燃料电池AIP潜艇用氢源技术的发展现状及分析
潜艇燃料电池AIP系统技术发展现状
化 剂 输 送 到 燃 料 电池 本 体 电堆 ，通 过 两 种物 质 在 质 子 交换 膜 两 侧 催 化 剂 表 面 进 行 化 学 反 应将 化 学 能直 接 转 化 为 电能 。在 高速 航 行 时 ， 以柴 电系 统 作 为潜艇 的动 力源 ；低速 航行 时 ， 以 Ｆ ／ Ｉ Ｃ Ａ Ｐ系统 作 为动力源 。
（ ｈ ｎＩ ｓｉ ｔ ｆ ａｉｅＥｌｃｒ ｏ ｕ ｓ ｎ ＣＳ Ｃ， Ｗ ｕ ａ ３ ０ ４ Ｃｈｎ ） Ｗｕ ａ ｔ ｕｅｏ Ｍ ｒｎ ｅｔｉ Ｐｒｐ ｌｉ ， Ｉ ｎ ｔ ｃ ｏ ｈ ｎ４ ０ ６ ， ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔ ／ ｉ ｐ ｐ ｒ ｂ ｓ ｒ ｃ ｌ ｓｓｅ ｏｆ ｕａｉｎａ ｄ ｔｅｄ ｖｌ ｍｅ ｔ ｆｓ ｂ ａ ｉｅ ｕ ｌ ｅｌ ｉ ｓ ｃ： ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ａ ｉ ｐ ｉ ｉ ｅ ｙ ｔ ｃ ｎ ｇ ｒ ｔ ｎ ｅｅｏ ｎ ｕ ｍ ｒ ｅ ｌ ａｒ ｒ ｈ ， ｃ ｎｐ ， ｍ ｉ ｏ ｈ ｐ ｏ ｎｆ ｃ ｉｄｐ ｎ ｅ ｔ ｒ ｕｓ ｎａｅ ｅ ｉ ｅ ｈ ｓａｃ ｎ ｐ ｌ ａｉｎｏ Ｆ ／ Ｉ ｙ ｔｍ ｏ ｅｓａｉ ｒｌｔ ｅ ｔｒ， ｎ ｅ ｅ ｄ ｎ ｐ ｏ ｌ ｏ ｒ ｖ ｗ ｄ Ｔ ｅ ｅｅｒｈ ｄａｐｉ ｔ ＣＡ Ｐｓｓ ｖｒｅ ａｉ ｌ ｍａｕｅ ｐ ｉ ｒ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｆ ｅ ｓｅ ｖ ｙ
船 电技 术 Ｉ 池 电
潜艇 燃料 电池 ＡＩ Ｐ系统 技 术发 展 现 状
方芳
摘
姚 国富 刘斌
任镍
（ 国船 舶 重 工集 团公 司 第 七 一 二 研 究 所 ， 武汉 ４ ０ ６ ） 中 ３ ０ ４
要 ；本文介绍 了潜艇用燃料 电池ＡＩ系统的基本原理 、系统组成和 国内外潜艇 用Ｆ ／ Ｐ Ｐ ＣＡ１系统技术 的发展现
国外常规潜艇AIP系统技术现状及发展趋势_方晓旻_宋义超
国外常规潜艇AIP系统技术现状及发展趋势方晓旻1，宋义超2(1.海军驻桂林地区军事代表室，广西桂林541000；2.海军装备部驻武汉地区军事代表局,武汉430064)摘要：本文论述了潜艇AIP系统的分类、基本原理、结构组成、技术特点及发展现状，对AIP系统的性能参数和国外AIP潜艇的装备现状进行了比较分析，介绍了FC/AIP系统的技术研究动态和发展方向，提出FC/AIP技术更符合未来常规潜艇超静音、大潜深、长续航力的发展趋势。
关键词：常规潜艇燃料电池FC/AIP SE/AIP中图分类号：U674.76文献标识码：A文章编号：1003-4862（2015）01-0040-05Review on Air Independent Propulsion System Technology forConventional SubmarineFang Xiaomin1,Song Yichao2(1.Naval Representatives Office of PLAN in Guilin,Guilin541000,China;2.Naval Representaives Office of NavalArmament Department of PLAN in Wuhan,Wuhan430064,China)Abstract:The classification,fundamental,configuration,technique characteristics as well as developing status of FC/AIP system for conventional submarine are