来源 | 高端装备产业研究中心
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导读：常规潜艇的动力系统需要借助空气中的氧气才能正常运行，为水下作战带来很多困难。为此，人们研制了不依赖空气推进(Air Independence Propulsion，AIP)系统，该系统自带液氧，为水下原动机提供能量源。典型的AIP系统主要有斯特林热机、燃料电池、闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机等，其中以斯特林热机和燃料电池应用最为广泛。燃料电池由于其效率高、耗氧少、无活动部件等优势有取代斯特林热机的趋势。
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种通过氧化还原反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，转换效率多在45%～60%范围内。由于清洁、高效、静音的特点而广泛应用于水下设备。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。由燃料电池组成的AIP由液氧系统、重整制氢系统、储氢系统、燃料电池模快等组成。
在燃料电池工作过程中，燃料和氧气分别由燃料电池的阳极和阴极通入，燃料在阳极上放出电子，电子经外部电路传导到阴极并与氧气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料反应，构成回路，产生电流。不同燃料电池的燃料种类、反应机理、工作温度、应用领域存在差异，通常依据电解质的不同，燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池(PEMFC，德国AIP用)、碱性燃料电池(AFC，俄罗斯AIP用)、磷酸燃料电池(PAFC，印度AIP用)等。德国是全球应用燃料电池AIP最早的国家之一，其现役所有潜艇都是采用的燃料电池AIP，主要是使用西门子公司SINAVY PEM系列的BZM 34和BZM 120。212和212A型潜艇配备9个西门子公司BZM 34(34kW)燃料电池模块，214型配备2个BZM 120(120kW)燃料电池模块。216型潜艇是德国在212、212A、214基础上研制的最新一级柴电+AIP潜艇，由德国HDW公司生产，2018年开始建造，配备4个BZM 120。
216级潜艇AIP动力组合是锂离子蓄电池加上质子交换膜燃料电池AIP系统，这种动力组合不用通气管隐蔽航行，可持续28天。与212A/214级潜艇一样，质子交换膜燃料电池所需的液态氧装在液氧罐内，所用的氢用2台自给自足式重整炉由甲醇制成，采用金属氢化物储氢。
在先前BZM 34和现有BZM 120燃料电池的基础上，西门子公司研发设计了新型BZM evo燃料电池模块，用以优化AIP系统，可装备于212C/D型潜艇。单个BZM evo的标称功率为40kW，未来将能够提供320-480kW的最大功率，具体取决于所选的安装类型和燃料电池模块的数量。
在这些燃料电池中，BZM evo模块通过DC/DC转换器单独连接到潜艇。它可以集成到各种应用中，除了AIP潜艇外，紧凑的模块设计还支持将单个BZM evo模块集成到无人水下航行器(UUV)中。新的BZM evo系列既可用于新潜艇，也可用于改装旧的AIP设备，预计2023年左右投放市场。法国常规潜艇尚未有燃料电池AIP的应用经验，技术还在不断发展中。2019年7月，法国海军集团宣布，他们的潜艇专用FC2G AIP系统取得了突破：顺利完成了模拟作战条件的18天水下巡逻。FC2G AIP代表法国第二代燃料电池不依赖空气独立推进。它包含一个模块，封装为一个大约8m长的专用舱体，适用于新建潜艇或旧艇现代化项目。它与德国216型AIP最大的不同之处是采用了柴油重整制氢，而非甲醇重整。
这次为期18天的测试是在具有代表性的操作条件下进行的，例如：FC2G AIP的主要部件如下图所示，所有组件都集成在具有弹性安装和悬挂支架的专用装置上，以避免对声学特征产生任何影响。
