🔴各式各样的潜艇AIP装置（4/5）🔻燃料电池（FC）🔻燃料电池通过一个阳极和一个阴极，使用催化剂加速电化学反应，燃料和氧化剂分别连续注入电极，从燃料进入燃料电池单元时刻开始，化学能转化为电能的电化学反应就开始了，燃料单元就有电流输出。燃料电池及其辅助装置统称为电化学发电机。1889年，两个物理学家利用空气和工业煤气制造出了第一个实用化的燃料电池发电装置。其所制造的发电装置使用铂电极，能量转换效率为50%，功率1.5千瓦。1958年，英国剑桥大学的Bacon对燃料电池装置进行了改进，使用了更为便宜的镍网电机取代了之前即为昂贵的铂电极，并且采用了不易腐蚀电极的碱性氢氧化钾电解液替代了稀硫酸溶液电解液，利用氢气和氧气作为燃料。1959年，Bacon制造出了一台功率达5千瓦的燃料电池供电焊机使用。🔻根据电解质性质，燃料电池也分为不同的种类。每种燃料电池需要特定的电极材料及燃料。目前应用最为广泛的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。质子交换膜燃料电池中，电解质为一片聚合物薄膜。电极采用石墨制成，氢流入燃料电池的阳极，裂解成氢离子H+（质子）和电子e-。氢离子通过电解质渗透到阴极，由于聚合物薄膜上有一层能够使质子渗透，但是电子无法通过的磺化四氟乙烯基氟聚合物-共聚物（Nafion）材料。电子通过外部电流回路流动，带动电力负载。达到阴极的氧与电子和氢离子（质子）结合成为水（H2O）。其反应方程为：阳极，2H2→4H++4e-阴极，O2+4H++4e-→2 H2O🔻德国西门子公司对电化学发电机装置进行了长期研究，1967年至1971年，西门子公司进行了25瓦功率的氢氧燃料电池的实验，在取得成功后，制造了100瓦的氢氧燃料电池电化学发电机。随后1983年建造了陆上全尺寸试验台。为了进行实船测试，德国海军对一艘U-205级U-1潜艇（舷号S-180）进行改装，在船体中部嵌入了一段3.8米的电化学发电机装置舱段。改装后的U-1排水量增大了约30吨。动力装置包括两台MTU公司的1200匹马力的柴油机，一台1500匹马力的主推进电机。U-1潜艇的电化学装置采用7千瓦的燃料电池模块，电化学发电机总功率100千瓦。电化学发电机发出的电力可以直接提供给主推进电机或为蓄电池进行充电。采用电化学发电机后，极大的改善了潜艇的技战术水平，不仅可以延长潜艇的水下续航时间，还能在水下持续的为蓄电池组进行充电。🔻1988年，加装了电化学发电机的U-1潜艇开始了为期9个月的适航。潜艇使用电化学发电机进行了连续200海里的潜航而没有浮出水面。电化学发电机的启动时间仅需5秒，而5分钟后即可进行额定功率输出。电化学发电机不仅燃料（氢和氧）存储安全，且反应过程中不会产生噪音，U-1潜艇仅利用电化学发电机对蓄电池充电时间为40-50小时。🔻根据U-1潜艇实际测试获得的数据，德国的潜艇工程师认为电化学发电机装置作为潜艇AIP装置要比斯特林发动机和闭式循环柴油机装置更具备优势。随后，德国对U-209级出口型潜艇加装电化学装置的可行性进行了技术研究。即通过拆除两台柴油机发电机，加装电化学发电机及燃料。🔻自1967年以来，德国已经将209级潜艇出口至14个国家，共建造了50多艘。可谓潜水艇界的出口一哥。希腊海军为其拥有的9艘209级潜艇中的5艘进行现代化改装并且加装电化学发电机。韩国也同样准备为其拥有的9艘209级进行技术升级改造。🔻德国为本国海军独立设计了使用电化学发电机的新型212A级潜艇，替换在役的205级和206级。1998年，212A级的首艇U-31开工建造，该级潜艇长55.9米，宽7米，吃水6米。水面排水量1450吨，水下排水量1830吨，水面航速12节，水下航速20节。212级推进系统由传统柴油机和电化学发电机组成。电化学发电机装置包括青羊燃料电池，14吨氧储存罐和1.7吨氢储存箱。电化学发电机由9组质子交换膜燃料电池模块组成，每组输出功率34千瓦，9组合计306千瓦。利用燃料电池进行驱动时，212级可以在水下不间断航行21天。仅使用燃料电池潜航时，水下航速可达8节，而以4.5节航速进行潜航时，还能为潜艇提供11千瓦的额外供电。续航里程超过1250海里，续航时间278小时。而利用蓄电池和燃料电池共同工作，可以保证水下不间断续航时间364小时，续航里程1638海里。这些数据相比209级提高了4.4倍，极大的提高了潜艇的作战能力和生存水平。🔻在212A级的基础上，还德国还推出了用于外贸的214级潜艇。214级潜艇采用2台2000千瓦的MTU 16V396型柴油机，并且通过安装两套120千瓦的燃料电池模块，水下续航力为14天。韩国订购了3艘214级，并且获得了部分技术转让。希腊海军也订购2艘用于替换之前采购的209级潜艇，以保持其潜艇部队的作战实力。德国研制的212A、214 型潜艇均采用了金属氢化物储存罐技术，该技术比较成熟，但储存罐相当笨重，总重达200吨左右；目前正在探索乙醇、甲醇等化学制氢，这些燃料具有安全性、可靠性高、容易在艇上储存转化等特点，但需要处 理制氢过程中产生的CO2 在高压下隐蔽排放等问题。德国下一代216 型燃料电池潜艇将采用甲醇制氢，同样存在CO2 排放和氢气不纯等难题，因此尚未实现装艇应用。🔻苏联也于20世纪70年代对电化学发电机进行了研究。天青石设计局对613型柴电潜艇进行了改装，通过安装质子交换膜燃料电池电化学发电机为潜艇水下潜航提供动力。普通613型潜艇能够实现2节的水下持续低速航行，续航时间3-7天，而经过改装的613Э型S-273艇可以实现以2.5节的航速进行28天的水下持续航行。S-273艇上安装了一套280千瓦的电化学发电机装置，发电机装置由28个直流燃料电池单元构成。作为苏联的主要继承者，俄罗斯一直没有中断对潜艇AIP装置的研究，俄罗斯最新型的非和动力潜艇——667型“拉达”级及其出口型“阿穆尔”级均有采用AIP装置的技术方案。667型采用全电力推进。动力装置包括两台带整流器的柴油发电机，全工况4100千瓦的永磁推进电机。两组蓄电池组，每组蓄电池由126个单元组成。通过选装电化学AIP装置，可以加速充电时间。并且实现长时间的水下航行。中外舰闻 烽火问鼎计划 每天认识一件兵器