discussed in detail,and the performance parameter of AIP system and the arming status of AIP submarine of overseas are compared and analyzed,indicating that the FC/AIP technologies are more suitable for satisfying the development trend(super quiet,extreme deep diving,sustainable sailing)of conventional submarine in the future.Keywords:conventional submarine;fuel cell;FC/AIP;SE/AIP0引言不依赖空气推进系统（AIP）是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。
氢能和燃料电池及其船舶应用进展
氢能和燃料电池及其船舶应用进展1.氢能和燃料电池的概念和原理氢能是一种清洁、可再生的能源，其能在氢燃料电池中进行电化学反应，产生电能。
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中最常用的是氢氧化物质和电化学过程。
燃料电池通常由阳极、阴极和电解质三个关键部分组成。
在氢氧化物质中，氢气通过阳极进入电解质，同时氧气通过阴极进入电解质。
在电解质中，氢气和氧气通过电化学反应产生电能，并产生水蒸气作为副产品。
2.氢能和燃料电池在船舶应用中的进展目前，氢能和燃料电池已经在一些船舶上进行了试验和应用。
例如，日本东京电力公司正在试验使用燃料电池供电的巡航船。
这些燃料电池可以提供持续的电力，并且充电时间短，非常适合用于电动船舶。
另外，瑞典的一家航运公司正在研发燃料电池船舶，计划于2024年开始商业运营。
这些船舶将使用氢燃料电池和电动发动机，以减少碳排放和噪音污染。
3.氢能和燃料电池在船舶应用中的未来发展趋势随着氢能和燃料电池技术的不断发展，其在船舶应用中的应用前景也越来越广阔。
未来，氢能和燃料电池船舶有望实现全球航运的零排放，从而帮助减少对化石燃料的依赖，保护环境。
然而，目前氢能和燃料电池船舶仍然面临一些挑战。
首先，氢气的产生和存储需要大量的能源，导致能源效率不高。
其次，燃料电池的成本仍然较高，需要进一步的技术创新和经济支持。
因此，未来的发展需要在技术创新、政策支持以及国际合作等方面加强努力。
例如，继续研发氢燃料电池技术，提高能量转换效率，降低成本。
同时，政府可以通过相关政策和财政支持，鼓励航运公司和造船企业投资氢能和燃料电池船舶。
总而言之，氢能和燃料电池在船舶应用中具有巨大的潜力。
通过进一步的技术创新和政策支持，氢能和燃料电池船舶有望成为未来航运行业的重要发展方向，促进可持续发展和环境保护。
燃料电池的开发现状及其发展前景
燃料电池的开发现状及其发展前景燃料电池（Fuel Cell）是一种等温、并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地（50%～70%）、环境友好地转化为电能的发电装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率汽车动力和发电设备。
虽然在1893年W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，但限于当时的科学技术水平以及能源和环境方面的认识，这一原理并没有被人们重视。
直到20世纪60年代初，由于高技术发展的迫切需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行器和潜水艇。