主要特点：海军集团是世界上第一个在潜艇限制下成功进行柴油重整的集团。目标：提高氢气产量并从重整器产生的气体中去除二氧化碳。主要特点：创新、高性能、安静，非常适合潜艇低声学要求。主要特点：最新的PEM燃料电池技术，坚固紧凑，效率高，维护方便。目标：储存氧气并将其提供给AIP系统和潜艇供船员呼吸。20世纪80年代，苏联就为其常规潜艇研制了燃料电池AIP系统，并且进行了海试，装备在“比拉鱼”级特种潜艇上面，这个进度与德国燃料电池AIP系统大致相当。苏联解体之后，俄罗斯经济不振，有限经费集中在核潜艇发展上面，潜艇AIP研制处于停滞状态，“基洛”级潜艇一直没有安装AIP。直到“拉达”级潜艇的研制，燃料电池AIP才重新提上议程。
“比拉鱼”级特种潜艇
“拉达”级的出口型号“阿穆尔”级采用了俄罗斯第二代燃料电池AIP系统——“水晶”(Kristall)27E，为碱性燃料电池系统，采用金属氢化物储氢和液氧的储能方式，同时艇上还配有一套柴电动力装置。燃料电池AIP系统舱段大约长9.8米，功率300kW左右，这个指标与德国212潜艇相当，它可以保证潜艇以3.5节速度在水下活动20天。
俄罗斯“拉达”级潜艇也使用了相似的FC/AIP系统。在“水晶”27E型基础上，俄罗斯又研制了第三代“水晶”型FC/AIP系统，以硼氢化钠储氢，额定功率可达600kw，续航力最长可达90天。2020年后建成的“拉达”级可能已经装备了第三代“水晶”。
除了传统军事强国外，印度也在研发燃料电池AIP系统。印度新型“卡尔瓦里”级潜艇基于法国“鲉鱼”级潜艇研制，由法国设计，印方在吸收相关技术后负责生产，但印度并没有接收法国提供的AIP系统，而是自己研发。该型潜艇首艇“卡尔瓦里”号于2017年12月服役，潜艇水下排水量约1600吨，截止2021年初已经下水3艘，尚未安装AIP。
印度国防研究与发展组织(DRDO)为“卡尔瓦里”级研制的燃料电池AIP多年来，位于印度Ambernath的印度国防研究与发展组织(DRDO)海军材料研究实验室一直与Larsen&Toubro公司(作为主要系统集成商)、Thermax公司以及高级计算开发中心合作，开发基于磷酸燃料电池的本土AIP系统(PAFC)技术。这包括建造一个270kW的陆基原型，该原型将AIP子系统、反应物储存罐和废物储存罐封装在“卡尔瓦里”级舱段内。
“卡尔瓦里”级潜艇中的第二艘——INS Khanderi号，印度海军计划在改装期间将DRDO的磷酸燃料电池AIP系统加装到该潜艇。2021年3月，DRDO在开发本土燃料电池AIP系统方面取得了一个重要里程碑，在3月9日的一份声明中，印度国防部(MoD)表示，陆基AIP原型机在3月8日完成的测试中“根据用户要求在耐力模式和最大功率模式下运行，达到设计指标。该技术已成功开发并且已达到安装到目标潜艇的成熟阶段”。预计在不久的将来，“卡尔瓦里”级将会加装燃料电池AIP舱段。燃料电池的热效率可以达到50%以上，耗氧量只有其它AIP的一半左右，且没有机械部件静音性能很好，是未来潜艇AIP的主要技术发展方向。除了技术成熟的德国以外，法国、俄罗斯、印度等国都在研发燃料电池AIP系统，部分已经进入海试及工程应用阶段。未来，燃料电池将会成为常规潜艇的主流AIP系统。[1] Naval Group Achieves Breakthrough With Its FC2G AIP System.[2] Naval Group - Submarines: DCNS unveils fuel cell AIP[3] DRDO completes test milestone for fuel cell AIP system.[4] Siemens presents the new variable BZM evo series for underwater applications.[5] Russia Developing New Fuel-Cell Air Independent Propulsion System for Submarines.[6] Indian Navy Submarines Move Closer To AIP Game Changer.[7] DRDO\\\'s AIP System For Indian Submarine | Indian submarines to become more lethal.－ The End －
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