氫燃料電池與AI技術(shù)賦能綠色海洋國防

作者：周彧，林桂圣

指導(dǎo)教師：苗政培

（海南大學(xué)，海洋科學(xué)與工程學(xué)院，?？?，570228）

海洋，作為覆蓋地球71%表面的廣闊領(lǐng)域，不僅是生命的搖籃，更是現(xiàn)代國防的重要戰(zhàn)略高地。隨著全球政治與軍事格局的不斷變化，海洋國防的技術(shù)革新顯得尤為重要。然而，海洋環(huán)境的極端條件，如深海的高壓、高鹽、高濕與極寒缺氧等，給傳統(tǒng)動力系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在這樣的環(huán)境下，傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)不僅笨重、低效，且極易損壞。進(jìn)入21世紀(jì)，氫燃料電池與人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)的耦合，為海洋國防領(lǐng)域帶來了前所未有的突破，開啟了綠色、智能的海洋新篇章。

一、海洋國防動力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

長久以來，海洋國防動力系統(tǒng)面臨著諸多棘手難題，能量密度與續(xù)航問題首當(dāng)其沖（圖1）。傳統(tǒng)動力系統(tǒng)能量儲備有限，這就像給遠(yuǎn)航的戰(zhàn)艦、潛艇帶上了“緊箍咒”，限制了它們在廣闊海洋上的活動范圍和執(zhí)行任務(wù)的時長。而燃料供應(yīng)也成為一大挑戰(zhàn)，在遠(yuǎn)離陸地補給點的茫茫大海上，如何穩(wěn)定地為動力系統(tǒng)補充燃料是保障軍事行動順利進(jìn)行的關(guān)鍵（圖1）。

圖1 海洋國防動力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

此外，海洋尤其是深海環(huán)境極為惡劣，高鹽高濕極寒的條件對動力系統(tǒng)的可靠性發(fā)起了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，金屬在這樣的環(huán)境下容易腐蝕，電子設(shè)備也可能出現(xiàn)故障，時刻威脅著國防裝備的正常運行（圖1）。

二、氫燃料電池的潛力與優(yōu)勢

氫燃料電池作為一種綠色能源技術(shù)，憑借其高能量密度和長續(xù)航能力，為解決海洋國防動力系統(tǒng)的難題提供了理想方案（圖2）。與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)相比，氫燃料電池的優(yōu)勢顯而易見——其工作過程中只產(chǎn)生水，不排放溫室氣體或有害物質(zhì)，對于脆弱的海洋生態(tài)環(huán)境和日益嚴(yán)峻的氣候變化問題，具有重要意義。

圖2 氫燃料電池電堆及其結(jié)構(gòu)示意圖

在潛艇的應(yīng)用中，氫燃料電池展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)潛艇相比，氫燃料電池潛艇能夠在水下持續(xù)航行更長時間，無需頻繁上浮補充燃料，從而提高了作戰(zhàn)的隱蔽性與靈活性。此外，氫燃料電池幾乎不產(chǎn)生噪音，這對于軍事作戰(zhàn)中的隱蔽性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的燃料系統(tǒng)常常發(fā)出較大的噪聲，容易被敵方的聲吶探測到，而氫燃料電池則如同“隱形衛(wèi)士”，為潛艇提供了更高的生存能力。

更值得一提的是，氫燃料電池還具備能量自給的特性。通過與海水制氫技術(shù)相耦合，它可以從取之不盡的海水中獲取燃料——氫氣。這就好比在海上建立了一座“移動的能源工廠”，無需依賴陸地補給，有效解決了燃料供應(yīng)問題，讓海洋國防裝備在遠(yuǎn)離本土的海域也能保持充足的動力，極大地拓展了作戰(zhàn)半徑和任務(wù)執(zhí)行能力。而且，氫燃料電池適用于大中小各類作戰(zhàn)設(shè)備，無論是威風(fēng)凜凜的大型戰(zhàn)艦，還是靈活機(jī)動的小型艦艇，亦或是執(zhí)行特殊任務(wù)的水下無人潛航器，都能借助氫燃料電池的強大動力，發(fā)揮出各自的作戰(zhàn)優(yōu)勢，具備綜合作戰(zhàn)能力。

