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世纪是新材料和先进技术迅速发展和广泛应用的时代，是高效、洁净和安全利用新能源的时代，燃料电池作为高效洁净的电源，有着非常广阔的应用前景。燃料电池是一种把化学能直接转化为电能的装置，与传统电池的不同之处在于其不需要反复充电，只需要不断地输入燃料及氧化剂，并将反应产物排出，就可以不间断的提供电能。可以说燃料电池是一种能量转换装置，就像一个自动发电厂一样。通常把用氢元素作为燃料的电池称为氢燃料电池。氢燃料电池由阴极、阳极和电解质构成，阳极为氢燃料，阴极为氧气，反应释放的产物为纯水。氢燃料电池内部反应时不需要热机转换过程，因此不受卡诺循环限制，能量转换效率高，也不需要庞大的机械运转设备，噪声低，不发热,有着优异的红外和噪声特征，因此特别适合于军用。 作为全球典型的高技术军队，美军非常重视新技术和新能源的应用，近年来美国军方就非常重视燃料电池的研发，从为单兵装备供电，到驱动水下无人航潜器和无人机，再到电推动军用卡车等项目，都大量使用氢燃料电池来提供清洁、可靠和高效的供电能力。本文就目前美军正在研发的氢燃料电池技术情况做一简单介绍。 水下无人潜航器的氢燃料电池 水下无人潜航器(UUV)在现代战争中扮演着重要的角色，可以发挥水下侦查、探测及攻击等作用。水下无人潜航器对推进系统的要求是高比能量、安全可靠及噪音特征低等，目前的锂离子电池系统仅仅能提供24小时左右的供电能力，与水下无人潜航器需要持续工作数周的要求相差甚远，因此必须寻找更高比能量的能源推进系统，为此，2017年，美国国防部批准了600万美元经费，计划用5年时间研发水下无人潜航器的静音推进系统。 美国陆军研究实验室研究的水下无人潜航器推进系统使用的是氢燃料电池供电推进系统,其原理示意图可见图1。该系统实现了完全的内部循环，利用高氯酸锂储存氧气，氢的来源为甲醇等。将甲醇裂解后得到氢，与从高氯酸锂中分离出来的氧分别通入到反应堆中进行反应，产生电能。多余的氢会回到燃烧器中燃烧，产生的热量用来预热转化处理器及加热高氯酸锂，以分离氧气。反应产生的水蒸气及热量，通过分段式冷凝器冷凝并排除热量。氢燃料电池堆如图1(右上)所示，经测试表明，每个氢燃料电池堆可以达到400W的功率。 无人飞行器的氢燃料电池 在战时，当需要执行某些非常危险和困难的飞行任务时，通常会选用无人飞行器（UAV或无人机）。无人机能高效地对战场进行战术侦察，并将战场上的图像资料和数据实时回传。在过去的十几年中，各国都发展迅速。但现有的无人机都是由锂离子电池驱动，存在供电能力不足的问题，每次出动任务30分钟左右电量就会耗尽，需要无人机返回充电，所以需要研制供电时间更长、更加安全可靠的氢燃料电池供电系统。 通常情况下，氢燃料电池无人机包括一个安全可靠的储氢装置，并配备一块锂离子电池以应对电流的峰值输出。美军对氢燃料电池无人机的关键技术指标要求包括： ♦氢的来源安全可靠、成本适宜； ♦燃料电池系统必须在5分钟内快速更换，且操作简便； ♦燃料电池系统必须重量轻、安全可靠、燃料添加简便易行、零部件标准化以利于大规模工业生产； ♦必须具备低噪音特征，以便可以在低空飞行； ♦燃料电池及其控制系统必须适应高海拔地区、山区地形； ♦燃料电池生产成本应与锂离子电池成本接近。 加拿大巴拉德公司为美军战术无人机提供的氢燃料电池如图2(左)所示。该款氢燃料电池已经在洛克希德·马丁公司及航空环境等公司的产品中进行了应用，具有适应能力强、安全可靠、重量轻等特点，可以在极端环境中使用，并可执行超视距任务等。 