燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)(AIP)將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，直接轉(zhuǎn)換成電能，輸出的直流電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)槳軸，推進(jìn)潛艇航行。AIP系統(tǒng)一般分四種：1.閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD/AIP）除了進(jìn)、排氣系統(tǒng)與普通柴油機(jī)不同外，其工作原理與目前常規(guī)動(dòng)力潛艇所使用的普通柴油機(jī)是一樣的。其工作原理是：用潛艇自帶的氧氣代替空氣中的氧，將廢氣中的二氧化碳經(jīng)過(guò)冷卻和吸收后排到艇外，部分二氧化碳作為工質(zhì)參加循環(huán)工作；同時(shí)用氫氣取代空氣中的氮?dú)猓纳蒲h(huán)氣體的燃燒質(zhì)量。其具體工作流程是：將氧氣和氫氣按一定比例混合成相當(dāng)于空氣成分的氣體輸入到柴油機(jī)的氣缸中，然后柴油與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的熱能推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)械能。燃燒后的廢氣從柴油機(jī)排出，溫度大約在350-400℃ 之間，主要成分是二氧化碳、水蒸氣、氬氣和部分氧氣。這些廢氣經(jīng)過(guò)噴淋冷卻器被冷卻到100℃左右，其中的水蒸氣被冷卻成水，剩余廢氣進(jìn)入一個(gè)吸收器。二氧化碳與吸收器噴淋的海水混合并被吸收，由海水管理系統(tǒng)排出艇外。這套系統(tǒng)與柴油機(jī)的工作深度、潛艇下潛深度均無(wú)關(guān)系。部分經(jīng)過(guò)處理的廢氣補(bǔ)充氧氣和氫氣后，再進(jìn)入柴油機(jī)參加循環(huán)工作，整個(gè)過(guò)程均使柴油機(jī)在閉式循環(huán)的工況下工作，可由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)控制并管理。技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)　其一，是將廢氣中的水蒸氣和二氧化碳排出是實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)的關(guān)鍵所在。其中水蒸氣可以通過(guò)冷卻成水加以解決，但是二氧化碳的吸收排除卻是難中之難，主要方法是堿溶液吸收法、再生吸收劑吸收法和海水溶解法，其中最好的應(yīng)是海水溶解法，原料取之不竭，用之方便，實(shí)現(xiàn)難度較小。其二，是使柴油機(jī)在使用循環(huán)氣體的情況下能保證足夠的燃燒質(zhì)量，產(chǎn)生足夠大的功率。雖然循環(huán)氣體中的二氧化碳經(jīng)過(guò)吸收排除，但是整個(gè)循環(huán)氣體中二氧化碳的濃度依然很高，勢(shì)必影響柴油機(jī)的效率，因此通過(guò)加入少量氬氣來(lái)克服。主要的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)　柴油機(jī)技術(shù)成熟，性能比較可靠，壽命長(zhǎng)，目前此AIP系統(tǒng)所用柴油機(jī)可以是標(biāo)準(zhǔn)的潛艇用柴油機(jī)，制造和裝配技術(shù)非常成熟，工作壽命要比其他AIP系統(tǒng)的主機(jī)時(shí)間長(zhǎng)；燃料可以通用，此 AIP 系統(tǒng)所用柴油與普通常規(guī)潛艇所用的一樣，可廣泛采購(gòu)，不存在后勤供應(yīng)問(wèn)題；隨時(shí)可以在閉式循環(huán)和開(kāi)式循環(huán)兩種工況下進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵撓到y(tǒng)所用柴油機(jī)與普通柴油機(jī)一樣，所以可以進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，增加潛艇使用的靈活性；由于可以使用大量成熟技術(shù)，且水上、水下均可使用，耗油率較低，維修費(fèi)用相對(duì)較低，因此是AIP系統(tǒng)中最經(jīng)濟(jì)的一種形式；工作不受潛艇下潛深度影響。存在的缺點(diǎn)和不足　工作效率低、氧氣消耗量大、排出的熱量多，按13000海里的續(xù)航能力計(jì)算，一艘209型潛艇采用燃料電池僅需攜帶15噸左右的液氧，而采用閉式循環(huán)柴油機(jī)、則需30噸左右的液氧；產(chǎn)生的噪聲大，閉式循環(huán)柴油機(jī)采用的是普通柴油機(jī)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件較多，工作過(guò)程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲較大，雖然可以采取降噪技術(shù)將噪聲降低到安靜航行時(shí)的水平，但是總體上比采用燃料電池噪聲要大；系統(tǒng)輸出功率受到限制，因?yàn)槭艿綕撏У脑肼暱刂浦笜?biāo)的限制，一般要求每臺(tái)普通柴油機(jī)的輸出功率≤500千瓦，因此閉式循環(huán)柴油機(jī)的輸出功率很難再增加。