1965年美国首先研制出第一个离子交换膜电池，并将其作为宇宙飞船的主要能源，用于航天事业上[1，2]。
从此，燃料电池作为一种化学能源，以其独特的优点、优越的性能受到世界各国科学家的重视，并得到了进一步的研究与开发，被列为未来世界十大科技之首[3，4]。
1燃料电池的基本概念1.1基本原理燃料电池的工作原理和普通电池一样，是将燃料氧化反应所释放的化学键能直接转化为电能的一种装置。
与一般电池不同的是，在燃料电池中燃料及氧化剂（空气与氧气）可以连续不断地供给电池，反应产物可以连续不断地从电池排出，同时连续不断地输出电能和热能。
从这个意义上讲，燃料电池可视为一种特殊的发电装置。
图1为燃料电池工作原理示意图[5]。
图1 燃料电池的基本结构和工作原理由图1可知，燃料电池由阳极和阴极组成，在阳极和阴极之间为导离子的电解质，根据电解质的不同而有不同类型的燃料电池。
燃料电池的燃料通常是H2和CO，而燃料电池的氧化剂则可以是空气和氧气。
燃料供入燃料电池的阳极，氧化剂则供入燃料电池的阴极，阳极和阴极都是用多孔的材料制成，以便燃料和氧化剂进行良好的接触。
在阳极上，燃料气体被氢氧化物、氧化物和来自电解质的碳酸盐离子所氧化而生成H2O、CO2并产生电子。
如果在阳极和阴极之间用导线连接，则电子就会从阳极流向阴极，在阴极上氧化剂被来自阳极的电子离子化，生成氢氧化物、氧化物或碳酸盐离子，这些离子通过电解质由阴极流向阳极，从而完成了整个电流的回路。
氢能源技术的发展现状与前景
氢能源技术的发展现状与前景第一章氢能源技术的概述氢能源技术是指利用氢气作为燃料或者电池原料的能源技术。
当前最为广泛应用的氢能技术是燃料电池车以及工业用途。
氢燃料电池利用氢气和氧气发生反应，通过电化学方式产生电能和水蒸气。
与传统的燃烧方式相比，燃料电池具有高效率、无污染和低噪音等优点，是未来发展能源的重要方向。
第二章氢能源技术的发展现状2.1 氢能源技术的发展历程自1970年代以来，氢能源技术得到快速发展。
最早的氢燃料电池用于航空航天领域，如阿波罗太空船。
1990年代，氢燃料电池应用于汽车领域并获得了显著的进展。
如今，欧洲、美洲和亚洲都在积极推动氢能源技术的发展，已经形成了比较完备的技术体系。
2.2 氢能源技术发展现状目前，日本、韩国、美国和中国等国都在大力推进氢能源技术的研究和应用，其中，日本已成为全球氢能源技术的领头羊。
日本自2014年开始推行“氢能社会”计划，目标是到2025年建立约40万个燃料电池汽车充电站和推广约20万辆燃料电动汽车；韩国也在积极推广氢能源技术，计划在2025年之前建立1.2万个燃料电池汽车充电站。
而在中国，氢能源技术的发展也受到了政府的高度重视。
中国已经发布了多项关于氢能源技术和产业的政策和计划，如“国家新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)”和“氢能产业发展路线图(2021-2035年)”，计划到2025年建立100家左右产业链完整的氢能产业集群。
2.3 氢燃料电池汽车的应用现状氢燃料电池汽车已经进入了商业化阶段。
全球范围内已有多个品牌的氢燃料电池汽车上市，如丰田Mirai、本田Clarity和奔驰GLC F-CELL等。
目前，日本和韩国已经建成了较为完善的氢燃料电池汽车充电站网络，并且正在积极扩大规模。
第三章氢能源技术的前景氢能源技术的前景非常广阔。
相较于传统燃料，氢燃料的特点在于其产生的是电能与水，不会产生污染物，发展氢燃料电池技术也能有效减少地球温室气体排放，改善环境状况。
氢能及燃料电池技术发展现状和前景
氢能及燃料电池技术发展现状和前景氢能是一种绿色高效的二次能源，具有来源广、燃烧热值高、清洁无污染、可储存、与多种能源便捷转换等优点，是未来清洁能源的重要组成部分。
从全球看，作为重要技术创新方向的氢燃料电池汽车正逐步成为氢能大规模商业化应用的重要领域。
我国氢能发展处于示范应用初期，未来将在新能源消纳、交通运输领域碳减排等方面发挥重要作用。
