潛艇用的動(dòng)力燃料一般是什么？

【專家解說】：">真正長期地潛游于水下，以發(fā)揮其隱蔽的特。常規(guī)潛艇以柴電推進(jìn)系統(tǒng)作動(dòng)力，只能在水下航行幾天就必須浮出水面，采用柴油機(jī)推動(dòng)，同時(shí)給蓄電池充電，這對提高潛艇的隱蔽性極為不利。不能設(shè)想將所有的潛艇都采用核動(dòng)力推進(jìn)，也不能設(shè)想無限制地增大柴油機(jī)功率和蓄電池容量，因此，尋找不依贛空氣的常規(guī)潛艇推進(jìn)系統(tǒng)，一直是許多國家追求的目標(biāo)。潛艇用AIP系統(tǒng)基本類型有：燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)和小型核動(dòng)力裝置。以上眾多不依賴空氣的動(dòng)力裝置中，哪種最有前途，未來的常規(guī)潛艇采用哪種最為合適，這要根據(jù)潛艇的使命任務(wù)和各種不依賴空氣系統(tǒng)的性能、結(jié)構(gòu)、體積(重量)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等指標(biāo)綜合考慮才能決定。德國海軍為了研制2000年以后新一代的常規(guī)潛艇，對已進(jìn)入實(shí)用階段的各種不依賴空氣的推進(jìn)系統(tǒng)的信號特征、艇主尺度、潛水深度、性能限制、燃料供應(yīng)、維修、適應(yīng)性、研制周期、研制經(jīng)費(fèi)和設(shè)備采購費(fèi)等一系列性能、指標(biāo)進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為燃料電池和閉式循環(huán)柴油機(jī)最為優(yōu)越。對這兩種推進(jìn)系統(tǒng)的性能參數(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)再作進(jìn)一步的比較后．他們認(rèn)為兩種系統(tǒng)對新潛艇主尺度和排水量的增加、航速的下降，以及水下巡航距離與自持力的增加、暴露率的減少等影響不相上下，但燃料電池總功率高、熱擴(kuò)散小、噪聲低、研制周期短、實(shí)用性更強(qiáng)。據(jù)資料估算，對于輸出功率1MW的柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池系統(tǒng)，整個(gè)使用期間費(fèi)用均需560萬英磅…，但燃料電池總功率高、熱擴(kuò)散小、噪聲低、研制周期短、實(shí)用·陛更強(qiáng)，因此，德國海軍決定支持在新一代的潛艇上發(fā)展燃料電池系統(tǒng)。燃料電池有以下優(yōu)點(diǎn)：燃料電池是一種由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電解轉(zhuǎn)換裝置，系統(tǒng)除燃料／空氣供給泵外，無轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件；不會產(chǎn)生象柴油燃燒后所剩下的燃料殘?jiān)虼?，沒有必要在潛艇上使用壓縮機(jī)將殘?jiān)鼔撼鐾?，因而沒有噪音據(jù)對美國40kW級燃料電池系統(tǒng)韻測定結(jié)果，距離10英尺處的噪聲只有68dB_2J。紅外特征弱，艇外不會有熱跡，隱蔽性好。燃料電池輸出直流電，可直接供電給直流推進(jìn)電機(jī)，無需配置發(fā)電機(jī)和變壓器等能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)．因而也無機(jī)械能和電能的損耗，裝置效率可高達(dá)50％～60％，而柴油發(fā)電機(jī)僅25％～35％…1，這樣，可提高艦艇的續(xù)航力。圖1所示為火電、核電和燃料電池三種發(fā)電方式的能量轉(zhuǎn)換過程比較。由于燃料電池能量轉(zhuǎn)換過程的直接性，使得它的轉(zhuǎn)換效率大為提高氫氧燃料電池唯一的副產(chǎn)品是水及熱量：水可以貯存利用，無需排污設(shè)備；燃料余熱可以加以利用，幾乎無熱量損耗。整個(gè)系ZHONGWAICHUNBOKEJI總第28期中外船舶科技統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。水在能量轉(zhuǎn)換過程中作為反應(yīng)產(chǎn)物保留在潛艇艙內(nèi)，這樣．可以確保系統(tǒng)的整個(gè)重量不變。燃料電池能量轉(zhuǎn)換溫度低，僅70一鍋爐(燃燒)匡—蕊(棱反應(yīng))旋轉(zhuǎn)(汽輪發(fā)電機(jī))圈幽擻回麗圖1火電、核電、燃料電池三種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)換過程比較80℃，工作環(huán)境比較安全。