燃料电池潜艇研发动态

当今世界上40多个国家和地区拥有约800艘潜艇，其中常规动力潜艇就有700余艘。与核动力潜艇相比，常规动力潜艇机动灵活、噪音小、造价低，但它们有一个致命的弱点：常规潜艇在水下航行时都采用电力推进，由于受蓄电池贮能的限制，在水下续航力都比较小，用经济航速(2-4节)航行时，其水下航行时间只有3天，续航力也不过300海里。因此在蓄电池电力消耗到一定程度时，潜艇必须上浮至海面，在通气管状态下使用柴油机为蓄电池充电，这样很容易被对方雷达侦察到，同时柴油机为蓄电池充电时所产生的噪声也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁。

 

增大常规潜艇的水下续航力，降低通气管状态的暴露率，提高隐蔽性一直是潜艇设计者和使用者长期为之奋斗的目标。近些年来，西方一些发达国家如德国、荷兰、意大利、瑞典、英国、加拿大等，都在竞相研制推进系统不依赖空气的动力装置(AIP)，由于AIP系统在水下可直接提供推进动力，使常规潜艇在执行战斗任务期间的水下持续时间从目前的数天增加到几周，单次水下续航力可达上千海里甚至更多，很大程度地为提高水下续航能力、扩大水下活动范围创造了条件。AIP系统按其能源性质可分为电化学动力系统和热能动力系统两大类。电化学动力系统主要代表是燃料电池，是目前最先进的AIP技术之一。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能经化学反应直接转换成低压直流电能的装置。它与一般蓄电池不同之处在于，它所需要的化学原料不是存贮在电池箱内，而是由外部专门系统供给。该系统的燃料目前主要有液氢和重整式甲醇。氧化剂为液氧或空气。这种燃料电池通过电极反应，将化学能直接转换成电能。它具有效率高(理论效率为80％)、电压稳定、功率范围大、超载能力强、生成物无污染、噪声小、寿命长等优点。它的容量只限于燃料的携载量。所以特别适用于潜艇，有希望成为潜艇实用新能源之一。 德国在燃料电池方面的研究较为成功。8O年代初，德国就开始了潜艇用燃料电池的研制工作。1983年建立了燃料电池陆上试验基地，1987年用燃料电池AIP系统改装了205型U1号潜艇，1986年进行了长达8个月之久的海上试验。试验结果表明，单靠燃料电池AIP系统水下航行，4.5节航速时航程达1250海里，水下持续时间由原来的85小时增加到364小时，是改装前的4倍，系统安全可靠。海上试验的成功，为德国海军在最新设计的新一代潜艇212A级潜艇上装备燃料电池AIP系统铺平了道路。

 

2003年4月7日由欧洲最现代化的造船公司——位于德国基尔的霍瓦兹造船公司（HDW）研制建造的世界上第一艘全新的燃料电池驱动的潜艇U31“克拉西”号在德国北部基尔港下水。该潜艇属于212A型常规潜艇，使用柴电及燃料电池混合动力，其中，燃料电池系统是西门子公司提供的PEM燃料电池系统。两种动力系统既可单独使用，又可联合使用：燃料电池动力系统用于水下长时间巡航，柴-电动力系统用于潜艇作战时高速航行。

 

U31是当今世界上最先进的常规动力潜艇，该艇长56米，宽7米，吃水6米，水上排水量1450吨，水下排水量1830吨；水上航速12节，水下航速20节；水上以8节航速航行续航力为8OOO海里，水下以8节航速航行续航力420海里；最大潜水深度为200米，自持力为49天。它的动力舱采用燃料电池动力系统和柴-电动力系统混合使用的混合动力系统。燃料电池动力系统由燃料电池、液氧贮存柜和气态氢贮存柜等3部分组成。它的燃料电池不用空气，而是将氢燃料和氧化物放到特殊燃烧室内进行电化学反应。直接转换成电能。输出的直流电直接驱动电动机，电动机带动桨轴。推进潜艇航行。每组燃料电池的输出功率为34kW，9组总功率306kW，可使潜艇以4.5节的经济航速潜航1250海里或15~17天潜航时间，是普通柴电潜艇的5倍。

 

