舰船用燃料电池

　　1引言十多年来，不断有人通过论证得出结论，认为燃料电池1方案是常规潜艇1系统的最佳方案。燃料电池是直接将燃料换不受卡诺循环的限制，它本身没有运转部件，主要特点是哚音低热幅射低能盘转换效率岛无污染。1988年，国将205级讥潜艇耐压壳切为两半，中间增加了载3.5，1燃料电池1级，于1988年更季开始至1989年3月进行了大景的海上试验并获得成功。随后，用燃料电池巧系统装备新212级潜艇，首次创建现代燃料电池六1常规潜艇，同时已开始用燃料电池61系统改造了4艘德国潜艇，并按此方案为意大利海军建艘同样的潜艇。

　　最近，据德国世界报报道，德国政府还批准出售艘214级潜艇给南韩，该艇是由造船厂最新设计的配有燃料电池的先进潜艇。另外希腊海军也订购了艘同型潜艇，2005年开始交艇。

　　随着燃料电池在潜艇的应用成功，水面舰艇也进步考虑燃料电池应用问。

　　美国九十年代初对水面舰艇采用燃料电池问进行了全面的研究，认为在缩小舰船收稿日期2000612尺寸，减少燃料用量，改善信号特征模块化减少污染，提高武器效能等方面有优越性；在采用廉价燃料和对舰船适应性方面需进步研究。德国水面舰艇也提出要求，希望能大幅度降低环境污染，消除氧化氮如氧化碳，碳化氢，同时实现安静航行，减小热幅射，增加远程能力，降低燃料费用。根据，国海军的纶求，德国西门子公司对用于水面舰艇的燃料电池模块展开了研究工作。

　　燃料电池用于舰船己不再停留在论证计划方案阶段。它经过陆试海试，在潜艇上己获成功而正处于发展的阶段。

　　成情况。

　　2舰船对动力装置的特殊要求2.1舰船对动力装置的特殊要求舰船是武器运载平台，适用于舰船舶条件外还必；1满足舰船在监视速要求，还需要器系统人员生活机械设备等能源需求。为了消灭敌人和保存自己，舰船除了能最有效地发挥武备攻击作用外，还需要有最低的暴露率和最好的隐蔽性。具体说来，舰船对动力系统或燃料电池有下列要求3有灵活的功率输出功能，功率设计实现模块化，适应舰船安装条件，能低功率输出，也有足够的峰值功率输出能力10体积小重量轻容量大。有较大，安全；1低暴露率。对潜艇而言，降低暴露率尤为重要，暴露率是可以通过典型的作战任务剖面算出的定量指标；6低噪声与振动。动力装置部分应尽量减少运动部件及有关部件的振动，同时提消音效果，档偷娜确，洌，叩姆先壤，寐剩，8操作简便，岛的免维护部件比例，费用低。购聊费用和运转费用都需低廉0生成物处理容易。不留或少留痕迹，不污染或少污染环境。无论在正常运转或战争条件下都不产生对人体有害的有毒物质；有高的能量转换效率。

　　2.2舰船用燃料电池选型与其他动力系统相比，燃料电池能较好地满足上述要求。但燃料电池也是个大家族，种类很多。宄竟哪种能更好地满足要求呢，美国海军从6类燃料电池中为舰船选用燃料电池采用了20项评选内容，后项针对潜艇。6类候选燃料电池是1碱性；2质子膜3磷酸3外重整，熔融碳酸盐6固体氧化物。

　　20项评选内容是1预选；2优越性；3冷却方式；4阳极对燃料纯度的敏感性；5燃料类型；6燃料重整7阳极排放；8阴极氧化剂9产物水的利用；废热电流密度和功率密度12装置费用；13效率热速率比燃料消耗14起动应答15模块尺寸；16辅助装置布局；17电池模块易组合和人工移动；18电性连接控制19氧消耗速率及氧源20水下高压情况下工作性能。这些评选内容归纳起来仍然是燃料电池对舰船需求及使用条件的适应性及各种费用的可承受性。