固態(tài)燃料聚合物電池被認(rèn)為是燃料電池的發(fā)展方向，它具有外型尺寸小、功率大、無腐蝕、使用壽命長等特點(diǎn)。以下對燃料電池的分類、電池原理以及燃料電池、儲氫材料和氫儲存系統(tǒng)的發(fā)展作一介紹。1燃料電池的分類燃料電池主要由能促使燃料(陽極)和氧化劑(陰極)起催化作用的電極和在兩極之間傳導(dǎo)離子的電解質(zhì)等組成。由于燃料電池的工作條件(尤其是溫度)和電極的成分在很大程度上取決于電解質(zhì)，所以一般根據(jù)使用的電解質(zhì)類型來對燃料電池進(jìn)行分類。下面對幾種燃料電池作一簡介：(1)堿性燃料電池(AFC)該電池用含水的氫氧化鉀(KOH)溶液作電懈液，以純氫為燃料，以純氧為氧化劑。堿性燃料電池為空間軌道飛行器提供電力。堿性燃料電池的工作溫度121．1℃，效率為77％，也可用空氣作氧化劑，但要求從空氣中除去CO2。研制鋁燃料電池是美國能源部的一個(gè)發(fā)展項(xiàng)目。(2)離子交換膜燃料電池(PEMFc)亦稱固體聚合物燃料電池(SPFC)。該電池與其他電池的不同之處在于它采用碳氟化物離子交換膜作為電解質(zhì)代替流動(dòng)的電解液。工作溫度低于100℃，室溫下就可引出有用的電功率。此外，這種電池尺寸較小，重量較輕．經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展后價(jià)格還可更加低廉。(3)固體氧化物燃料電池(SOFC)。該電池是一種緊湊的高溫陶瓷裝置，工作溫度為1000℃。其效率隨所用的燃料和氧化劑不同而變化，用碳?xì)浠衔锖脱鯐r(shí)，效率為55％。(4)磷酸燃料電池(PAFC)該電池的工作溫度約1767℃。用碳?xì)浠衔锶剂虾鸵貉?，效率?0％；用碳?xì)浠衔锖涂諝猓蕜t為41％。(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)該電池的工作溫度約6489"C，效率為58％__65％，研制風(fēng)險(xiǎn)較低，但功率密度也低。熔融碳酸鹽型燃料電池中，用固體氧化物作電解質(zhì)的燃料電池在國外被稱為第二代燃料電池。業(yè)已取得巨大進(jìn)展并有希望商業(yè)化的，是可熔融碳酸鹽型燃料電池，它與磷酸(鹽)型相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)簡單、成本低廉等。2燃料電池原理之所以稱之為燃料，是因?yàn)槟芰康膩碓词且恍┛扇紵镔|(zhì)的化學(xué)能。經(jīng)過電池內(nèi)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽娀瘜W(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物和燃燒過程的最終產(chǎn)物相同?，F(xiàn)代燃料電池的基本結(jié)構(gòu)象普通電池一6ZHONGWAICHUNBOKEJI中外船舶科技1997年第1期樣，也具有正、負(fù)兩個(gè)電極以及電池內(nèi)部傳輸電流所必需的電解質(zhì)。燃料電池電解液由氫氧化鉀或氫氧化鈉的堿性溶液組成，也可由酸性溶液(如磷酸溶液)或各種能以氫氧離子、氫離子形式攜帶電流的陶瓷和聚臺體組成。氫一空氣燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示。電動(dòng)機(jī)圈2氫一空氣燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理示意圖氫和氧分別進(jìn)入電池的陽極和陰極。氫在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氫離子和電子：t-h(氣)一一2H+2一電子通過外電路驅(qū)動(dòng)作功，最終到達(dá)陰極和氧與電解液在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氧離子：1／42O+寺O2十2e～一一2OH一氫離子向陽極遷移．相遇而生成水：H++OH一一一H，O全反應(yīng)過程如下：1H2(氣)+÷02(氣)～一H2O(27'U)燃料電池反應(yīng)的特點(diǎn)是氫和氧直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，是唯一的消耗品，而電池本身并不參與。3燃料電池的進(jìn)展燃料電池作為電池家族的一員，早在150年以前就已問世。1938年，科學(xué)家維利安·格羅布利用電解水的“逆反應(yīng)”，首次將氫和氧還原成水和電流。只是因?yàn)槭艿疆?dāng)時(shí)科技水平的局限，試制出的燃料電池效率過低．體積過于龐大，無法應(yīng)用于工業(yè)及日常生活中，使這項(xiàng)本來可以造福于人類的研究長期沒有什么進(jìn)展。