【专家解说】：">真正长期地潜游于水下，以发挥其隐蔽的特。常规潜艇以柴电推进系统作动力，只能在水下航行几天就必须浮出水面，采用柴油机推动，同时给蓄电池充电，这对提高潜艇的隐蔽性极为不利。不能设想将所有的潜艇都采用核动力推进，也不能设想无限制地增大柴油机功率和蓄电池容量，因此，寻找不依赣空气的常规潜艇推进系统，一直是许多国家追求的目标。潜艇用AIP系统基本类型有：燃料电池、斯特林发动机系统、闭式循环柴油机系统和小型核动力装置。以上众多不依赖空气的动力装置中，哪种最有前途，未来的常规潜艇采用哪种最为合适，这要根据潜艇的使命任务和各种不依赖空气系统的性能、结构、体积(重量)、经济性、安全性等指标综合考虑才能决定。德国海军为了研制2000年以后新一代的常规潜艇，对已进入实用阶段的各种不依赖空气的推进系统的信号特征、艇主尺度、潜水深度、性能限制、燃料供应、维修、适应性、研制周期、研制经费和设备采购费等一系列性能、指标进行了分析比较，认为燃料电池和闭式循环柴油机最为优越。对这两种推进系统的性能参数和优缺点再作进一步的比较后．他们认为两种系统对新潜艇主尺度和排水量的增加、航速的下降，以及水下巡航距离与自持力的增加、暴露率的减少等影响不相上下，但燃料电池总功率高、热扩散小、噪声低、研制周期短、实用性更强。据资料估算，对于输出功率1MW的柴油发电机和燃料电池系统，整个使用期间费用均需560万英磅…，但燃料电池总功率高、热扩散小、噪声低、研制周期短、实用·陛更强，因此，德国海军决定支持在新一代的潜艇上发展燃料电池系统。燃料电池有以下优点：燃料电池是一种由化学能直接转换为电能的电解转换装置，系统除燃料／空气供给泵外，无转动机械部件；不会产生象柴油燃烧后所剩下的燃料残渣，因此，没有必要在潜艇上使用压缩机将残渣压出艇外，因而没有噪音据对美国40kW级燃料电池系统韵测定结果，距离10英尺处的噪声只有68dB_2J。红外特征弱，艇外不会有热迹，隐蔽性好。燃料电池输出直流电，可直接供电给直流推进电机，无需配置发电机和变压器等能量转换机构．因而也无机械能和电能的损耗，装置效率可高达50％～60％，而柴油发电机仅25％～35％…1，这样，可提高舰艇的续航力。图1所示为火电、核电和燃料电池三种发电方式的能量转换过程比较。由于燃料电池能量转换过程的直接性，使得它的转换效率大为提高氢氧燃料电池唯一的副产品是水及热量：水可以贮存利用，无需排污设备；燃料余热可以加以利用，几乎无热量损耗。整个系ZHONGWAICHUNBOKEJI总第28期中外船舶科技统结构紧凑。水在能量转换过程中作为反应产物保留在潜艇舱内，这样．可以确保系统的整个重量不变。燃料电池能量转换温度低，仅70一锅炉(燃烧)匡—蕊(棱反应)旋转(汽轮发电机)圈幽擞回丽图1火电、核电、燃料电池三种发电方式能量转换过程比较80℃，工作环境比较安全。固态燃料聚合物电池被认为是燃料电池的发展方向，它具有外型尺寸小、功率大、无腐蚀、使用寿命长等特点。以下对燃料电池的分类、电池原理以及燃料电池、储氢材料和氢储存系统的发展作一介绍。1燃料电池的分类燃料电池主要由能促使燃料(阳极)和氧化剂(阴极)起催化作用的电极和在两极之间传导离子的电解质等组成。由于燃料电池的工作条件(尤其是温度)和电极的成分在很大程度上取决于电解质，所以一般根据使用的电解质类型来对燃料电池进行分类。下面对几种燃料电池作一简介：(1)碱性燃料电池(AFC)该电池用含水的氢氧化钾(KOH)溶液作电懈液，以纯氢为燃料，以纯氧为氧化剂。碱性燃料电池为空间轨道飞行器提供电力。碱性燃料电池的工作温度121．1℃，效率为77％，也可用空气作氧化剂，但要求从空气中除去CO2。研制铝燃料电池是美国能源部的一个发展项目。(2)离子交换膜燃料电池(PEMFc)亦称固体聚合物燃料电池(SPFC)。该电池与其他电池的不同之处在于它采用碳氟化物离子交换膜作为电解质代替流动的电解液。工作温度低于100℃，室温下就可引出有用的电功率。此外，这种电池尺寸较小，重量较轻．经进一步发展后价格还可更加低廉。(3)固体氧化物燃料电池(SOFC)。该电池是一种紧凑的高温陶瓷装置，工作温度为1000℃。其效率随所用的燃料和氧化剂不同而变化，用碳氢化合物和氧时，效率为55％。(4)磷酸燃料电池(PAFC)该电池的工作温度约1767℃。用碳氢化合物燃料和液氧，效率为50％；用碳氢化合物和空气，效率则为41％。(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)该电池的工作温度约6489"C，效率为58％__65％，研制风险较低，但功率密度也低。熔融碳酸盐型燃料电池中，用固体氧化物作电解质的燃料电池在国外被称为第二代燃料电池。业已取得巨大进展并有希望商业化的，是可熔融碳酸盐型燃料电池，它与磷酸(盐)型相比有很多优点，如设计简单、成本低廉等。2燃料电池原理之所以称之为燃料，是因为能量的来源是一些可燃烧物质的化学能。经过电池内复杂的电化学反应，化学能直接转变为电能，电化学反应的最终产物和燃烧过程的最终产物相同。