　　在上述6种候选电池中，超酸熔融碳酸盐固体氧化物类燃料电池都有可能使转运费用进步降低，但有些技术问尚待进步解决，可作为未来的应用类型。

　　碱性燃料电池具有电化学活性高，可不用贵金属催化剂等突出优点，60年代初曾被美国宇航局NASA选作空问应用的Apollo电池，德国前阶段在燃料电池1系统中也直采用碱性燃料电池。然而随着近十多年来质子膜燃料电池技术的发展，质子膜燃料电池在无环境腐蚀无电液循环氢电极极化小等方面明显优于碱性燃料电池；在无腐蚀便于模块化工作温度低功率密度大等方面优于磷酸燃料电池。因此，各国较致地选用质子膜燃料电池作为舰船燃料电池。英文缩写为，册0也称固体聚合物燃料电池51离子交换膜燃料电池1册德国在装备212级潜艇时己由碱性燃料电池改为质子膜燃料电池。

　　以下介绍均指质子膜燃料电池。

　　3燃料电池模块舰船用燃料电池供电系统可分为大部分。第部分是电池本体，第部分是氢氧源，第部分是保证电池正常工作的辅助装置电池本体可根据艇用要求模块化，这样既便于吊装搬运，也便于根据不同的要求提供不同的电压和电流。

　　3.1燃料电池模块性能参数燃料电池模块是燃料电池本体的个单元。德国西门子公司花了十年的时间研制成功用于新212级潜艇1系统的燃料电池模块1.

　　效率70工作压力0.娜模块的外端板上设有正负极极柱不同数目的模块串并联可满足舰船的电压电流要求。

　　3.2模块的核心部分模块的核心部分是膜电极组合质子膜燃料电池最主要的特征是没有液相电解质而以质子膜为电解质。质子膜是种全氟横酸膜，如肌。，膜0膜等。能导，子。，的两侧形成阳极和阴极，均以铂为催化剂这样就构成膜电极组合。膜电极的两侧分别为氢气室和载气室导流板冷却水室等。氧气在阳极催化剂的作用下，在阳极失去电子，变成质子穿过质子膜与氧在阴极还原形成的氢氧根离子结合形成反应产物水，从氧气室排出。膜电极和相应的气室及其他部件构成电池单体，若干单体叠加用螺杆紧固再加上相关的部件及外端板等就构成燃料电池4氢氧，氢化物制氢办法。金鱼物贮筒2.钢筒内部的铝盒中存放着由真空炉制备的，打合金，氢的输入和导出都经过中央过滤管。第次充氧是活化过程，铸的合金块吸氛后瓦解为细的粉末，氢被吸附时放热，解氢时，利用燃料电池废热。金属氢化物，完全免维护，放在潜艇的耐压壳外。

　　对于水面舰艇，将采用重整制氢装置制氢，其原料将是甲醇或更廉价的柴油或煤油对于潜艇，氧以液态形式5于耐压壳外的液氧内。液氧3.液箱槽为双层真空绝热结构，5槽带有体化的蒸发器和安全装置，安装在有弹性的固体支猩稀时要用，施检验麟定性和绝热性。

　　对于水面麻直接用空气中的氧作氧化剂，采用相应的，气燃料电池。

　　5燃料电池供电系统的组成燃料电池供电晋包括燃料电池微氢源及供氢装置氧源及供氧装置水热管理篦氮气髓制。

　　水热管理装置用于维持电池的水平衡和热平衡，带走电池产生的热量，同时供给液氧蒸发及金属氢化物解氛所需热量，多余的热盘经热交换器排出艇外。由于废热的充分利用，燃料电池的效率提高到85左右。

　　氮气装置用于邻游压力平衡减少泄漏。

　　当燃料电池较长时间停止工作时，气室可充氮使其犍化。

　　燃料电池六1系统安装在原柴电系统与推进屯机之间。装有燃料电池系统的德国新212级潜艇4.从中可以卷出，液箱梢安装在耐压壳外的顶部，燃料电池及辅助装置安装在甲板上部，氢源及生成水贮梢在平板下部。

　　6燃料电池应用效果潜艇加装燃料电池4吓段后，潜艇续航力明显增强。德国海军讥潜艇海试情况明，续航力提高至4.4倍。水下潜航时，巡航速度为4.5节，可以达18节。潜艇时间超过15天。暴露率降氏30.

