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2024/02/29 

軍事論壇

【軍事論壇】潛艦電池日新月異 應用穩定可靠
銀鋅電瓶最早應用是在航太科技產業,穩定的電壓輸出為其特性,可提供比鋰離子電池多40%運行時間,因採用水基化學物質,可避免鋰系電池在充放電時所發生令人困擾熱失控現象。 (取自EaglePicher Technologies網站)

◎雲陽

 對傳統柴電潛艦而言,蓄電池幾乎就是最核心裝備。而核子動力潛艦即便是以核子反應爐為主要動力來源,但艦上仍配備有柴油發電機和大量蓄電池作為輔助系統。因此不論是核子動力潛艦或傳統柴電潛艦,電池都是不可或缺的裝備。潛艦使用鉛酸蓄電瓶,在基本構造、工作原理上與車用蓄電池無太大差異,只是體型和容電量不同,潛艦用鉛酸蓄電瓶的體積通常至少半個人高。鉛酸蓄電瓶由於性能穩定可靠,製造材料易於取得且成本低廉,加上結構簡單易於維護,壽限符合成本效益且可重複使用等特性,所以自一戰起,潛艦都是以鉛酸蓄電瓶為大宗。現代傳統柴電潛艦,視噸位和設計差異,會配備數百顆鉛酸蓄電瓶,是潛艦內佔據極大空間與重量的次系統之一。

 鉛酸電池即使長期使用而屆臨壽限,可不必整組報廢丟棄,通常其蓄電能力下降到無實用價值,但可以藉由電極修護和補充更換電解液翻新,達到延壽目的。整體而言,鉛酸蓄電瓶擁有極長使用壽命,此特性有利於降低總體成本。目前現役法國奧古斯塔級、瑞典哥特蘭A19級、荷蘭海象級等,都還是使用鉛酸蓄電瓶。

銀鋅電瓶具性能優勢

 目前世界上潛艦用的蓄電池除鉛酸蓄電瓶外,還包括銀鋅電瓶和鋰系電池。二者均具有較優性能而更適合潛艦,但均因成本較高而未能如鉛酸電瓶廣泛使用。銀鋅電瓶屬於氧化銀電池範疇,氧化銀電池原為具有高能量重量比的一次性電池,因其以鋅做陽極,銀的氧化物做陰極,而礙於銀的價格昂貴因此應用受限,大多以鈕扣電池型式(類似水銀電池,但兩者並不相同)在商業市場流通,但也有大型客製化設計版本,雖然成本較高,但氧化銀電池在放電期間保持幾乎恆定電壓到完全耗盡的優異性能,就成本考量相對有利。

 而銀鋅電瓶也具有氧化銀電池的大部分特性,是目前已知所有電化學電源中能量最高的電池之一,是在鋰系電池技術前,具有最高能量密度的電池種類,長期以專業用途為主,目前更在開發可為柔性電子應用設備提供電源的銀鋅電瓶,將電池反應物藉由印刷或化學沉積方法直接整合到如聚合物、甚至紙張,讓這類柔性基材成為電子應用產品。另在實驗室以不同於氧化銀原理製成的新型銀鋅技術,還可提供比鋰離子電池多40%運行時間,因採用水基化學物質,可避免鋰系電池在充放電時所發生令人困擾熱失控現象。

 特製的氧化銀電池在軍事領域如魚雷、潛艦或深海潛水器也都是成功應用案例。美國海軍於1950年代初期,建造命名為青花魚號(USS Albacore,AGSS-569)研究用實驗潛艦。該艦於1953年8月1日下水,1953年12月6日服役。採用當時最新式「淚滴型」設計的青花魚號直到1972年9月1日除役為止,進行降低噪音外型與材質、尾舵設計、聲納系統、反轉雙俥葉、大容量銀鋅電池和大功率電動馬達等動力系統的測試,曾創下以33節潛航速度維持1個半小時的紀錄,幾乎直逼核子動力潛艦的性能。後續依青花魚號使用經驗,再建造3艘白魚級柴電潛艦。其他銀鋅電瓶在軍事運用較著名有美國海軍Mark 37潛射魚雷及前蘇聯海軍的651型J級柴電潛艦。近來在尺寸和功率方面具有優勢,銀鋅電瓶在無人水下載具的應用逐漸受到重視。