新能源制氢技术和氢燃料电池技术成为当前热点氢能是一种绿色、高效的二次能源，具有热值较高、储量丰富、来源多样、应用广泛、利用形式多等特点。
氢能产业链包括制氢、储运氢、用氢等环节。
在制氢方面，2017年全球氢气生产量超过6000万吨，其中96%来自化石燃料，大部分采用天然气和煤油制氢技术;电解水制氢产量仅占4%，制氢成本较高，是化石燃料制氢的两倍多，目前利用可再生能源电解水制氢已经成为新热点。
在储运氢方面，目前普遍采用具备高耐氢和耐压能力的25至35兆帕储氢罐，70兆帕处于示范应用阶段。
管道运输是运氢环节的主要方式，根据麦肯锡公司数据，截至2017年年底，全球共铺设了4284千米输氢管道，其中美国达到2400千米，欧洲约有1500千米。
在用氢方面，大部分局限在工业领域，主要用途是作为化工行业的原材料，其中60%用于合成氨，38%用于炼油和煤炭深加工。
氢燃料电池汽车应用规模不大，但发展快速。
截至2017年年底，全球在运的氢燃料电池汽车超过6000辆，加氢站达到286座，主要集中在美国、日本和德国。
氢能已成为许多国家能源体系的重要组成部分氢能是一种低碳高效的清洁能源，随着全球变暖控制步伐加快，氢能源发展存在迫切需要，市场空间也十分广阔。
目前，发达国家纷纷出台了强有力的氢能及燃料电池扶持政策，其中力度最大、响应最积极的是日本、欧盟和美国，中国、韩国、巴西、加拿大等国家也有相关部署。
美国是氢能发展的先行者。
1970年开始布局氢能技术研发，2002年布什政府制定美国氢能发展路线图，颁布一系列法令，加快氢能产业发展。
船用氢燃料电池推进技术发展趋势
船用氢燃料电池推进技术发展趋势船用氢燃料电池推进技术是利用氢气与氧气通过氢燃料电池产生电能，驱动船只前进的一种新型推进技术。
它具有零排放、高效能和低噪音的特点，成为航运业实现环境友好的重要选择。
随着人们对气候变化和环境污染问题的关注度不断提高，船用氢燃料电池推进技术的发展趋势也变得愈发明显。
首先，船用氢燃料电池推进技术的发展将更加注重高效能。
传统燃料在能量转化过程中会有能量损耗，而氢燃料电池则可以将化学能直接转化为电能，转化效率更高。
因此，未来船用氢燃料电池推进技术将更加注重提高能量转化效率，减少能量损失，以提高船只的行驶能力和续航里程。
其次，船用氢燃料电池推进技术的发展将更加注重可持续发展。
氢燃料电池使用的燃料是氢气，而氢气可以通过再生能源的电解水制备，具有可再生性和可持续性。
未来，船用氢燃料电池推进技术将更加注重利用再生能源来制备氢气，以实现碳中和和可持续发展。
另外，船用氢燃料电池推进技术的发展将更加注重安全性和可靠性。
氢气具有高爆炸性和易泄漏的特点，因此，未来船用氢燃料电池推进技术将更加注重氢气的贮存、输送和使用的安全性。
同时，船用氢燃料电池推进技术还需要确保系统的可靠性和稳定性，以保证船只在各种复杂环境下的正常运行。
此外，船用氢燃料电池推进技术还将与其他技术相结合，实现更多的创新和应用。
例如，可以将氢燃料电池与太阳能光伏板、风能发电等技术结合，实现电能的多源供给；可以将氢燃料电池与锂离子电池等储能技术结合，实现能量的高效储存和利用；还可以将氢燃料电池与智能控制技术结合，实现船只的智能化管理和运行。
综上所述，船用氢燃料电池推进技术的发展趋势将更加注重高效能、可持续发展、安全性和可靠性，并与其他相关技术相结合，实现更多的创新和应用。
随着技术的不断进步和市场需求的不断增加，相信船用氢燃料电池推进技术将在未来的航运业中发挥越来越重要的作用，成为推动航运业可持续发展的关键技术之一。
燃料电池技术的发展现状及未来展望
燃料电池技术的发展现状及未来展望近年来，燃料电池技术成为了能源领域的热门话题。
作为一种新型的清洁能源，燃料电池的发展引起了各方面的关注。
本文将从燃料电池技术的发展现状和未来展望两个方面进行论述，以探讨这一领域的前沿动态。
一、燃料电池技术的发展现状燃料电池是一种通过将氢气或氢气源与氧气进行反应，将化学能转换成电能的装置。
