外军aip潜艇燃料电池最新储氢技术

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1、外军AIP潜艇燃料电池最新储氢技术    李世令    ( 海军潜艇学院，山东 青岛 266044)    摘要: 对于将燃料电池作为不依赖空气系统动力源的常规潜艇来说，金属氢化物储存罐储氢、甲醇转化制氢和柴油重整制氢是艇上氢燃料的 3 种主要来源。对 3 种主要能源进行了介绍，并比较了各自的优缺点。    关键词: 不依赖空气动力系统; 燃料电池; 储氢技术    中图分类号: TM911． 4   文献标识码: A   文章编号:1006 －0707( 2012) 06 －0030 －03    自第二次世界大战以来，潜艇主要还是依靠柴电推进系统和铅酸蓄电池提供的电能进行航行

2、，这些系统已经获得了很大的改进，但是潜艇在信号特征方面的改善并不是很大，在最近几十年，常规潜艇仍然必须使用通气管才能在水下为蓄电池充电。燃料电池的装备为潜艇航行提供了巨大的优势，它能够使潜艇在水下运行更长的时间，而且潜艇的信号水平也比较低。这是因为燃料电池与普通的电池一样，产生的电能几乎没有任何浪费。此外，燃料电池还具有很多优势: 高性能，排放到海水中的热量较低，噪声水平低，磁信号特征低，尺寸小、质量小，维护便利等。因此，可以说燃料电池完全是一种全新的系统，而不是对现有系统的一种改进。    1 金属氢化物储存罐技术    德国是最早研究并在潜艇上实际使用燃料电池的国家。德国的霍

3、瓦特 － 德意志造船股份有限公司研究燃料电池已经超过20 年［1］。1988 年，它们第1 次在 U1 号潜艇上进行海试，测试燃料电池的性能。如今，德国海军的 U212A 级潜艇和 214 级潜艇都已经服役，而且国外的一些国家也在使用这种潜艇。燃料电池具有的优势使该公司赢得了大量的订单。由于燃料电池需要在艇上进行氢———氧间的电化学反应，因此，艇上必须携带大量的氢燃料和氧燃料。目前，氧基本都是以液态存储在储罐中。但是液态氢占据的体积较大，不稳定。如果在潜艇上携带大量液态氢不但使本已非常狭小的潜艇空间更加拥挤，而且存在很大的危险性。因此德国海军在这些燃料电池 AIP 潜艇上采用了金

4、属氢化物储存罐技术。也就是利用高压将氢压入金属内，以此来提高氢气的储存量。    2 甲醇转化制氢技术    尽管现有的燃料电池系统具有很多优势，但是潜艇的发展趋势应当是能够从 AIP 系统中获得更多的能量。目前使用的金属氢化物储存罐相当笨重，潜艇的尺寸限制了艇上氢气的储量。通常情况，液体燃料具有很高的体积能和重量能，而且便于控制。因此，需要对燃料电池进行改进，选择一种最好的燃料，这不仅仅影响到燃料电池系统的设计，而且还会对潜艇的设计和性能产生影响。通常候选的燃料是碳氢化合物和乙醇。与存储纯氢相比，这种燃料会产生二氧化碳。而二氧化碳不能在艇上存放，必须将其排放到大海。为了实现质量

5、平衡，排放掉的二氧化碳的质量必须由海水来补偿。因此，改进的燃料系统必须以燃料 + 氧气( + 水) 的形式工作。氧气在艇上以液体的形式存放在液氧罐内。巨大的液氧罐占据了系统相当大的尺寸。因此，对于 AIP 系统来说，氧气的消耗非常重要，并且应当尽可能缓慢。考虑到整个 AIP 系统的化学产物是水和二氧化碳。因此，在燃料的化学组成中，氢与碳的比值应当较高，因为碳比氢氧化时需要更多的氧气。另外一个重要的因素是燃料必须在世界任何地方都能够找到，而且它的安全性、可操作性、纯度( 避免使用额外的净化器) 以及转化所需的温度都应当使氢气获得的更加容易。另外，需要能够以现有的西门子电池为基础，废

6、气( 二氧化碳) 排放压力较高，不需要额外的废气压缩机就可以将废气排放到周围的海水里。最重要的是整个系统需要高效而可靠，可用性好。因此，德国的下一代 216 型 AIP 潜艇虽然仍采用燃料电池作为动力系统，但是该艇储存氢气的形式却与上述两级潜艇截然不同，采用了甲醇转化制氢技术。    从通常意义上讲，柴油、乙醇和甲醇这 3 种物质都可以作为潜艇的燃料。但与柴油和乙醇相比，甲醇中氢与碳的比值最高，达到4∶ 1，而另外2 种燃料分别为2∶ 1 和3∶ 1; 而且甲醇转化效率高，非常容易转化( 转化温度大约为 250 ℃，柴油大于 850 ℃，乙醇大于 700 ℃) 。总的来说，选用甲

7、醇作为燃料的优点是: 在化学结构中氢的含量高; 转化过程效率高; 在全世界都可以获得; 纯度高( 不含硫) ; 容易在艇上储存; 容易处理( 例如燃料的添加) ; 容易转化［2］。不足的地方是甲醇蒸汽转化系统需要提高压力才能运行，而且氢气提纯在薄膜净化装置中进行，转化过程需要通过高压氧炉进行加热。    在很多年以前，德国海军曾经计划在第 2 批 212 级潜艇上采用甲醇转化炉技术，而且霍瓦特 － 德意志公司也开始着手开发该项技术。然而，德国海军后来决定仍然在 212 级潜艇上使