　　原苏联的海上试验明，货级潜艇安装质子膜燃料电池六1系统后，潜艇水下自持力为原来的50倍，水下潜艇时间由原来的12天延长到2个星期。加拿大，1系列公司，瑞典考库姆公司等也对燃料电池幻尸系统的优越，行了舰。

　　燃料电测于水面舰艇预计能减小舰船尺度，排气烟囱明显减小，机舱空间缩小，排水量略小，这样可以改善舰船机动性，减小了笛达搜索面积由于能毋转换效率提高，燃料消耗将明显减小，排热少，红夕哺号特征减弱，由于生成物是可利用的水，环境污染大大降们为能有这样的探索和实践机会而高兴，虽然我们很认真很努力很仔细，但毕竞限于个人的知识水平，设计中定存在不少的缺陷甚至错误，寄望于读者的指教和个人的不断学习，宗旨是将这样艘典型的小功率交直交电力推进船舶在实船制造中建造得更完美些。

　　另外，虽然我们设计了这样艘船舶，然而让我们感到遗憾的是，在该船的交流电力推进系统中，从推进电机到逆变拒，从整流柜到，0监控站，其核心设备均为欧洲进口产品，国产化率很低。在将来的电力推进船舶中，还会出现永磁电机超导电机等新技术，实际上永磁推进电机在国外己获得了越来越广泛的应用。笔者作为个中国船舶设计师，当然希望用国产电力推进船舶。

　　1金德昌，姜孟文，云峻峰。船舶电力推进原理。

　　北京国防工业出版社，19 266柴电舰船推进趋于流行。船电技31王志华译。舰船电力推进用变速驱动装置。船电4胡介人，叶金林。变频调速器的发展及其在船舶工业中的应用。舰船科学技术。1997，笫3奶5吴忠智，黄立培。吴加林。调速用变频器及配套设备选用指南。北京机械工业出版社，2000，汾8汾汾汾分少，汾汾汾这分汾，55分5！5汾汾於分汾5势汾汾，2辑分5分分汾上接第5页低另外，燃料电池有相当强的过载能力，能与激光炮等电动武器系统良好匹配，甲板上部武器布局改善，能更好地发挥武器效能。这些效果尚待燃料电池安装改造后进步证实。

　　7展望对于舰船用燃料电池而言，方面我们己经看到，德国潜艇应用成功确实给舰船用燃料电池的发展起到了很大的推动作用，燃料电池动力系统的优越性是热机动力系统无法比拟的。但另方面，我们也应该看到，燃料电池能否在潜艇和水面舰艇广泛使用，其关键是燃料费用，包括补给燃料的基础设施费用能否降下来，否则将无法广泛使用值得庆幸的是，燃料电池的发展受到环境保护和提高能量转换效率等多方面需求的驱动。随着化石燃料的消耗和人们对环境质量要求的提高，燃料电池会愈来愈受到人们的关注。汽车用燃料电池发电站用燃料电池都需要能使用廉价燃料，这些将促进燃料重整技术及高温燃料电池技术的发展。由美国能源部和美国中部如，1洲发起的，人也如0.1如6公司研制的燃料电池供氢装置，可直接以汽油乙醇甲醇天然气丙烷为原料，采用部分氧化技术，在催化剂作用下制造氢气，使燃料费用大大降低。类似的这些研究成果将会反过来促进舰船用燃料电池能使用廉价燃料，对舰船的适应能力进步增强，那么，燃料电池将在促使环保汽车发电站等领域发生重大变革的同时，也必将促使舰船发生重大的变革。