燃料
電池,是近20年各國AIP潛艇項目中熱衷研究采用的新型能源。
德國最早開發(fā)的潛艇燃料電池系統(tǒng),選擇直接儲存氫的方式,也開發(fā)了使用甲醇燃料的燃料電池。其他企業(yè),例如加拿大貝拉德動力系統(tǒng)公司(BallardPowerSystem,BPS)為加國海軍購自英國的維多利亞級柴電潛艇,開發(fā)了特種燃料電池,以柴油進行甲醇化合作用,來獲得氫氣。
燃料電池是以氫氣、氧氣進行電化學反應(又稱冷燃燒,ColdCombustion),由陽極(Anode)、陰極(Cathode)、電極外的觸媒層、電解質(zhì)(Electrolyte)、分配燃的流場板(Gasdistributor)以及電收集器(CurrentCollector)組成。運轉(zhuǎn)時時,燃料電池系統(tǒng)向陰極供應燃料(氫),向陽極供應氧化劑(氧氣)。在陰極上,氫分解成氫離子和電子,氫離子進入電解液中,而電子則沿外部電路移向陽極。在陽極上,氧與電解液中的氫離子以及抵達陽極的電子結(jié)合,這正是水的電解反應的逆過程。電化反應進行時,陰極移往陽極的電子提供船艦所需的電能,驅(qū)動潛艇電動機,進而推進潛艇進行航行。產(chǎn)生的水或其他氣體產(chǎn)物則予以排出。
燃料電池就像內(nèi)燃機一般,只要補充燃料(提供氫)與氧化劑就能不斷地運作,而傳統(tǒng)蓄電池耗盡后則需進行逆反應,也就是充電。相比傳統(tǒng)硫酸電池,燃料電池在電池耗盡前電位差都不會改變。傳統(tǒng)硫酸鉛蓄電池運作時因為電解質(zhì)濃度不斷下降,提供的電壓遂不斷降低。因為在潛艇上不便更換電解質(zhì),傳統(tǒng)電池在潛艇上有著很大的缺點。
燃料電池的燃料──氫的來源可為直接儲存(包含液態(tài)儲存或金屬儲氫)、來自其他化學物質(zhì)(如甲醇、乙醇溶液)經(jīng)由重整來取得氫等等。有一種獲得氫氣的選擇是透過柴油化合獲得,理論上能讓潛艇的燃料單純化,因為與潛艇柴油主機共用燃料,不過實際上一般柴油的純度無法滿足重整獲得足夠氫氣的需求,仍需要特制的高品質(zhì)柴油。
依照電解質(zhì)種類,現(xiàn)階段燃料電池可分為可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(Pro噸ExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)、鹼性燃料電池(AlkalineFuelCell,AFC)、磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)等低溫燃料電池,操作溫度介于攝氏80至200度;此外,還有能用空氣當作氧化劑、用天然氣或甲烷當作燃料的熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)與固態(tài)氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,SOFC),這屬于高溫燃料電池,工作溫度在攝氏500至1000度,固態(tài)氧化物燃料電池不需要觸媒。
質(zhì)子交換膜燃料電池是潛艇大國在考慮的一種新科技。它在陰、陽極之間使用一種質(zhì)子傳導膜當作電解質(zhì),負責傳導陰陽兩極之間的帶電離子,并隔離兩極的反應物。因此,質(zhì)子交換膜不僅負責傳輸氫離子,還必須降低其他中性氣體的滲透率,阻止陰陽兩極產(chǎn)生的氣體交流反應,進而危害整個電池系統(tǒng),這在潛艇上極為重要。
質(zhì)子交換膜由多孔性的固態(tài)高分子所構(gòu)成,其本身并不導電,不過必須是離子的良導體,必須同時具有高的離子導電性、良好的尺寸安定性、高耐熱性、長期電化反應下的穩(wěn)定性、低電滲透牽引力(ElectricosmosisDrag),并能與觸媒使用的結(jié)合劑相容。
對于潛艇應用來說,質(zhì)子交換膜燃料電池具有體積小、重量較輕、運作時溫度與腐蝕性低(易于選擇制作材料)、能在室溫下工作、壽命長、啟動迅速、功率易于調(diào)整等特性,成為燃料電池發(fā)展的主流。
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