战舰世界：AIP系统的新发展潮流——燃料电池

常规潜艇AIP系统在热气机（斯特林发动机）取得成功后，虽然有不少国家采用了这种系统，但是热气机的效率太低，功率较小，装艇运用还是有很多限制，目前热气机技术领域中国已然领先于世界，但是作为一种往复式外燃机，其技术水平已接近极限。

采用热气机的瑞典A-19型潜艇

作为传统潜艇强国的德国，较为敏锐地看到了这一点，并且凭借自身较为先进的科技水平，在AIP发展中选择了效率更高但是技术难度也更大的燃料电池作为发展对象。德国建成服役的212型潜艇，就采用了燃料电池和高效低噪声永磁推进电机，最新式电子器件和控制技术。

采用燃料电池的德国212型潜艇

燃料电池原理较为简单，但是将其实用化却会面临一系列高难度技术问题，好在德国凭借雄厚科技实力，已经将其解决。燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置。它是由氢气和氧气进行化学反应，产生电热和水。潜艇上的燃料电池，一般采用氢氧燃料电池，使用的氢气可用多种方法制取，如金属氢化物制氢，**重整制氢等。所用氧气一般以液氧方式储存在艇上。

碱性燃料电池原理

1980年，德国吕贝克研究所和霍瓦兹船厂联合开发碱性燃料电池功能模块，研制金属氢化物和储存装置，西门子公司研究燃料电池本体。1987年，霍瓦兹船厂改装了205型潜艇U-1号，加装6.5米长的燃料电池舱段。1988年夏开始了9个月的海上试验。试验证明，燃料电池运行安全可靠，作战性能有很大提高。

PEM燃料电池原理

1992年底，西门子公司完成了聚合物电解质膜（PEM）燃料电池的研究工作。这种电池的主要性能是：每块电池的功率为35-70KW，电压60-70V，电流600-1500A，额定负载值效率为59%，20%额定负载时效率70%，运行温度80℃，工作压力2bar。该型电池的寿命长，并且无碱性燃料电池的电解液腐蚀问题，因此该型燃料电池特别适用于潜艇。随后西门子公司进行多轮改进，研制了功率更大的PEM燃料电池。

西门子公司研制的120KW潜用燃料电池

PEM燃料电池系统主要由燃料电池组、氢气和氧气供给系统、冷却系统和副产物水排出系统等。氢气以金属氢化物储存在罐内，当氢化物受热时放出氢气，经过几万次金属氢化物陆上脱氢试验，证明这种循环过程是稳定的。212型潜艇采用的是长5米，直径0.5米的储存罐，储存罐布置在潜艇耐压壳和非耐压壳之间。212型采用的燃料电池功率为34KW，在仅用300KW燃料电池运行时，水下航速达8节。

大修中的212型潜艇，注意其耐压壳和非耐压壳之间的液氧罐和储氢罐

此外俄罗斯也选择燃料电池作为AIP主攻方向。苏联时期曾经长期研发闭式循环柴油机系统，但是在设计677型潜艇时，苏联决定放弃闭式循环柴油机，转而研发燃料电池。。1988年10月，苏联海军进行了装燃料电池的“卡特兰”号潜艇试验。1991年俄罗斯海军又在865型（“比拉鱼”级）潜艇上试验成功了低温氢氧燃料电池。

677型的AIP系统，注意树立的蓝色大罐为液氧罐，右边黑色的为储氢罐，中坚夹着的是燃料电池，储氢罐上面是监视控制系统。

计划中的677型（俄军自用型称“拉达”级，出口型称“阿穆尔级”）潜艇采用碱性燃料电池。电池呈圆柱形，总输出功率在100-350KW，300KW时可保证艇的航速3.5节。可见与德国相比，俄罗斯燃料电池技术标准比较低。但是由于苏联解体，红宝石设计局长期经费不足，其研制的“克里斯托-27E”氢氧发电机迟迟未能定型，也最终导致677型成了普通常规潜艇。

677型潜艇

燃料电池有多种优点，但是也有很多技术难题还要解决。首先是系统安全性问题，氢较为活跃，战时不能保证储氢罐安全；其次电池功率调整时间长，潜艇如需突然加速等战术动作，燃料电池难以支持；再就是燃料电池的制造和维护成本也要远高于热气机。所以燃料电池虽然先进，但是采用燃料电池的潜艇远没有采用热气机的多。中国和日本在燃料电池领域也都处在领先地位，但是双方都没有将燃料电池装艇，也是出于这些考虑。

但是燃料电池却代表了新的发展方向，相信在不久的未来解决了燃料电池的固有问题后，这种AIP将会成为主流的潜用辅助动力系统。