三、氫燃料電池與AI技術(shù)的****耦合

然而，氫燃料電池要在海洋國防領(lǐng)域大顯身手，還面臨著一個關(guān)鍵問題——在深海高鹽高濕極寒環(huán)境中的可靠性。在這樣惡劣的環(huán)境下，燃料電池的膜電極很容易受到損害，影響其性能和使用壽命。為了解決這一難題，科研人員巧妙地借助了AI技術(shù)，開啟了一場科技創(chuàng)新的奇妙之旅。

科研人員計劃開發(fā)適用于“高鹽高濕極寒”深海環(huán)境的燃料電池膜電極，具體的做法是構(gòu)建耐深海環(huán)境的催化劑載體結(jié)構(gòu)和膜電極結(jié)構(gòu)。在這個過程中，機(jī)器學(xué)習(xí)和模擬仿真發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。機(jī)器學(xué)習(xí)就像是一位不知疲倦的“數(shù)據(jù)偵探”，它能夠?qū)Ａ康牟牧蠑?shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和燃料電池性能數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘。通過不斷學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以預(yù)測不同結(jié)構(gòu)的催化劑載體和膜電極在深海環(huán)境下的性能表現(xiàn)，找出最有可能具備高可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

模擬仿真則像是一個“虛擬的深海實驗室”，科研人員可以在計算機(jī)中模擬出真實的深海環(huán)境，讓設(shè)計好的膜電極結(jié)構(gòu)在這個虛擬環(huán)境中接受各種極端條件的考驗（圖3）。通過模擬，他們可以直觀地觀察膜電極在高鹽高濕極寒環(huán)境下的反應(yīng)，比如是否會發(fā)生腐蝕、離子傳導(dǎo)是否順暢等。如果發(fā)現(xiàn)問題，就可以及時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，避免在實際實驗中浪費大量的時間和資源。

圖3 耦合模擬仿真和AI技術(shù)預(yù)測氫燃料電池最優(yōu)設(shè)計

這種耦合機(jī)器學(xué)習(xí)和模擬仿真進(jìn)行預(yù)測，開發(fā)耐深海環(huán)境的催化劑載體結(jié)構(gòu)和膜電極結(jié)構(gòu)的方法，實現(xiàn)了“仿真驅(qū)動開發(fā)”的正向設(shè)計。它打破了傳統(tǒng)的試錯式研發(fā)模式，大大提高了研發(fā)效率和成功率。就像在建造一座跨海大橋之前，先在電腦中搭建一個虛擬模型，測試各種設(shè)計方案在海風(fēng)、海浪沖擊下的穩(wěn)定性，找到最佳方案后再進(jìn)行實際建造，既節(jié)省了成本，又提高了工程質(zhì)量。

四**、未來展望：智能、綠色、可靠**

當(dāng)氫燃料電池與AI技術(shù)成功攜手，應(yīng)用于海洋國防領(lǐng)域時，一幅令人振奮的未來藍(lán)圖徐徐展開。在未來的海戰(zhàn)中，裝備氫燃料電池和AI智能控制系統(tǒng)的戰(zhàn)艦和潛艇，將以更低的能耗、更長的續(xù)航在海洋上自由馳騁。AI技術(shù)可以實時監(jiān)測燃料電池的運行狀態(tài)，根據(jù)作戰(zhàn)需求和環(huán)境變化，智能調(diào)整電池的輸出功率，實現(xiàn)能源的高效利用。同時，它還能及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，提前進(jìn)行預(yù)警和維護(hù)，確保裝備的可靠性和安全性。

在近海防御方面，小型無人艦艇和水下機(jī)器人將充分利用氫燃料電池的低噪音和長續(xù)航優(yōu)勢，在巡邏、偵察等任務(wù)中發(fā)揮重要作用。借助AI技術(shù)，它們能夠快速識別并跟蹤可疑目標(biāo)，為保護(hù)海洋領(lǐng)土提供重要保障。

展望未來，氫燃料電池與AI技術(shù)的融合不僅提升了海洋國防裝備的性能，還推動了裝備的綠色轉(zhuǎn)型。這一發(fā)展趨勢不僅能夠更好地保障國家的海洋權(quán)益，還為保護(hù)海洋環(huán)境、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。隨著這兩項技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將在不久的將來，為我國海洋國防事業(yè)注入更強大的動力，提升我國海洋國防的智能化、綠色化作戰(zhàn)能力，為我國的海洋安全筑起一道堅實的屏障。