氫燃料電池在美軍的應用

作者：李金峰、郭振、何國庫

21世紀是新材料和先進技術迅速發展和廣泛應用的時代，是高效、潔凈和安全利用新能源的時代，燃料電池作為高效潔凈的電源，有著非常廣闊的應用前景。燃料電池是一種把化學能直接轉化為電能的裝置，與傳統電池的不同之處在於其不需要反覆充電，只需要不斷地輸入燃料及氧化劑，並將反應產物排出，就可以不間斷的提供電能。可以說燃料電池是一種能量轉換裝置，就像一個自動發電廠一樣。通常把用氫元素作為燃料的電池稱為氫燃料電池。氫燃料電池由陰極、陽極和電解質構成，陽極為氫燃料，陰極為氧氣，反應釋放的產物為純水。氫燃料電池內部反應時不需要熱機轉換過程，因此不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，也不需要龐大的機械運轉設備，雜訊低，不發熱,有著優異的紅外和雜訊特徵，因此特別適合于軍用。

作為全球典型的高技術軍隊，美軍非常重視新技術和新能源的應用，近年來美國軍方就非常重視燃料電池的研發，從為單兵裝備供電，到驅動水下無人航潛器和無人機，再到電推動軍用卡車等項目，都大量使用氫燃料電池來提供清潔、可靠和高效的供電能力。本文就目前美軍正在研發的氫燃料電池技術情況做一簡單介紹。

水下無人潛航器的氫燃料電池

水下無人潛航器(UUV)在現代戰爭中扮演著重要的角色，可以發揮水下偵查、探測及攻擊等作用。水下無人潛航器對推進系統的要求是高比能量、安全可靠及噪音特徵低等，目前的鋰離子電池系統僅僅能提供24小時左右的供電能力，與水下無人潛航器需要持續工作數周的要求相差甚遠，因此必須尋找更高比能量的能源推進系統，為此，2017年，美國國防部批准了600萬美元經費，計劃用5年時間研發水下無人潛航器的靜音推進系統。

美國陸軍研究實驗室研究的水下無人潛航器推進系統使用的是氫燃料電池供電推進系統,其原理示意圖可見圖1。該系統實現了完全的內部循環，利用高氯酸鋰儲存氧氣，氫的來源為甲醇等。將甲醇裂解後得到氫，與從高氯酸鋰中分離出來的氧分別通入到反應堆中進行反應，產生電能。多餘的氫會回到燃燒器中燃燒，產生的熱量用來預熱轉化處理器及加熱高氯酸鋰，以分離氧氣。反應產生的水蒸氣及熱量，通過分段式冷凝器冷凝並排除熱量。氫燃料電池堆如圖1(右上)所示，經測試表明，每個氫燃料電池堆可以達到400W的功率。

無人飛行器的氫燃料電池

在戰時，當需要執行某些非常危險和困難的飛行任務時，通常會選用無人飛行器（UAV或無人機）。無人機能高效地對戰場進行戰術偵察，並將戰場上的圖像資料和數據實時回傳。在過去的十幾年中，各國都發展迅速。但現有的無人機都是由鋰離子電池驅動，存在供電能力不足的問題，每次出動任務30分鐘左右電量就會耗盡，需要無人機返回充電，所以需要研製供電時間更長、更加安全可靠的氫燃料電池供電系統。

通常情況下，氫燃料電池無人機包括一個安全可靠的儲氫裝置，並配備一塊鋰離子電池以應對電流的峰值輸出。美軍對氫燃料電池無人機的關鍵技術指標要求包括：

氫的來源安全可靠、成本適宜；

燃料電池系統必須在5分鐘內快速更換，且操作簡便；

燃料電池系統必須重量輕、安全可靠、燃料添加簡便易行、零部件標準化以利於大規模工業生產；

必須具備低噪音特徵，以便可以在低空飛行；

燃料電池及其控制系統必須適應高海拔地區、山區地形；

燃料電池生產成本應與鋰離子電池成本接近。

加拿大巴拉德公司為美軍戰術無人機提供的氫燃料電池如圖2(左)所示。該款氫燃料電池已經在洛克希德?馬丁公司及航空環境等公司的產品中進行了應用，具有適應能力強、安全可靠、重量輕等特點，可以在極端環境中使用，並可執行超視距任務等。

通用公司也在積极參与氫燃料電池的研製，該公司研製的氫燃料電池已廣泛應用於120多種軍用及民用的電動車中，具備豐富的研發經驗和技術積累，圖3(左)是該公司為美軍無人機配套的氫燃料電池系統，圖3為下一代氫燃料電池系統，體積變得更小，性能更加優越，並具備較寬的溫度適應範圍，具有更加方便的操作系統。在使用氫燃料電池後，可將無人機滯空時間提高至8小時，並且維護簡單，著陸後只需要不到15分鐘的重新裝填，就可以重新執行任務。

