燃料电池在潜艇上的应用

燃料电池在潜艇上的应用ID:20110010020我个人比较关心军事上的动态，对该领域的一些前沿科技比较感兴趣。也很 巧合这学期学习的燃料电池在潜艇上有成功而广泛的应用，所以我就选择燃料电 池在潜艇这个平台上的应用。世界上第一个实用军用潜艇是美国独立战争的海龟号，当时动力来源还是手 摇杆。目前动力来源主要分两个方向，一个是核动力，另一个是常规动力。常规 动力潜艇发展历程悠久，其中一战和二战中德国利用潜艇组织狼群战术偷袭同盟 国补给船造成很大损失。那时的潜艇在潜行时使用的是铅酸电池，带动永磁电机 工作。平时潜艇浮在水面上，使用柴油内燃机边推进边给潜艇充电。铅酸电池本 身容量就不高，因此潜行往往数小时内就要进行上浮给铅酸电池充电。由于航行 时主要在海面上，所以当时潜艇造得更像船。因此在电影U571里德军的潜 艇即便遭受水面驱逐舰的围攻也不得不经常上浮。历史上尽管德军U系列潜艇 创造了辉煌的战绩，但是因为时代的技术限制导致潜艇不得不经常上浮，并且柴 油发动机具有很强的磁性特征以及发动机运行时产生明显的热信号使得潜艇很 容易被盟军侦测到。所以末期特别是伴随高效率的声纳和雷达的问世，德军潜艇 的战损率也达到顶峰而最后海军元帅邓尼茨下令不再出海。While snorkelling the submarine expo&ed to higher risk of bs:ing detected.Fig.1二战时期潜艇（截图自本人PPT）受制于二战战败国不得拥有核动力武器。即便如此，德国的潜艇常规潜艇技 术依然是属于世界顶尖水平。这就是一个国家在这一领域居于长期研究而富有的 底蕴。就比如Closed cycle diesel封闭循环式柴油引擎已经发展了36年，基于的是 Stirling engine斯特林引擎的概念。更具有划时代意义的是在上世纪70年代德国国 防部认为燃料电池offered the most effective solution for application on sbmarines， 并且能满足5种优点1】：1. 高于70%的高效能量转换效率（氢氧动力），2. 运行时完全安静，3. 运行过程完全独立，4. 很好的操作和控制功能，5. 通过储存水轻松平衡重量。目前实际使用的是PEMFC，因为其具有稳定、工作运行温度低、启动相应时 间短、尺寸和动力上灵活协调的优点。其他的比如西门子的alkaline fuel cells (AFC), 联合科技的 phosphoric acid fuel cells (PAFC)和通用电气的 solid polymer electrolyte fuel cells (SPEFC)还在进行细致的评估当中。尽管PEMFC项目在1972年意外终止过 一次，但是它毕竟已经装在了德军208系列潜艇上。1980年德国国防部最终委任 西门子提供PEMFC模组给潜艇。在1983到1985年期间在205系列潜艇数次海试是 验证AFC和PEMFC优劣。尽管对于海军十分成功但是没能满足北约必要的潜艇标 准(包括证明抗冲击性能和备用物件供应等等)。我个人觉得这都是小问题，特 别是后来2003年德国和意大利海军共同采购了装备300kW功率的PEMFC Class 212A潜艇。当时为了安全考虑PEMFC还被密闭的容器保护着，内部充满惰性气体用来监测泄漏情况。Type U212 submarinePolymerelectrolyie membrane fuel cells (PEMFC) 聚什物髯解遇燧料成池Fig.2 U212潜艇(截图自本人PPT)其实衡量常规潜艇的优良与否必须要提到AIP系统air independent propulsion， 就是不依赖空气的推动。就像之前提到的Closed cycle diesel封闭循环式柴油引擎， 而PEMFC的应用无疑大大发展了 AIP的解决方案。我在黄启明老师的应用电化学 做过报告，当时很多同学问氢气是如何储存的。其实目前的系统hydrogen is stored in metal hydride cylinder s氢气封装在金属氢化物气缸里面。而氧气，则是The oxygen needed to supply the fuel cells is stored inliquid form (LOX) in double-walled vacuum-insulatedtanksR封装在双层真空隔绝的水箱中。在U212A潜艇中，两者都 是放置艇体中并且密切关注防止泄漏。在Discovery.Channel.新畤代武器：匿蹴 科技中就演示U212艇员的救火演习过程。Fig.3 Discovery.Channel .新畤代武器：匿宵芷科技其实潜艇自身就有一个优势，就是潜艇本身就要下潜，下潜海水自然会给艇 壳产生巨大压力。未来的趋势就是将氧气封装在耐压艇壳层内，这样既可以储存 气体，也可以抵抗部分深海水压。关于氢气的储存，目前工业上使用的最好的是superinsulated double walled tanks超绝热双层容器。但是对于潜艇来说缺点在有限时间内是灌装温度差异太 大的氢气，因为相对周围都是海水而引发安全问题。因此使用金属氢化物是一个 很好的解决办法。Low-temperaturemetal hydrides like TiFe or TiMn alloys can absorb up to 2%in weight of hydrogen. During loading, the metal hydridecylinders have to be cooled by means of a land basedcooling device【1.总而言之，目前潜艇上使用的都是比较富有前瞻性和相对可靠的技术。本来 课上老师也提到过有汽车厂商研制成功燃料电池汽车，但是受制于成本难以真正 被市场接受。在我理解军队这种相对不差钱的行业对新技术的支持和把握还是有 其不可磨灭的左右的。当然还有国家在研究铅酸电池也有一定突破，实现了大电 流的充放，应当说潜艇也是不分技术古老与否的一个良好的展现平台。对于我 国潜艇还是一个比较神秘的领域，披露的文章不多，平时公开资料也很少。但是 在常规潜艇方面主要还是通过向俄罗斯购买。就是那74年开始研制的基洛级柴电 潜艇我国购买了起码10艘。我个人认为国家在深化改革走向强军梦的过程中也应 当着手研制具有领先意义的潜艇。毕竟我国有漫长的海岸线和辽阔的海疆，也只 有自己掌握核心技术才能在未来变化莫测的国际关系变化中屹立不败。References1 A. Psoma, G. Sattler, J. Power Sources 106(2002)3862 M. James, J. Grummett, M. Rowan, J. Newman, J. Power Sources 162(2006) 8783 J. Fan, J. Power Sources 138(2004)238