目前德國(guó)、荷蘭、意大利和英國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)研制此類AIP系統(tǒng)。1993年，德國(guó)在退役的205級(jí)潛艇U-1號(hào)上成功試驗(yàn)了250千瓦的閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)，并將眼光投向大量出口國(guó)外的209型潛艇的改裝上，擬用一個(gè)附加耐壓艙段來(lái)安裝AIP系統(tǒng)，以插入方式加到209潛艇中，這樣可使?jié)撏伦罡吆剿俨蛔儯吕m(xù)航時(shí)間增加4-5倍，水下4.5節(jié)航速可連續(xù)航行386小時(shí)，續(xù)航力接近1800海里。荷蘭和意大利也先后成功試驗(yàn)了閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)，準(zhǔn)備用于對(duì)現(xiàn)役潛艇進(jìn)行改裝或用于新建的常規(guī)動(dòng)力潛艇。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（SE/AIP）系統(tǒng)與閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)大致相同，最主要的不同就是發(fā)動(dòng)機(jī)。SE/AIP系統(tǒng)使用的是熱氣機(jī)，而CCD/AIP系統(tǒng)使用的是閉式循環(huán)柴油機(jī)。熱氣機(jī)的構(gòu)想是英國(guó)科學(xué)家羅伯特·斯特林于1816年率先提出來(lái)的，它是一種由外部熱源加熱，并將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱機(jī)，其循環(huán)是一種閉式、采用定容下回?zé)岬臍怏w循環(huán)，簡(jiǎn)稱斯特林循環(huán)，其具體工作原理是：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上室為熱室，它與另一活塞的下室相連，四個(gè)缸相互連接在一起，具體的是1號(hào)缸上部的熱室與2號(hào)缸下部的冷室相連，2號(hào)缸上部的熱室與3號(hào)缸下部的冷室相連，3號(hào)缸上部的熱室與4號(hào)缸下部的冷室相連，4號(hào)缸上部的熱室與1號(hào)缸下部的冷室相連，互相差90°角。它們使工作氣體在熱室和冷室之間來(lái)回移動(dòng)，使活塞運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在水下續(xù)航狀態(tài)下工作，與蓄電池并聯(lián)，向推進(jìn)電機(jī)、全艇輔機(jī)及其他用電設(shè)備供電。技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)　主要在于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的水下燃燒系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)所使用的氧化劑是純氧，燃燒方式為燃?xì)庠傺h(huán)，并且是在高于周圍海水壓力的高壓情況下進(jìn)行燃燒。主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)　機(jī)械噪聲與振動(dòng)較小。因?yàn)樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)是一種從外部對(duì)內(nèi)部氣體工質(zhì)連續(xù)加熱使之做功的活塞式往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒過(guò)程中沒(méi)有柴油機(jī)的爆燃現(xiàn)象，燃燒過(guò)程平穩(wěn)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)較小，但是有些斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的部件依然采用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械，所以在裝備潛艇時(shí)仍要加裝雙層隔振系統(tǒng)以減小水下噪聲。