到了本世紀(jì)50年代，科學(xué)家們?yōu)榱藢で髮⑷剂系幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，以提高轉(zhuǎn)換效率，對冷落多年的燃料電池進(jìn)行了多方面的探索，終于在1960年首次將其成功地用于美國的宇航領(lǐng)域。近20年來，能源危機(jī)和環(huán)保問題促使科學(xué)家們研究開發(fā)燃料電池技術(shù)的興趣更趨濃厚，并已取得顯著的成就。在美國，早期的燃料電池是專門為“雙子星座和“阿波羅”宇宙飛船提供電力而設(shè)計(jì)制造的由于飛船在太空運(yùn)行中，必須同時(shí)攜帶燃料電池所需的氫和氧，因而宇宙飛船上專用的燃料電池又稱氫一氧燃料電池，它與氫一空氣燃料電池工作原理完全相同．只不過前者是純氧．而后者是空氣中的氧。太空燃料電池中與電力共生的水是極純的，無需處理就可為宇航員飲用。太空燃料電池造價(jià)極高，一是因?yàn)檫@種電池設(shè)計(jì)和制造要求十分嚴(yán)格，必須保證絕對安全；二是電池電極的催化劑(鉑)價(jià)格昂貴。自從太空燃料電池應(yīng)用成功以來，電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又取得了很大進(jìn)展，費(fèi)用也不斷降低。1973年．在美國通用公司的贊助和支持下．有6O座12．5kW的燃料電池投入大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，用以進(jìn)行先進(jìn)的氣體能量轉(zhuǎn)換研究的目的。潛艇燃料電池是在60年代宇航技術(shù)上ZHONGWAICHUN130KEJI7總第28期中外船舶科技成功應(yīng)用燃料電池后才迅速發(fā)展起來的一種新型動(dòng)力源。由于燃料電池適合用作潛艇的水下動(dòng)力，因此受到各國海軍的重視，很多國家都投入了大量人力和物力進(jìn)行研究，其中美國、日本、德國、瑞典和法國等，都積極投入這一工作。美國是最早研究潛艇燃料電池的國家。1963年開始進(jìn)行氫氧燃料電池反潛潛艇的研究。燃料電池使用由甲醇或氨制成的氫，曾經(jīng)作了2600小時(shí)的陸上試驗(yàn)，后因美國的核動(dòng)力政策，停建了常規(guī)動(dòng)力裝置潛艇，故停止了研制。法國阿斯通公司研制的一種聯(lián)氨一過氧化氫燃料電池其反應(yīng)物分別溶于稀薄的氫氧化鉀中，電池依靠電解液的循環(huán)工作。由于它采用齒輪泵輸送電解液，噪音很大。此外，聯(lián)氨和過氧化氫的運(yùn)行費(fèi)用高，所需電解熱量大．所以潛艇上應(yīng)用比較困難。日本曾用了大量經(jīng)費(fèi)開展?jié)撏剂想姵氐难兄?，?969年起研究氫氧燃料電池，主要研究艇內(nèi)氫氣重整系統(tǒng)、氫源的儲存和循環(huán)系統(tǒng)，但困中間試驗(yàn)體積過大和過于復(fù)雜等技術(shù)上的原因，致使研究中斷。晟后提出八種制氫方案，但僅停留在陸上試驗(yàn)階段。德國對燃料電池的研究一直沒有停止，而且取得重要進(jìn)展。德國工業(yè)集團(tuán)經(jīng)過初步技術(shù)設(shè)計(jì)，便開始研制各種水下系統(tǒng)。在潛艇艙內(nèi)通過低溫合金態(tài)氫化物，貯存大量的氫，在冷凍箱中貯存大量的氧，是一個(gè)全新的技術(shù)突破。1980年，德國IKL公司、霍互茲船廠、費(fèi)斯塔爾和西門子公司組成一個(gè)工業(yè)集團(tuán)，決定在燃料電池的基礎(chǔ)上，發(fā)展一種混合推進(jìn)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，氧以液態(tài)氧(一180℃)的形式貯存在耐壓容器中，氫則存在于(Fe／Ti)合金的氫化合物中目前，最有發(fā)展前途的仍然是2o年前預(yù)測過的堿性、低溫、氫氧型電池。直到現(xiàn)在，研究工作取得效果最好的是德國，1980年開始進(jìn)入研制實(shí)用產(chǎn)品階段。用氫氣和氧氣作為燃料，燃料電池組有六塊電池，每塊電池有70個(gè)電池對，功率為7kw。1984年進(jìn)行了陸上試驗(yàn)，表明電池是安全可靠的。1987年開始用它改裝205型U1潛艇，1988年進(jìn)行了6個(gè)月的海上運(yùn)行，輸出功率為1OOKW，速度5kn。試航結(jié)果表明．燃料電池發(fā)出的直流電，可不經(jīng)過變壓器而直接供電給直流推進(jìn)電機(jī)，也可根據(jù)需要與蓄電池組并網(wǎng)用作動(dòng)力源，還可使蓄電池邊放電邊充電，使?jié)撏Ρ３至己玫淖鲬?zhàn)狀態(tài)l4J。由于燃料電池混合推進(jìn)裝置在潛艇上的成功試驗(yàn)，德國海軍決定在1990年一2∞5年發(fā)展新的U212型燃料電池潛艇12艘，以取代目前的205型、206型和209型J。為了與瑞典在潛艇出口市場上競爭，還要把燃料電池安裝到最新型的2000型出口潛艇上，以供澳大利亞海軍選擇。