081,China；2.The 714 Research Institute of CSIC,Beijing 100012,China)

Nowadays the fuel cell has already used on the conventional submarines, and has a unique advantage. As the fuel cell technology is gradually mature, the possibility of its application in nuclear submarines gradually increased. In this paper, the application feasibility of fuel cell on the nuclear submarine was discussed. The fuel cell power, volume, weight and model selection were also analyzed. At the end of this paper, the advantages of application fuel cell in nuclear submarine and key technologies were summarized.

fuel cell；nuclear plant；combined power；plant submarine

2014-04-28

张林根(1965-)，男，研究方向为舰船技术管理。

U664.1

A

1672-7649(2014)07-0154-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.07.033