廢氣排放方便，當(dāng)熱氣機(jī)的燃燒壓力為22公斤/厘米2時(shí)，廢氣水下排放不需要閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)的龐大水管理系統(tǒng)，在潛深200米內(nèi)可以自主排放，即使增加潛深也只需要小型壓縮機(jī)協(xié)助。當(dāng)燃燒壓力小于20公斤/厘米2時(shí)，廢氣水下自主排放的深度要相應(yīng)減小。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放深度與燃燒壓力有關(guān)，這也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。缺點(diǎn)和不足　功率較低，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由于其自身固有的低功率密度的特點(diǎn)，因而決定了整個(gè)AIP系統(tǒng)的功率密度小于CCD/AIP系統(tǒng)。如果要加大功率，需要配幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但這又影響到整個(gè)潛艇的布局與使用，實(shí)現(xiàn)功率突破難度較大；燃油消耗量較大，目前要高于普通柴油機(jī)。當(dāng)前，在SE/AIP系統(tǒng)較有建樹(shù)的國(guó)家是瑞典。瑞典考庫(kù)姆公司從上世紀(jì)60年代末就開(kāi)始斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，目前已經(jīng)成功研制出71千瓦的 V4-275R 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備于1995年2月2日下水的“哥特蘭”號(hào)潛艇，并使之成為世界上第一艘裝備SE/AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇，這也標(biāo)志著斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。近年來(lái)，日本也從瑞典引進(jìn)了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的建造技術(shù)，用于裝備或改裝海上自衛(wèi)隊(duì)潛艇。2.閉式循環(huán)汽輪相系統(tǒng)閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)（MESMA/IP）系統(tǒng)主要由4個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成：液氧儲(chǔ)存罐、燃料儲(chǔ)存罐及一、二回路系統(tǒng)。其中燃料通常選擇乙醇，存放在儲(chǔ)存罐中的橡膠袋中；一回路系統(tǒng)包括高壓燃燒室、熱交換機(jī)、冷凝器；二回路系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽輪機(jī)、冷凝器。具體工作原理及過(guò)程：將儲(chǔ)存在絕熱罐中的低溫液氧送到加熱器中加溫呈氣態(tài)，乙醇和氣態(tài)氧在高壓燃燒室里燃燒，燃?xì)馔ㄟ^(guò)蒸汽發(fā)生器后大部分被冷卻，這些經(jīng)冷卻的燃?xì)庵匦禄氐饺紵遥糜诶鋮s煙道壁，調(diào)節(jié)燃燒壁壁溫，使其保持在1000℃以下，同時(shí)稀釋乙醇/氧氣的混合氣體，使其燃燒溫度保持在700℃的最佳狀態(tài)。一小部分未經(jīng)冷卻的燃?xì)庥行┲苯优懦鐾猓行┮砸簯B(tài)方式儲(chǔ)存在艇內(nèi)。水在蒸汽發(fā)生器吸收燃?xì)鉄崃亢笞兂筛邷馗邏赫羝瑴囟冗_(dá)500℃ ，壓力大約為18公斤/厘米2，這些蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)和整流機(jī)組產(chǎn)生直流電，為推進(jìn)系統(tǒng)提供能量。水蒸汽冷凝成水后，返回蒸汽發(fā)生器，完成循環(huán)過(guò)程。技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)　主要在于此系統(tǒng)的液氧采用的是高壓儲(chǔ)存（60公斤/厘米2）或者低溫低壓儲(chǔ)存（﹣185℃，2-10公斤/厘米2） ，無(wú)論液氧儲(chǔ)存罐置于何處，必須要經(jīng)得起5g的沖擊。因此液氧儲(chǔ)存罐應(yīng)安裝在低頻主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)　功率大，可滿足潛艇水下航行需要，法國(guó)在為巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B級(jí)潛艇上所安裝的 MESMA/AIP系統(tǒng)的功率為200千瓦；燃燒產(chǎn)物的排放非常隱蔽，由于燃燒時(shí)的壓力較大，燃燒產(chǎn)物的壓力也較大，不需要使用其他機(jī)械系統(tǒng)加壓就能自動(dòng)排出艇外，相應(yīng)也就減少了潛艇的自噪聲；另外使用氣泡分裂系統(tǒng)使排出的二氧化碳?xì)馀轀p小，提高廢氣的海水溶解度，如果情況危急，可將燃燒產(chǎn)物進(jìn)行冷凝儲(chǔ)存在艇內(nèi)，此舉將大大提高潛艇的隱蔽性。