通用公司也在积极参与氢燃料电池的研制，该公司研制的氢燃料电池已广泛应用于120多种军用及民用的电动车中，具备丰富的研发经验和技术积累，图3(左)是该公司为美军无人机配套的氢燃料电池系统，图3为下一代氢燃料电池系统，体积变得更小，性能更加优越，并具备较宽的温度适应范围，具有更加方便的操作系统。在使用氢燃料电池后，可将无人机滞空时间提高至8小时，并且维护简单，着陆后只需要不到15分钟的重新装填，就可以重新执行任务。 轻型作战卡车的氢燃料电池 氢燃料电池的种种优点使其在军用装备的应用变得越来越广泛，例如在作战卡车中的应用也得到了重视。野战条件下夜晚作战时对隐蔽性要求极高，普通车辆发动机产生的热能会使其明显暴露于红外夜视仪中，为应对这种情况，美陆军提出以氢燃料电池驱动车辆的需求。通用公司积极与美国坦克自动驾驶研究发展工程中心合作，研制了一种氢燃料电池驱动的轻型作战卡车。该款卡车选用雪佛兰-卡罗拉为基本车型，改进了悬挂系统，以适应越野要求，同时增加了车身强度，并被命名为ZH2型，见图4。 该款卡车选用了氢燃料电池和传统锂离子电池配合供电的模式，与汽油发动机相比，噪音很低，并且热能排放非常少，主要应用于某些对噪音和热能排放较高的作战环境。传统发动机在仅使用5~6千克的氢燃料后，可以行使200~300英里。ZH2型使用的氢来源于高压储氢罐，为适应战场环境进行了加强设计，可以经受住近距离突击步枪的射击，极大地提高了战场适用性。 该款卡车主要由一台50kW的锂离子电池组供电，电池组可拆卸下来为其他装备供电，电池组电量耗尽后由氢氧燃料电池充电。由于燃料电池反应后副产物是纯水，因此，ZH2型甚至可以实现为士兵们战场供水。ZH2的研制生产经历了10年时间，2017年起,美陆军拟利用1年时间来评估这款轻型作战卡车的军事性能，包括 ♦近静默操作，以增强静默观察能力； ♦降低噪音及红外信号能力； ♦电驱动条件下四轮驱动能力； ♦最低燃料供应条件下的运动能力； ♦副产物水的综合利用。 氢燃料电池通用静音多功能电动平台 通用公司在推出了ZH2型作战卡车后，继续挖掘氢燃料电池在军事中的应用潜力，并于2017年10月推出了氢燃料电池通用静音多功能电动平台(SURUS)计划，如图5所示。 该平台看上去类似重型卡车的后拖挂，利用氢燃料电池进行驱动，采用了无人驾驶系统，电池系统和驾驶系统均置于平台内部，因此平台设计时去掉了车头，运送货物和人员时更加灵活方便，图5给出了其应用示例，例如可以运送集装箱、作战方舱和医疗仓等。该平台可以在崎岖的路面上行驶，越野能力强，理论续航里程400英里(约463千米)。 通用静音多功能电动平台利用了通用公司在燃料电池技术领域深耕50多年的科研和成果,可以很好地在陆地、海上和空中等各种条件下作业，同时可以满足商业化民用及军用要求。目前该平台的测试工作已经幵始进行，以期尽快投入到应用。 单兵可穿戴供电系统 氢燃料电池的另一个应用领域是单兵可穿戴供电系统，理想情况下，战场上每人可以背负相当于自身体重30%的装备，但在多数情况下，士兵们需要背负的作战装备往往超过100镑。美陆军正在准备实施能源更新换代计划，以氢燃料电池替代传统的锂离子电池，以减少士兵50%的负荷，美陆军未来单兵可穿戴供电系统的需求可见图6。 通用公司与美国陆军通信与电子研发和工程中心(CERDEC)合作，推出了一款新型氢燃料电池系统，用作单兵可穿戴系统的电源。该中心为寻找可用的单兵可穿戴氢燃料电池花费了十多年时间，主要原因是为了解决氢源的安全性问题。普通的储氢材料或储氢罐，在受到枪击时会发生爆炸，影响到士兵的生命危险，而且高压储氢罐在野战条件下面对的战场不确定因素太多，无法满足使用要求。