氢燃料电池与AI技术赋能绿色海洋国防

作者：周彧，林桂圣

指导教师：苗政培

（海南大学，海洋科学与工程学院，海口，570228）

海洋，作为覆盖地球71%表面的广阔领域，不仅是生命的摇篮，更是现代国防的重要战略高地。随着全球政治与军事格局的不断变化，海洋国防的技术革新显得尤为重要。然而，海洋环境的极端条件，如深海的高压、高盐、高湿与极寒缺氧等，给传统动力系统带来了巨大的挑战。在这样的环境下，传统的能源系统不仅笨重、低效，且极易损坏。进入21世纪，氢燃料电池与人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的耦合，为海洋国防领域带来了前所未有的突破，开启了绿色、智能的海洋新篇章。

一、海洋国防动力系统面临的挑战

长久以来，海洋国防动力系统面临着诸多棘手难题，能量密度与续航问题首当其冲（图1）。传统动力系统能量储备有限，这就像给远航的战舰、潜艇带上了“紧箍咒”，限制了它们在广阔海洋上的活动范围和执行任务的时长。而燃料供应也成为一大挑战，在远离陆地补给点的茫茫大海上，如何稳定地为动力系统补充燃料是保障军事行动顺利进行的关键（图1）。

图1 海洋国防动力系统面临的挑战

此外，海洋尤其是深海环境极为恶劣，高盐高湿极寒的条件对动力系统的可靠性发起了严峻挑战，金属在这样的环境下容易腐蚀，电子设备也可能出现故障，时刻威胁着国防装备的正常运行（图1）。

二、氢燃料电池的潜力与优势

氢燃料电池作为一种绿色能源技术，凭借其高能量密度和长续航能力，为解决海洋国防动力系统的难题提供了理想方案（图2）。与传统动力系统相比，氢燃料电池的优势显而易见——其工作过程中只产生水，不排放温室气体或有害物质，对于脆弱的海洋生态环境和日益严峻的气候变化问题，具有重要意义。

图2 氢燃料电池电堆及其结构示意图

在潜艇的应用中，氢燃料电池展现出显著的优势。与传统潜艇相比，氢燃料电池潜艇能够在水下持续航行更长时间，无需频繁上浮补充燃料，从而提高了作战的隐蔽性与灵活性。此外，氢燃料电池几乎不产生噪音，这对于军事作战中的隐蔽性至关重要。传统的燃料系统常常发出较大的噪声，容易被敌方的声呐探测到，而氢燃料电池则如同“隐形卫士”，为潜艇提供了更高的生存能力。

更值得一提的是，氢燃料电池还具备能量自给的特性。通过与海水制氢技术相耦合，它可以从取之不尽的海水中获取燃料——氢气。这就好比在海上建立了一座“移动的能源工厂”，无需依赖陆地补给，有效解决了燃料供应问题，让海洋国防装备在远离本土的海域也能保持充足的动力，极大地拓展了作战半径和任务执行能力。而且，氢燃料电池适用于大中小各类作战设备，无论是威风凛凛的大型战舰，还是灵活机动的小型舰艇，亦或是执行特殊任务的水下无人潜航器，都能借助氢燃料电池的强大动力，发挥出各自的作战优势，具备综合作战能力。

三、氢燃料电池与AI技术的耦合

然而，氢燃料电池要在海洋国防领域大显身手，还面临着一个关键问题——在深海高盐高湿极寒环境中的可靠性。在这样恶劣的环境下，燃料电池的膜电极很容易受到损害，影响其性能和使用寿命。为了解决这一难题，科研人员巧妙地借助了AI技术，开启了一场科技创新的奇妙之旅。

科研人员计划开发适用于“高盐高湿极寒”深海环境的燃料电池膜电极，具体的做法是构建耐深海环境的催化剂载体结构和膜电极结构。在这个过程中，机器学习和模拟仿真发挥了至关重要的作用。机器学习就像是一位不知疲倦的“数据侦探”，它能够对海量的材料数据、环境数据和燃料电池性能数据进行深入分析和挖掘。通过不断学习这些数据之间的复杂关系，机器学习模型可以预测不同结构的催化剂载体和膜电极在深海环境下的性能表现，找出最有可能具备高可靠性的结构设计方案。

模拟仿真则像是一个“虚拟的深海实验室”，科研人员可以在计算机中模拟出真实的深海环境，让设计好的膜电极结构在这个虚拟环境中接受各种极端条件的考验（图3）。通过模拟，他们可以直观地观察膜电极在高盐高湿极寒环境下的反应，比如是否会发生腐蚀、离子传导是否顺畅等。如果发现问题，就可以及时对结构进行调整和优化，避免在实际实验中浪费大量的时间和资源。

图3 耦合模拟仿真和AI技术预测氢燃料电池最优设计

这种耦合机器学习和模拟仿真进行预测，开发耐深海环境的催化剂载体结构和膜电极结构的方法，实现了“仿真驱动开发”的正向设计。它打破了传统的试错式研发模式，大大提高了研发效率和成功率。就像在建造一座跨海大桥之前，先在电脑中搭建一个虚拟模型，测试各种设计方案在海风、海浪冲击下的稳定性，找到最佳方案后再进行实际建造，既节省了成本，又提高了工程质量。

四、未来展望：智能、绿色、可靠

当氢燃料电池与AI技术成功携手，应用于海洋国防领域时，一幅令人振奋的未来蓝图徐徐展开。在未来的海战中，装备氢燃料电池和AI智能控制系统的战舰和潜艇，将以更低的能耗、更长的续航在海洋上自由驰骋。AI技术可以实时监测燃料电池的运行状态，根据作战需求和环境变化，智能调整电池的输出功率，实现能源的高效利用。同时，它还能及时发现潜在的故障隐患，提前进行预警和维护，确保装备的可靠性和安全性。

在近海防御方面，小型无人舰艇和水下机器人将充分利用氢燃料电池的低噪音和长续航优势，在巡逻、侦察等任务中发挥重要作用。借助AI技术，它们能够快速识别并跟踪可疑目标，为保护海洋领土提供重要保障。

展望未来，氢燃料电池与AI技术的融合不仅提升了海洋国防装备的性能，还推动了装备的绿色转型。这一发展趋势不仅能够更好地保障国家的海洋权益，还为保护海洋环境、促进海洋经济的可持续发展做出了贡献。随着这两项技术的不断进步，必将在不久的将来，为我国海洋国防事业注入更强大的动力，提升我国海洋国防的智能化、绿色化作战能力，为我国的海洋安全筑起一道坚实的屏障。

来源: 海南大学科普团队

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