现代燃料电池的基本结构象普通电池一6ZHONGWAICHUNBOKEJI中外船舶科技1997年第1期样，也具有正、负两个电极以及电池内部传输电流所必需的电解质。燃料电池电解液由氢氧化钾或氢氧化钠的碱性溶液组成，也可由酸性溶液(如磷酸溶液)或各种能以氢氧离子、氢离子形式携带电流的陶瓷和聚台体组成。氢一空气燃料电池的结构及原理如图2所示。电动机圈2氢一空气燃料电池的结构及原理示意图氢和氧分别进入电池的阳极和阴极。氢在阳极发生氧化反应，生成氢离子和电子：t-h(气)一一2H+2一电子通过外电路驱动作功，最终到达阴极和氧与电解液在阴极发生还原反应，生成氢氧离子：1／42O+寺O2十2e～一一2OH一氢离子向阳极迁移．相遇而生成水：H++OH一一一H，O全反应过程如下：1H2(气)+÷02(气)～一H2O(27'U)燃料电池反应的特点是氢和氧直接进行化学反应，是唯一的消耗品，而电池本身并不参与。3燃料电池的进展燃料电池作为电池家族的一员，早在150年以前就已问世。1938年，科学家维利安·格罗布利用电解水的“逆反应”，首次将氢和氧还原成水和电流。只是因为受到当时科技水平的局限，试制出的燃料电池效率过低．体积过于庞大，无法应用于工业及日常生活中，使这项本来可以造福于人类的研究长期没有什么进展。到了本世纪50年代，科学家们为了寻求将燃料的化学能直接转化为电能，以提高转换效率，对冷落多年的燃料电池进行了多方面的探索，终于在1960年首次将其成功地用于美国的宇航领域。近20年来，能源危机和环保问题促使科学家们研究开发燃料电池技术的兴趣更趋浓厚，并已取得显著的成就。在美国，早期的燃料电池是专门为“双子星座和“阿波罗”宇宙飞船提供电力而设计制造的由于飞船在太空运行中，必须同时携带燃料电池所需的氢和氧，因而宇宙飞船上专用的燃料电池又称氢一氧燃料电池，它与氢一空气燃料电池工作原理完全相同．只不过前者是纯氧．而后者是空气中的氧。太空燃料电池中与电力共生的水是极纯的，无需处理就可为宇航员饮用。太空燃料电池造价极高，一是因为这种电池设计和制造要求十分严格，必须保证绝对安全；二是电池电极的催化剂(铂)价格昂贵。自从太空燃料电池应用成功以来，电池的结构设计又取得了很大进展，费用也不断降低。1973年．在美国通用公司的赞助和支持下．有6O座12．5kW的燃料电池投入大规模的实验，用以进行先进的气体能量转换研究的目的。潜艇燃料电池是在60年代宇航技术上ZHONGWAICHUN130KEJI7总第28期中外船舶科技成功应用燃料电池后才迅速发展起来的一种新型动力源。由于燃料电池适合用作潜艇的水下动力，因此受到各国海军的重视，很多国家都投入了大量人力和物力进行研究，其中美国、日本、德国、瑞典和法国等，都积极投入这一工作。美国是最早研究潜艇燃料电池的国家。1963年开始进行氢氧燃料电池反潜潜艇的研究。燃料电池使用由甲醇或氨制成的氢，曾经作了2600小时的陆上试验，后因美国的核动力政策，停建了常规动力装置潜艇，故停止了研制。法国阿斯通公司研制的一种联氨一过氧化氢燃料电池其反应物分别溶于稀薄的氢氧化钾中，电池依靠电解液的循环工作。由于它采用齿轮泵输送电解液，噪音很大。此外，联氨和过氧化氢的运行费用高，所需电解热量大．所以潜艇上应用比较困难。日本曾用了大量经费开展潜艇燃料电池的研制，从1969年起研究氢氧燃料电池，主要研究艇内氢气重整系统、氢源的储存和循环系统，但困中间试验体积过大和过于复杂等技术上的原因，致使研究中断。晟后提出八种制氢方案，但仅停留在陆上试验阶段。德国对燃料电池的研究一直没有停止，而且取得重要进展。德国工业集团经过初步技术设计，便开始研制各种水下系统。在潜艇舱内通过低温合金态氢化物，贮存大量的氢，在冷冻箱中贮存大量的氧，是一个全新的技术突破。1980年，德国IKL公司、霍互兹船厂、费斯塔尔和西门子公司组成一个工业集团，决定在燃料电池的基础上，发展一种混合推进系统。在这种系统中，氧以液态氧(一180℃)的形式贮存在耐压容器中，氢则存在于(Fe／Ti)合金的氢化合物中目前，最有发展前途的仍然是2o年前预测过的碱性、低温、氢氧型电池。直到现在，研究工作取得效果最好的是德国，1980年开始进入研制实用产品阶段。用氢气和氧气作为燃料，燃料电池组有六块电池，每块电池有70个电池对，功率为7kw。1984年进行了陆上试验，表明电池是安全可靠的。1987年开始用它改装205型U1潜艇，1988年进行了6个月的海上运行，输出功率为1OOKW，速度5kn。试航结果表明．燃料电池发出的直流电，可不经过变压器而直接供电给直流推进电机，也可根据需要与蓄电池组并网用作动力源，还可使蓄电池边放电边充电，使潜挺保持良好的作战状态l4J。由于燃料电池混合推进装置在潜艇上的成功试验，德国海军决定在1990年一2∞5年发展新的U212型燃料电池潜艇12艘，以取代目前的205型、206型和209型J。为了与瑞典在潜艇出口市场上竞争，还要把燃料电池安装到最新型的2000型出口潜艇上，以供澳大利亚海军选择。
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