缺點(diǎn)和不足　整個(gè)系統(tǒng)非常龐大，輔助機(jī)械設(shè)備較多，此AIP系統(tǒng)主要部件有燃燒室、蒸汽發(fā)生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、渦輪交流發(fā)電機(jī)、各類泵，所以系統(tǒng)安裝布置比較困難，需較大艙室空間，這直接影響此AIP系統(tǒng)的實(shí)用性；熱效率低、經(jīng)濟(jì)性較差，此AIP系統(tǒng)的氧消耗量比閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD/AIP）系統(tǒng)要高15%左右，同時(shí)在相同水下續(xù)航力的條件下，乙醇所占容積要比CCD/AIP系統(tǒng)多一倍，而且所有系統(tǒng)部件都需要特殊的設(shè)計(jì)，投資較大，經(jīng)濟(jì)性差。目前法國(guó)是在MESMA/AIP系統(tǒng)上取得進(jìn)展最大的國(guó)家。1988年以來(lái)，法國(guó)就使用400千瓦燃燒室平臺(tái)進(jìn)行該系統(tǒng)的試驗(yàn)，并且取得較大進(jìn)展，已進(jìn)入實(shí)用階段。1994年，巴基斯坦從法國(guó)艦艇建造局訂購(gòu)了3艘“阿戈斯塔”90B級(jí)潛艇，這三艘潛艇將安裝法國(guó)自主研制的MESMA/AIP系統(tǒng)，這將大大提高巴基斯坦的水下作戰(zhàn)能力。除此之外，德國(guó)MTU公司也在加大對(duì)MESMA/AIP系統(tǒng)的研究力度，其使用的燃料將是柴油，功率也會(huì)增大到700千瓦，一旦研制成功，將會(huì)大大提高M(jìn)ESMA/AIP系統(tǒng)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。3.燃料電池系統(tǒng)燃料電池（FC/AIP）系統(tǒng)是最具競(jìng)爭(zhēng)力的AIP系統(tǒng)，它是直接將反應(yīng)物質(zhì)化學(xué)能用電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)換為電能的能量供應(yīng)系統(tǒng)。主要組成部分有燃料電池及其儲(chǔ)存設(shè)備和轉(zhuǎn)換器、氧化劑及其儲(chǔ)存設(shè)備和轉(zhuǎn)換器、控制裝置。其中燃料電池主要種類有堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸燃料電池、固體氧化物電解燃料電池等，其中最有前途的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中的氫/氧燃料電池的工作原理實(shí)際上就是電解水的逆過(guò)程。質(zhì)子從陽(yáng)極移到陰極，在陰極氧氣反應(yīng)形成陰離子，陰離子與透過(guò)薄膜的氫陽(yáng)離子反應(yīng)生成水。這種燃料電池采用鉑作催化劑的氣體擴(kuò)散電極，其負(fù)載量為4毫克/平方厘米，碳板用作導(dǎo)電體。電池雙極板之間的冷卻裝置將水從系統(tǒng)中排出。一定數(shù)量的電池模塊通過(guò)串、并聯(lián)方式組成燃料電池裝置，這只是一種單純的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成與一般電池有很大差別。在此系統(tǒng)中，反應(yīng)物質(zhì)及其存儲(chǔ)裝置與能量轉(zhuǎn)換裝置是相互獨(dú)立的。燃料電池的大小決定系統(tǒng)的輸出功率，與儲(chǔ)存能量多少無(wú)關(guān)；反應(yīng)物質(zhì)多少?zèng)Q定系統(tǒng)儲(chǔ)存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲(chǔ)存能量，只需增大反應(yīng)物質(zhì)及其存儲(chǔ)裝置，無(wú)須增大能量轉(zhuǎn)換裝置，即燃料電池。反應(yīng)物質(zhì)用完后，補(bǔ)充反應(yīng)物質(zhì)即可，無(wú)需更換燃料電池。主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)　能量轉(zhuǎn)換效率很高，燃料電池通過(guò)電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽∪チ藷釞C(jī)發(fā)電時(shí)所必須經(jīng)過(guò)的“燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能”復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過(guò)程，減少了能量損耗，理論上的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100%，實(shí)際效率可達(dá)到70%；對(duì)外熱輻射較少。