| 燃料电池技术及其在舰艇上的应用 |
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作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2007-1-15 21:52:32  |
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摘要:介绍了燃料电池的工作原理、特点、分类及发展状况，分析了当前燃料电池在军舰、潜艇上的应用情况及其技术优势，显示其广阔的应用前景。
关键词:燃料电池，军舰，潜艇
燃料电池被认为是21世纪高效、洁净的新型发电方式之一。由于它解决了资源合理利用和环境污染两大难题，所以，其开发研究受到各国政府和各大公司的重视，随着研发技术的不断突破，燃料电池在发电站、移动电站、微型电源、动力源等方面展露出广泛的应用前景，将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式，并将引发21世纪新能源与环保的绿色革命，另在军事领域也将大有作为。1燃料电池综述 燃料电池(Fuel cell)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成，图1是组成燃料电池的基本单元的示意图。其单体电池是由两个电极以及电解质组成，阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两极之间是电解质。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是催化转换元件。
以质子交换膜燃料电池为例，燃料电池的工作原理如下:
(1)氢气通过管道或导气板到达阳极;
(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子.并释放出2个电子.阳级反应为.
(3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极;
(4)在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水.阴极反应为
总的化学反应如下:
同时，电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不
断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外
电路的负载连续地输出电能。
燃料电池的主要优点是:①不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60%一80%;②洁净，无污染，噪音低，隐蔽性强;③模块结构，适应不同功率要求，灵活机动;④比功率大，比能量高，对负载的适应性能好;⑤可实现热、电、纯水联产。 燃料电池的分类，按工作温度可分低温型(25℃-100℃)、中温型(100℃-500℃)、高温型(500℃一1000℃)及超高温型(大于1000℃);按使用电解质的不同，可分为碱性燃料电池(AFC,Alkaline Fuel cell)、磷酸燃料电池(PAFC，Phosphorous Acid Fuel cell)、固体氧化物电池(SOFC,Solid Oxide Fuel Cell)、熔融碳酸盐电池(MCFC,Molten Carbonate Fuel Cell)和质子交换摸电池(PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。目前，常用电解质作为划分标准，电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。各种燃料电池的技术性能参数如表1所示。
其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)的最大优越性体现在工作温度低，启动快，具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度，可在较大电流密度下工作。因此成为研究和应用的热点。
2、燃料电池发展
1839年，英国物理学家William Grove利用铂丝作为电极，硫酸溶液作为电解质，氢气和氧气作为原料，成功地进行了传统的电解水的逆反应，产生了电流，建立了世界上第一个燃料电池模型。20世纪30年代末，才有燃料电池发电装置的出现。50年代，在国际上兴起了研究热潮。60年代，美国成功地将Bacon型AFc用于Apoll。登月飞行，将PEMFC应用于双子星座宇宙飞船，使燃料电池在航天领域进入实用阶段，也使燃料电池研究进入第一个高潮。70年代，为了解决能源危机，更有效地使用有限的能源，又掀起了开发地面发电装置燃料电池电站的研究。80年代中后期，世界上陆续有兆瓦级PAFC型燃料电池电站投入试验运行。90年代以来，已制造了300余辆燃料电池原型汽车，特别是以PEMFC为动力的电动汽车已经成为世界研究的热点，至今，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池汽车上的研发费用已超过 100亿美元。目前，MCrC、SOFC、PEMrC研究都取得了显著进展，在美国、加拿大、欧洲、日本等国家都有各种类型的电站在运行域试运行，约有250座PAFc机组，35座MCFC电池组，12座SOFC电池组已被安装测试，最大容量已达到11MW。据统计，北美目前大规模应用燃料电池，其市场价值约为2.51亿美元，全球现有1000多家公司从事燃料电池的研发和经营业务，截止2003年初统计，全世界已设置和运行着3800多个燃料电池系统。
