A. 潛艇用的動力燃料一般是什麼
真正長期地潛游於水下，以發揮其隱蔽的特。常規潛艇以柴電推進系統作動力，只能在水下航行幾天就必須浮出水面，採用柴油機推動，同時給蓄電池充電，這對提高潛艇的隱蔽性極為不利。不能設想將所有的潛艇都採用核動力推進，也不能設想無限制地增大柴油機功率和蓄電池容量，因此，尋找不依贛空氣的常規潛艇推進系統，一直是許多國家追求的目標。潛艇用AIP系統基本類型有：燃料電池、斯特林發動機系統、閉式循環柴油機系統和小型核動力裝置。以上眾多不依賴空氣的動力裝置中，哪種最有前途，未來的常規潛艇採用哪種最為合適，這要根據潛艇的使命任務和各種不依賴空氣系統的性能、結構、體積(重量)、經濟性、安全性等指標綜合考慮才能決定。德國海軍為了研製2000年以後新一代的常規潛艇，對已進入實用階段的各種不依賴空氣的推進系統的信號特徵、艇主尺度、潛水深度、性能限制、燃料供應、維修、適應性、研製周期、研製經費和設備采購費等一系列性能、指標進行了分析比較，認為燃料電池和閉式循環柴油機最為優越。對這兩種推進系統的性能參數和優缺點再作進一步的比較後．他們認為兩種系統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、熱擴散小、雜訊低、研製周期短、實用性更強。據資料估算，對於輸出功率1MW的柴油發電機和燃料電池系統，整個使用期間費用均需560萬英磅…，但燃料電池總功率高、熱擴散小、雜訊低、研製周期短、實用·陛更強，因此，德國海軍決定支持在新一代的潛艇上發展燃料電池系統。燃料電池有以下優點：燃料電池是一種由化學能直接轉換為電能的電解轉換裝置，系統除燃料／空氣供給泵外，無轉動機械部件；不會產生象柴油燃燒後所剩下的燃料殘渣，因此，沒有必要在潛艇上使用壓縮機將殘渣壓出艇外，因而沒有噪音據對美國40kW級燃料電池系統韻測定結果，距離10英尺處的雜訊只有68dB_2J。紅外特徵弱，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電機，無需配置發電機和變壓器等能量轉換機構．因而也無機械能和電能的損耗，裝置效率可高達50％～60％，而柴油發電機僅25％～35％…1，這樣，可提高艦艇的續航力。圖1所示為火電、核電和燃料電池三種發電方式的能量轉換過程比較。由於燃料電池能量轉換過程的直接性，使得它的轉換效率大為提高氫氧燃料電池唯一的副產品是水及熱量：水可以貯存利用，無需排污設備；燃料余熱可以加以利用，幾乎無熱量損耗。整個系ZHONGWAICHUNBOKEJI總第28期中外船舶科技統結構緊湊。水在能量轉換過程中作為反應產物保留在潛艇艙內，這樣．可以確保系統的整個重量不變。燃料電池能量轉換溫度低，僅70一鍋爐(燃燒)匡—蕊(棱反應)旋轉(汽輪發電機)圈幽擻回麗圖1火電、核電、燃料電池三種發電方式能量轉換過程比較80℃，工作環境比較安全。固態燃料聚合物電池被認為是燃料電池的發展方向，它具有外型尺寸小、功率大、無腐蝕、使用壽命長等特點。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的發展作一介紹。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離子的電解質等組成。由於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於電解質，所以一般根據使用的電解質類型來對燃料電池進行分類。下面對幾種燃料電池作一簡介：(1)鹼性燃料電池(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。鹼性燃料電池為空間軌道飛行器提供電力。鹼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。研製鋁燃料電池是美國能源部的一個發展項目。(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於它採用碳氟化物離子交換膜作為電解質代替流動的電解液。工作溫度低於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．經進一步發展後價格還可更加低廉。(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，用碳氫化合物和氧時，效率為55％。(4)磷酸燃料電池(PAFC)該電池的工作溫度約1767℃。用碳氫化合物燃料和液氧，效率為50％；用碳氫化合物和空氣，效率則為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％，研製風險較低，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的燃料電池在國外被稱為第二代燃料電池。業已取得巨大進展並有希望商業化的，是可熔融碳酸鹽型燃料電池，它與磷酸(鹽)型相比有很多優點，如設計簡單、成本低廉等。2燃料電池原理之所以稱之為燃料，是因為能量的來源是一些可燃燒物質的化學能。