由于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量損耗較少，所以相應(yīng)的散熱也少，這就有效的降低了潛艇的熱輻射，減小被敵紅外探測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)的幾率；噪聲較小，燃料電池系統(tǒng)由于直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此本身并無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此工作過(guò)程中非常安靜，可以使得潛艇在航行時(shí)獲得極佳的隱蔽性；系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、制造加工很方便，由于系統(tǒng)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此就沒(méi)有磨損造成的故障，同時(shí)對(duì)于零部件的加工要求低，也便于制造加工，通過(guò)集中控制裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)輔助系統(tǒng)的控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；過(guò)載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定功率的2倍，而柴油機(jī)等熱機(jī)卻沒(méi)有這么大的過(guò)載能力，因此裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇可進(jìn)行短時(shí)的加速航行；系統(tǒng)配置靈活，便于安裝，燃料電池是由若干個(gè)電池單元串、并聯(lián)而成，可根據(jù)潛艇內(nèi)部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對(duì)于動(dòng)力裝置需要功率范圍寬而效率高的要求。缺點(diǎn)和不足　燃料危險(xiǎn)性非常大，易發(fā)生險(xiǎn)情，目前的燃料電池只能用純氫作燃料，純氫的加工提取工作異常復(fù)雜，且在潛艇狹小空間內(nèi)，純氫一旦發(fā)生泄漏，濃度超過(guò)極限易發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)性很大；系統(tǒng)比功率較小，目前質(zhì)子膜燃料電池的比功率只有100瓦/公斤，比之柴油機(jī)的300瓦/公斤相差較遠(yuǎn)，要想達(dá)到相同功率，燃料電池所需重量要大于柴油機(jī)等；工作壽命短、價(jià)格較高，目前的質(zhì)子膜燃料電池的工作壽命只有5000小時(shí)，距離40000小時(shí)的目標(biāo)壽命相距較遠(yuǎn)，同時(shí)其價(jià)格也是柴油發(fā)電機(jī)組的3-6倍，約為3000美元/千瓦，不是一般國(guó)家海軍可以承受了的。4.核電混合推進(jìn)系統(tǒng)（SSN/AIP）的研制工作也在不斷推進(jìn)和深入，加拿大在此類AIP系統(tǒng)的研究方面走在了世界各國(guó)的前面，其研制的AMPS型核電混合推進(jìn)系統(tǒng)即將邁入實(shí)用階段，這種只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改裝就可使常規(guī)潛艇變成小型核潛艇的動(dòng)力系統(tǒng)日益引起各國(guó)海軍的注意。但必須指出的是，目前無(wú)論哪種AIP系統(tǒng)，其輸出功率均不能滿足常規(guī)潛艇水下最大航速航行的需求。只有將AIP系統(tǒng)與當(dāng)前潛艇的“柴電”動(dòng)力裝置組合在一起，構(gòu)成混合推進(jìn)裝置才具備實(shí)用價(jià)值。AIP系統(tǒng)只有在作戰(zhàn)情況下使用，作為輔助動(dòng)力系統(tǒng)，延長(zhǎng)潛艇水下續(xù)航時(shí)間和航行距離，擴(kuò)大水下活動(dòng)范圍。而在一般情況下，還需“柴電”動(dòng)力裝置作為主要推進(jìn)系統(tǒng)。無(wú)論怎樣，AIP系統(tǒng)使得常規(guī)潛艇可以在敵情威脅嚴(yán)重的情況下取消通氣管狀態(tài)，減少暴露幾率，提高隱蔽性，一旦裝備潛艇后，無(wú)疑將會(huì)使現(xiàn)代常規(guī)潛艇的攻防作戰(zhàn)能力得到大幅提升。

標(biāo)簽：動(dòng)力什么AIP