新興電池技術利弊

  作為潛艦用電池的範疇之一,燃料電池也是受到重視的領域,其為利用氧或其他氧化劑進行氧化還原反應,將燃料中的化學能,轉換成電能的發電裝置。優點是可透過穩定供應氧和燃料,即可持續提供穩定電力,直至燃料耗盡為止,不像一般非充電電池在耗盡電能後就須丟棄,也不像充電電池在用完後須中斷使用以進行充電,而且還可以藉由電池串連擴大發電量,甚至可達到發電廠用的百萬瓦等級。

  目前燃料電池在潛艦的應用以絕氣推進系統為主,通常作為傳統柴電潛艦的輔助動力來源,讓柴電潛艦可在不浮出水面或使用呼吸管情況下,維持在水下運行。燃料電池由於自身無機械活動結構,運行時非常安靜,讓潛艦能維持良好隱蔽性。燃料電池的「添加燃料」模式其實與傳統汽車使用習慣類似,加上工作後產生的廢棄產品通常是二氧化碳和水,符合當前環保意識,因此燃料電池的發展也日趨活絡。

  德國在潛艦用燃料電池運用和技術居領先地位,已開發出質子交換膜燃料電池,又稱固體高分子電解質燃料電池,是以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱能的燃料電池,工作溫度在攝氏50至100度間,無需加壓或減壓,以高分子質子交換膜為傳導媒介,沒有任何化學液體,發電後產生純水和熱,易於排出艦體外,利於隱匿。目前212A型和214型潛艦都安裝9組質子交換膜燃料電池式絕氣推進系統,每組提供30千瓦至50千瓦之間電力。2013年,德國212A型U-32前往美國海域參加海軍演習途中,創下水下18天航行非核子動力潛艦潛航新紀錄。

 目前最受矚目的充電電池技術莫過於鋰系電池,與其他商用充電電池相比,鋰離子電池具有能量密度更高,循環壽命更長的優點,且性能還不斷持續顯著改善與進步。應用在潛艦方面則還屬於新興領域,因鋰系電池放電特性、充電程序和電壓等均迥異於鉛酸蓄電瓶,還潛藏安全隱憂,因其內含易燃電解質,會因受壓迫而損壞,或因充電過快而短路導致過熱。目前已知僅有日本海上自衛隊最後2艘蒼龍級和大鯨級是全面使用鋰離子電池的傳統柴電潛艦。柴電潛艦技術執世界牛耳的德國,可能要到下一代發展的216型潛艦才會使用鋰系電池技術。

採成熟技術穩健發展

  由此脈絡分析,當前我國潛艦計畫決定在執行初期建造的前數艘潛艦,先採用成熟度較高的鉛酸蓄電瓶或銀鋅電瓶,實屬合理的考量。畢竟潛艦工業的發展剛起步,相關技術也都還未能全盤掌握,初步必須以穩健為原則,不必要採用本身尚不熟悉的技術。再者,鋰系電池在潛艦的應用,必然是未來的趨勢,但也屬新興領域,所以,必須等國內支援產業與技術更為成熟再適時引進較為妥當。自製潛艦計畫應採螺旋式發展概念,以分批模式建造,在不同批次的艦體上,適時適量運用新改良系統或技術,在執行階段的最終成品,可出現跨代式的全新系統,而且還有機會回溯至前代製品的翻新改良,讓整個建案發揮最高的成本效益,為海軍提供最優質的水下戰力。

(作者為軍事作家)

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