經過電池內復雜的電化學反應，化學能直接轉變為電能，電化學反應的最終產物和燃燒過程的最終產物相同。現代燃料電池的基本結構象普通電池一6ZHONGWAICHUNBOKEJI中外船舶科技1997年第1期樣，也具有正、負兩個電極以及電池內部傳輸電流所必需的電解質。燃料電池電解液由氫氧化鉀或氫氧化鈉的鹼性溶液組成，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台體組成。氫一空氣燃料電池的結構及原理如圖2所示。電動機圈2氫一空氣燃料電池的結構及原理示意圖氫和氧分別進入電池的陽極和陰極。氫在陽極發生氧化反應，生成氫離子和電子：t-h(氣)一一2H+2一電子通過外電路驅動作功，最終到達陰極和氧與電解液在陰極發生還原反應，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全反應過程如下：1H2(氣)+÷02(氣)～一H2O(27'U)燃料電池反應的特點是氫和氧直接進行化學反應，是唯一的消耗品，而電池本身並不參與。3燃料電池的進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，科學家維利安·格羅布利用電解水的「逆反應」，首次將氫和氧還原成水和電流。只是因為受到當時科技水平的局限，試制出的燃料電池效率過低．體積過於龐大，無法應用於工業及日常生活中，使這項本來可以造福於人類的研究長期沒有什麼進展。到了本世紀50年代，科學家們為了尋求將燃料的化學能直接轉化為電能，以提高轉換效率，對冷落多年的燃料電池進行了多方面的探索，終於在1960年首次將其成功地用於美國的宇航領域。近20年來，能源危機和環保問題促使科學家們研究開發燃料電池技術的興趣更趨濃厚，並已取得顯著的成就。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計製造的由於飛船在太空運行中，必須同時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．而後者是空氣中的氧。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。太空燃料電池造價極高，一是因為這種電池設計和製造要求十分嚴格，必須保證絕對安全；二是電池電極的催化劑(鉑)價格昂貴。自從太空燃料電池應用成功以來，電池的結構設計又取得了很大進展，費用也不斷降低。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模的實驗，用以進行先進的氣體能量轉換研究的目的。潛艇燃料電池是在60年代宇航技術上ZHONGWAICHUN130KEJI7總第28期中外船舶科技成功應用燃料電池後才迅速發展起來的一種新型動力源。由於燃料電池適合用作潛艇的水下動力，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製成的氫，曾經作了2600小時的陸上試驗，後因美國的核動力政策，停建了常規動力裝置潛艇，故停止了研製。法國阿斯通公司研製的一種聯氨一過氧化氫燃料電池其反應物分別溶於稀薄的氫氧化鉀中，電池依靠電解液的循環工作。由於它採用齒輪泵輸送電解液，噪音很大。此外，聯氨和過氧化氫的運行費用高，所需電解熱量大．所以潛艇上應用比較困難。日本曾用了大量經費開展潛艇燃料電池的研製，從1969年起研究氫氧燃料電池，主要研究艇內氫氣重整系統、氫源的儲存和循環系統，但困中間試驗體積過大和過於復雜等技術上的原因，致使研究中斷。晟後提出八種制氫方案，但僅停留在陸上試驗階段。德國對燃料電池的研究一直沒有停止，而且取得重要進展。德國工業集團經過初步技術設計，便開始研製各種水下系統。在潛艇艙內通過低溫合金態氫化物，貯存大量的氫，在冷凍箱中貯存大量的氧，是一個全新的技術突破。1980年，德國IKL公司、霍互茲船廠、費斯塔爾和西門子公司組成一個工業集團，決定在燃料電池的基礎上，發展一種混合推進系統。在這種系統中，氧以液態氧(一180℃)的形式貯存在耐壓容器中，氫則存在於(Fe／Ti)合金的氫化合物中目前，最有發展前途的仍然是2o年前預測過的鹼性、低溫、氫氧型電池。直到現在，研究工作取得效果最好的是德國，1980年開始進入研製實用產品階段。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個電池對，功率為7kw。1984年進行了陸上試驗，表明電池是安全可靠的。1987年開始用它改裝205型U1潛艇，1988年進行了6個月的海上運行，輸出功率為1OOKW，速度5kn。試航結果表明．燃料電池發出的直流電，可不經過變壓器而直接供電給直流推進電機，也可根據需要與蓄電池組並網用作動力源，還可使蓄電池邊放電邊充電，使潛挺保持良好的作戰狀態l4J。由於燃料電池混合推進裝置在潛艇上的成功試驗，德國海軍決定在1990年一2∞5年發展新的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。