本款氢燃料电池使用氢化铝(AlH3)化合物作为储氢材料，氢化铝是一种非常好的储氢材料，只需加热就会持续地释放出氢气，常温下与水和空气不发生化学反应，稳定性高，并且在挤压、过放电和受到枪击等破坏性条件下也非常安全。在通过产品性能测试后，陆军通信与电子研发和工程中心还专门进行了多项安全性测试。 1. 在单兵模块化轻型负载装备中测试了其电性能、热性能以及连接性能。经测试，在室温为20°C左右的条件下，该装备的内部温度约为50°C，外部温度约为30°C左右，证明了该氢燃料电池的实用性。 2. 在32~37°C左右的新泽西沙漠的露天环境中，分别测试了正常使用、广播以及手持设备等小电流条件下的供电保障情况，测试迸行了2天，证明该系统可在较高温度及尘土条件下正常工作，持续工作时间可保持27小时以上。 测试表明，美军士兵对该款燃料电池的性能非常满意，尤其是其小巧、轻薄、易携带，而且不影响战术行动的开展。由于氢化铝的工业制造工艺尚未完全成熟，以及后勤供应保障的问题，该款氢燃料电池还不能立刻装备美军。为此，美国能源部也在积极开展工作，努力降低氢化铝的成本。 该款氢燃料电池可见图7。图7(左下）为通用公司研发的单兵模块化轻型负载装备，图7(左上)为氢化铝储氢罐，图7(上中)为燃料电池，图7(右）为整个燃料电池系统在单兵腰间跨带中的装备情况。 该款氢燃料电池的主要性能指标如下： ♦平均功率为20W，峰值功率为35W(10分钟)； ♦允许在偏远地区进行拆卸和作业； ♦即插即用电池系统； ♦可为其他随身电池充电； ♦单个储氢罐80Wh，可提供811Wh/kg的功率密度； ♦单体电压10~16.8V; ♦可为24小时任务提供300Wh/kg的功率密度； ♦重仅0.92kg; ♦外形尺寸为7.0x8.0x0.81英寸。 小 结 总结近年来美军对氢燃料电池系统的研发和应用情况，我们可以发现以下几个特点。 首先，美军方高层管理部门非常重视并全程参与了研发过程，如美国防部、美陆军研究实验室、美海军研究实验室、美国陆军通信与电子研发和工程中心等。军方高层直接参与研制计划，可以保证作战需求明确，制定的作战技术指标准确，做到科研工作目标统一，有的放矢。在研制后续环节中，军方高层的参与可以高效地安排部队进行适当的试验，甚至某些产品投入到阿富汗和伊拉克战场进行实战检验，使研制部门可以在第一时间拿到第一手的反馈意见和资料并进行改进，极大地提高了产品研发的效率。美军将最新技术应用到装备的决心持之以恒，很多氢燃料电池产品的研发历经十几年时间，这与军方高层的支持是分不开的。 其次，美军氢燃料电池的研发，遵循先易后难，先小后大的原则，从单兵装备和野战携行电源开始，逐步推广到无人机、水下无人潜航器等中等功率的平台，然后再到作战和运输车辆的动力系统，逐步进行技术和经验的积累，为今后大规模利用氢燃料电池技术奠定了基础。美军在氢燃料电池研发中坚持从实战出发，坚持以人为本，把前线士兵的安全和作战要求放在首要位置，不但要求产品必须通过严格的安全性、破坏性试验，同时还要保证单兵战术动作的展开要符合平时的使用习惯，并且方便携带。美军氢燃料电池的发展还坚持研发和试验并行的策略，研制过程中得到的反馈意见能及时反馈到产品改进中，极大地提高了研发效率，缩短了研发周期。 综上所述，氢燃料电池在美军中正逐渐展开应用，未来发展趋势良好。美军的这种模式，有效地保证了其在氢燃料电池军事领域的领先地位,值得我们借鉴。 |
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