20世纪50年代末，我国开始研制燃料电池。70年代，由于宇航事业的推动，我国燃料电池的研究呈现一次高潮。80年代，我国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。90年代，在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展，一些产品已进人准商品化阶段的形势影响下，我国又一次掀起了燃料电池研制开发高潮。中国科学院将燃料电池技术列为“九五”院级重大和特别支持项目，国家科技部将燃料电池技术列为国家“九五”攻关顶目，内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目，并拨款用于研制PEMFC驱动的电动汽车，全面展开了PEMFC的电池材料与电池系统的研究。在“十五”国家科技专项和“863”计划的电动车重大项目中，把燃料电池城市客车列为一个重要子课题。现在，我国研究开发的以PEMFC为动力的城市客车已经驶上街头，该电池最大输出功率可达150kw，电池组的功率密度、燃料使用效率等技术已经达到了国际先进水平。
3燃料电池在军舰上的应用
目前，各种燃料电池的研制风起云涌，其应用已渗透到各个领域，虽然汽车行业首当其冲，但船舶制造业也紧随其后。
燃料电池用作舰载电池，用多个燃料电池分别为不同的舰载系统供电，避免一旦集中式供电系统受损，全舰都无法工作。它的特点是标准化、低噪音、无振动，而且操作简单、易维护，可以减少舰上人员。
英国国防评佑和研究机构对PEMFC在未来海军船只上的应用情况进行了鉴定，计划利用PEMFC在船只停泊时提供1一ZMW的电能。美国Analvtio Power(AP)公司的研究结果表明，PEMFc是符合水面舰艇动力要求的集中动力系统中的最佳方案，随后在美海军的支持下开始研制用于舰艇的10kw的PEMFC系统。荷兰海军的研究表明，如果M型护卫舰的能源供应系统用燃料电池一柴油机混合设计，和平时期节约燃料25%-30%。除了进行可行性论证，荷兰海军还先后完成了Ikw、skw、10kw级的PEMFC设计与试验。进行的倾斜试验、冲击振动试脸等试验表明，这些变化条件对燃料电池性能无明显影响。所以，PEM代在军舰上的应用有很大的发展前景。
美国能源研究公司(ERc)与巴赞钢铁公司高技术部开始进行合作，联合开发舰用燃料电池能源装置。ERC已与美海军签订了研制这种船用燃料电池装置的合同。该系统可使燃料电池装置使用船用柴油作燃料，并确保装置具有高效率和长寿命。所研制的直接式燃料电池系统采用内重整碳基燃油技术，不需要大部分燃料电池系统所用的外部氢气发生装置。
4、燃料电池在潜艇上的应用
目前，常规潜艇装备的是传统的柴油一电力推进系统，水下行驶、推进等所需能量储存在铅酸蓄电池中，潜艇的连续潜航距离，只受制于铅酸蓄电池有限的容量。蓄电池放电后，潜艇必须上浮至通气管状态进行航行，使用柴油机潜航同时给蓄电池充电，因而水下续航力低。上浮充电不仅很容易被对方雷达侦察到，同时，柴油机为蓄电池充电时的噪声，极易被对方水声器材侦察到，使潜艇暴露率高。因此减少通气管航行的次数和时间，增加水下续航能力，降低暴露率，对潜艇的战场生存具有重要意义。为此，提出了采用不依赖空气的动力装置Alp(Air IndependentPr叩ulsion)，以求获得隐蔽和长航性能。
PEMFC工作温度合适，比功率高，工艺相对简单，安全可靠，加上目前各国集中研究开发，技术进步块，因此在多种AIP系统中，PEMFC是最有潜力的。潜艇采用PEM-FC一AIP系统后，其红外特征很小，向海水辐射的能量很少;基本不向艇外排放废物;声特性不超过柴电推进装置，能够进行超安静运行，这些特性使得潜艇的隐蔽性大大提高，具有极强的“隐形”作战能力。PEMFC重量轻、体积小、功率密度高的优点可扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的优点能改善艇员生活条件。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，PEMFC一All，系统续航力最大，并具有成为潜艇单一动力的潜力。因此，PEMFC-AIP系统对提高潜艇的隐蔽性和作战灵活性具有重要的军事意义，PEMFC潜艇有可能成为继传统的柴油机潜艇和核潜艇之后的第三代潜艇。
欧、美、加等国非常重视对PEMFC潜艇的研究。20世纪70年代，PEMFc就被选择用作德国海军潜艇的A正系统。90年代中期以来，加拿大、德国的公司先后接受国防部门的委托建造PEMFC动力潜艇。1997年8月，西门子公司将功率为300kw、重ST的PEMFC堆交付造船厂。该电池组进行1500小时的持续试验后，装于德国海军新型212级潜艇上，并于20(乃年4月下水进行首次试航。它的动力舱采用燃料电池动力系统和柴一电动力系统混合使用的混合动力系统。燃料电池动力系统由燃料电池、液氧贮存柜和气态氢贮存拒等3部分组成。它的燃料电池不用空气，而是将氢燃料和氧化物放到特殊燃烧室内进行电化学反应，直接转换成电能，输出的直流电直接驱动电动机，电动机带动桨轴，推进潜艇航行。每组燃料电池的输出功率为34kw，9组总功率306kw，可使潜艇以4.5节的速度潜航1250海里，戴15、17天，是普通柴电潜艇潜航时间的5倍。它的两种动力系统既可单独使用，又可联合使用。燃料电池动力系统用于水下长时间巡航，柴一电动力系统用于潜艇作战时高速航行。
1991年，俄罗斯在“比拉鱼”型潜艇上试验成功了低温氢氧AFc，积累了丰富的经验，而且考虑到较低的成本，所以他们设计的“阿穆尔”级AIP潜艇选用了AFC，功率达到了390 kw，能保证以水下3.5节的速度持续航行20天。
5结束语
PEMFc作为新一代的发电技术，以特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，其在军事上的应用也引起了各国军事部门重视，美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项必须发展的技术之一。我国在推进具有中国特色的军事变革，适应新时期的军事斗争中，要加快高新技术的研究步伐。PEMFC应用于潜艇、军舰等领域，将大大提高我军的装备水平，其在国防现代化和经济发展中将会起到重要的作用。
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