它与传统的化石燃料完全不同，不仅不存在燃烧产生污染物的过程，而且还可以实现高效率、低排放及可再生等优点。
因此，燃料电池被认为是未来能源系统中最有前途的一种清洁能源。
目前，燃料电池技术的发展处于快速变化、快速发展的阶段。
随着科技的不断进步，燃料电池技术也得到了广泛的应用。
其中，最为成熟的是燃料电池轿车，如丰田的Mirai、本田的Clarity和Hyundai的Nexo等。
这些燃料电池汽车的续航里程和加注时间已经越来越接近传统汽油车，市场接受度也在逐步提高。
除了燃料电池轿车外，燃料电池技术在航空、航天、军事和家用等领域也有所应用。
在航空领域，燃料电池可以提高航空器的续航能力、减少重量，并降低空气污染。
在航天领域，燃料电池可以解决航天器长时间供电难题。
在军事领域，燃料电池可以提高军舰的续航时间、隐身能力及对电子设备的供电能力。
在家用领域，燃料电池可以被应用于家庭能源系统和户外使用。
总之，燃料电池技术正以该领域可持续发展的方式，深入渗透到各行各业中去。
二、燃料电池技术的未来展望随着全球环保意识的增强和可再生能源的日益成熟，燃料电池技术的未来前景十分广阔。
下面，我们将从三个方面，即技术、市场和政策，分别进行展望。
技术方面，未来燃料电池的发展重点主要包括三个方面：降低成本、提高效率和提高耐久性。
现阶段，燃料电池的成本仍然较高，是制约其大规模商业化的主要原因。
因此，在未来的技术研究和开发中，需要进一步降低成本，提高效率和耐久性，从而推动燃料电池技术更加广泛应用。
市场方面，未来燃料电池的应用将更加广泛。
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氢密度高的特点，可存储的氢气量比一般金属储氢技术提高
了 2.5 倍。
在常规潜艇应用方面，由于金属储氢技术具有较高的氢
气容积率、易于反复充放、使用也比较安全，且不易被二氧化
碳、二氧化硫、水蒸气腐蚀等优点，2005 年世界上第一艘燃料
电池 AIP 潜艇 212A 型 U31 号下水服役，就装备了德国 HDW
属储氢装置用于 PEMFC 氢罐中，合金质量约 100 kg，贮氢量约 2 kg，开发出的新
型钛系贮氢合金，其贮氢能力是传统 LaNi5 合金的 2 倍以上[3]。 日本汽车研究所、日本重化学及 Samtech 联合开发了金属储氢
和高压储氢相结合的金属储氢新技术，其具有质量和体积储
1 国内外氢源技术的发展现状和趋势
1.1 氢源技术
氢源技术主要分为储氢和制氢。目前氢气储存技术主要 有：高压气态储氢技术、深冷储氢技术、碳质吸附储氢技术和 金属氢化物储氢技术；制氢技术主要是有机化合物储氢技术、 重整制氢技术和甲醇燃料直接进料技术[1]。由于常规潜艇对氢 源有特殊装艇要求[2]，以上技术大多数不适合艇用条件，因此 结合常规潜艇装艇用氢源需求，重点讨论金属储氢技术和甲 醇重整制氢技术。
综
述
燃料电池 AIP 潜艇用氢源技术的发展现状及分析
黄振军， 武晓云， 林志民 (中国船舶重工集团公司 第七一一研究所，上海 201203)
摘要：介绍了燃料电池 AIP 用储氢和制氢技术的国内外发展现状，重点论述了金属储氢和甲醇制氢技术的最新发展趋
势；提出了甲醇制氢是未来燃料电池潜艇氢源的发展方向。
HUANG Zhen-jun, WU Xiao-yun, LIN Zhi-min