图1、U31潜艇解剖图

 

俄罗斯在潜艇燃料电池方面也进行了长期的试验，积累了丰富的经验。1988年10月，前苏联海军就曾进行了装燃料电池的“卡特兰”号潜艇试验。1991年俄罗斯海军又在“比拉鱼”型潜艇上试验成功了低温氢氧燃料电池。1998年开始，由俄罗斯红宝石中央设计局研制、海军造船厂开工建造的“阿穆尔-1650”级AIP潜艇，舰长67米，宽7.1米，水面排水量1765吨，水下排水量2650吨，最大下潜深度可达250米，水下最大速度21节，续航力6000海里，水下巡航忍耐力650海里，海上自持力45天。该艇采用两组碱性燃料电池系统，同时还有一套功率为4100千瓦的柴电动力装置。整套燃料电池动力装置的功率为300千瓦，能保证潜艇在水下以3.5节的速度持续航行20天。

 

图2、阿穆尔潜艇解剖图

 

日本也在积极研发潜艇燃料电池。日本海洋科学技术中心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Urashima号。Urashima艇长10米，鱼雷型设计，下潜深度3500米，能在水下航行300公里。较以往采用里电池为动力的深海探测潜艇航程大为增加，研究人员可以使用它在以前深海无法到达的区域进行收集海水样本等研究工作。

采用德温特世界专利索引数据库，使用fuel()cell? ? and submarine?作为检索策略，共检索到61条燃料电池潜艇相关的基本专利。

 

这些专利信息显示，20世纪60年代初，一些发达国家开始了对燃料电池潜艇的相关研究，至90年代末专利数量增长较为缓慢，到了21世纪后，情况发生了改变，专利数量出现明显增加，如图3。专利申请国按优先权专利的分布看，主要集中在美国、德国、日本等国，详见图4，表明三国研发实力处于全球领先地位。燃料电池潜艇研发中，占领先地位的企业包括SIEMENS AG、MITSUBISHI JUKOGYO KK、HOWALDTSWERKE DEUT WERFT AG等公司，详见表5。这些专利从燃料电池潜艇的燃料电池、变流器、压力容器、燃料电池系统、压力均衡器、高纯度氢的制备、气体泄漏检测等不同角度对燃料电池潜艇相关技术进行了研发。

 

图3、优先权专利申请年度分布

 

图4、专利申请国优先权专利数量分布

 

表5、专利权人拥有专利数量（部分）

专利权人	基本专利数
SIEMENS AG	8
MITSUBISHI JUKOGYO KK	4
HOWALDTSWERKE DEUT WERFT	4
VICKERS SHIPBUILDING & ENG	3
BALLARD POWER SYSTEMS INC	2
ENERGY PARTNERS INC	2
METALIC POWER INC	2
TOYOTA JIDOSHA KK	2
UNITED TECHNOLOGIES CORP	2
VICKERS SHIPBLDG EN	2
YUASA CORP	2
……

 

燃料电池作为新一代的发电技术。以特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，其在军事上的应用也引起了各国军事部门重视，美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项必须发展的技术之一。我国在推进具有中国特色的军事变革，适应新时期的军事斗争中，要加快高新技术的研究步伐。燃料电池技术应用于潜艇、军舰等领域，将大大提高我军的装备水平，其在国防现代化和经济发展中将会起到重要的作用。

 

1、U212 / U214 ATTACK SUBMARINES，Germany

http://www.naval-technology.com/projects/type_212/

 

2、Researchers Test FC-Powered Submarine，Fuel Cells Today, August 14, 2003

 

3、由德国212型潜艇谈AIP技术

http://www.chinamil.com.cn/site1/jsslpdjs/2004-09/13/content_12648.htm

 

4、董国保.AIP系统的发展现状及应用前景.潜艇学术研究，1998(2)：72-74

 

5、21世纪的海上隐形杀手——俄阿穆尔级常规潜艇

http://www.danyarmy.com/qingbao/1.htm

 

6、薛洪熙．燃料电池技术及其在舰艇上的应用．军民两用技术与产品，2005(2)：38-40

 

7、林苊.舰船动力技术发展现状.船舶物资与市场，2004(4):20-23