Abstract: The technology conditions and latest development status of hydrogen technology and its propulsion system abroad in submarine were introduced, according to the characteristics and operational requirements of the submarine, and the merits and faults of the methanol reforming and metal hydride technology were compared. It is proposed that the methanol reforming is the future development direction of submarine cell AlP system. Key words: hydrogen production; methanol reforming; metal hydride; fuel cell AIP;conventional submarine
放出氢气，储氢合金吸放氢反应式为：
M
+
x 2
H2
¬¾®
MH x
+
Q
(1)
式中： 为反应热，吸氢是放热反应，其逆反应是吸热反应。
德国 HDW(霍瓦茨 - 德意志集团)于十九世纪就开展了艇
用金属储氢技术方面的研究，它采用奔驰的储氢合金技术，制
造出了用于燃料电池储氢用的铁 - 钛储氢合金，使其在金属储
氢技术上处于世界领先地位。日本丰田公司 1996 年首次将金
收稿日期：2017-04-05 作者简介：黄振军(1974—)，男，湖北省人，高级工程师，主要研究 方向为特种动力系统总体研究。
1.1.1 金属储氢技术
(1)国外发展现状和趋势
这项储氢技术是把氢以金属氢化物的形式储存在合金
中，即在一定温度和压力下把金属曝置在氢气中，金属吸收大
量的氢气，生成金属氢化物，在加热条件下，金属氢化物又释
常规潜艇加装 AIP 系统后，大大提高了潜艇的水下续航 力，显著改善了潜艇的隐蔽性，已被公认是 21 世纪常规潜艇 发展的标志性技术之一。目前国内外至今已研发出多种 AlP 系统，其中真正投入使用的主要有：瑞典的斯特林发动机系统 (SE/AIP)、德国的燃料电池系统(FC/AIP)、法国的闭式循环蒸汽 轮机系统(MESMA/AIP)等。其中燃料电池系统因其能量转换 效率高，工作时噪声很小，生成的废气排放物也很少，而受到 用户青睐。但燃料电池装艇亟需解决的主要难题是氢源问题， 由于受储氢和制氢技术水平的限制，以及在常规潜艇密闭、狭 小空间中，如何解决氢源使用、储存等安全性问题，是 20 世纪 70 年代燃料电池未能装艇的“拦路虎”，直到戴姆勒 - 奔驰公 司研制出了储氢合金后，才使燃料电池 AIP 上艇成为可能。为 此本文就上艇氢源技术进行了相关探讨。
制造的储氢合金钢瓶。该钢瓶采用铁 - 钛合金材料，在真空中
2017.11 Vol.41 No.11
1664
综
述
该合金在吸氢时放热，脱氢时吸热，在低温低压下储氢。储氢 合金呈中心圆孔饼状，通过布置在中间的一根脱吸氢用的集 气过滤管将其串联，构成一个完整的储氢材料芯子，整齐叠放 于铝桶之中，外部以耐压钢瓶提供保护(结构图见图 1)。该合 金吸氢量可达合金质量的 2%(质量分数)，单支储氢钢瓶直径 约 0.5 m，长度约 5.2 m，质量约 4 200 kg，其中储存氢大约 84 kg[4]。为了满足 212A 型和 2l4A 型艇燃料电池耗氢量需求，全 艇共配备 38 个储氢钢瓶。由于储氢合金钢瓶的安全性远比罐 装的液、气态氢高，且合金储氢钢瓶组能有效替代部分压铁， 布置于潜艇的耐压壳体外(见图 2)，较好地解决了氢源总体布 置和安全性问题；但由于合金储氢钢瓶组装艇工艺较复杂，氢 气补给要求非常高，需要特殊工装和专业人员进行操作，一般 港口和船坞很难满足其氢的补给要求。
关键词：氢源技术；金属储氢；甲醇制氢；燃料电池 AIP；常规潜艇
中图分类号：TM 911.4
文献标识码：A
文章编号：1002-087 X(2017)11-1664-03
Review of hydrogen technology status and its development trend for fuel cell AlP system in submarine