輕型作戰卡車的氫燃料電池

氫燃料電池的種種優點使其在軍用裝備的應用變得越來越廣泛，例如在作戰卡車中的應用也得到了重視。野戰條件下夜晚作戰時對隱蔽性要求極高，普通車輛發動機產生的熱能會使其明顯暴露於紅外夜視儀中，為應對這種情況，美陸軍提出以氫燃料電池驅動車輛的需求。通用公司積極與美國坦克自動駕駛研究發展工程中心合作，研製了一種氫燃料電池驅動的輕型作戰卡車。該款卡車選用雪佛蘭-卡羅拉為基本車型，改進了懸掛系統，以適應越野要求，同時增加了車身強度，並被命名為ZH2型，見圖4。

該款卡車選用了氫燃料電池和傳統鋰離子電池配合供電的模式，與汽油發動機相比，噪音很低，並且熱能排放非常少，主要應用於某些對噪音和熱能排放較高的作戰環境。傳統發動機在僅使用5~6千克的氫燃料後，可以行使200~300英里。ZH2型使用的氫來源於高壓儲氫罐，為適應戰場環境進行了加強設計，可以經受住近距離突擊步槍的射擊，極大地提高了戰場適用性。

該款卡車主要由一台50kW的鋰離子電池組供電，電池組可拆卸下來為其他裝備供電，電池組電量耗盡後由氫氧燃料電池充電。由於燃料電池反應後副產物是純水，因此，ZH2型甚至可以實現為士兵們戰場供水。ZH2的研製生產經歷了10年時間，2017年起,美陸軍擬利用1年時間來評估這款輕型作戰卡車的軍事性能，包括

近靜默操作，以增強靜默觀察能力；

降低噪音及紅外信號能力；

電驅動條件下四輪驅動能力；

最低燃料供應條件下的運動能力；

副產物水的綜合利用。

氫燃料電池通用靜音多功能電動平台

通用公司在推出了ZH2型作戰卡車後，繼續挖掘氫燃料電池在軍事中的應用潛力，並於2017年10月推出了氫燃料電池通用靜音多功能電動平台(SURUS)計劃，如圖5所示。

該平台看上去類似重型卡車的後拖掛，利用氫燃料電池進行驅動，採用了無人駕駛系統，電池系統和駕駛系統均置於平台內部，因此平台設計時去掉了車頭，運送貨物和人員時更加靈活方便，圖5給出了其應用示例，例如可以運送集裝箱、作戰方艙和醫療倉等。該平台可以在崎嶇的路面上行駛，越野能力強，理論續航里程400英里(約463千米)。

通用靜音多功能電動平台利用了通用公司在燃料電池技術領域深耕50多年的科研和成果,可以很好地在陸地、海上和空中等各種條件下作業，同時可以滿足商業化民用及軍用要求。目前該平台的測試工作已經幵始進行，以期儘快投入到應用。

單兵可穿戴供電系統

氫燃料電池的另一個應用領域是單兵可穿戴供電系統，理想情況下，戰場上每人可以背負相當於自身體重30%的裝備，但在多數情況下，士兵們需要背負的作戰裝備往往超過100鎊。美陸軍正在準備實施能源更新換代計劃，以氫燃料電池替代傳統的鋰離子電池，以減少士兵50%的負荷，美陸軍未來單兵可穿戴供電系統的需求可見圖6。

通用公司與美國陸軍通信與電子研發和工程中心(CERDEC)合作，推出了一款新型氫燃料電池系統，用作單兵可穿戴系統的電源。該中心為尋找可用的單兵可穿戴氫燃料電池花費了十多年時間，主要原因是為了解決氫源的安全性問題。普通的儲氫材料或儲氫罐，在受到槍擊時會發生爆炸，影響到士兵的生命危險，而且高壓儲氫罐在野戰條件下面對的戰場不確定因素太多，無法滿足使用要求。本款氫燃料電池使用氫化鋁(AlH3)化合物作為儲氫材料，氫化鋁是一種非常好的儲氫材料，只需加熱就會持續地釋放出氫氣，常溫下與水和空氣不發生化學反應，穩定性高，並且在擠壓、過放電和受到槍擊等破壞性條件下也非常安全。在通過產品性能測試後，陸軍通信與電子研發和工程中心還專門進行了多項安全性測試。

1. 在單兵模塊化輕型負載裝備中測試了其電性能、熱性能以及連接性能。經測試，在室溫為20°C左右的條件下，該裝備的內部溫度約為50°C，外部溫度約為30°C左右，證明了該氫燃料電池的實用性。

2. 在32~37°C左右的新澤西沙漠的露天環境中，分別測試了正常使用、廣播以及手持設備等小電流條件下的供電保障情況，測試迸行了2天，證明該系統可在較高溫度及塵土條件下正常工作，持續工作時間可保持27小時以上。

測試表明，美軍士兵對該款燃料電池的性能非常滿意，尤其是其小巧、輕薄、易攜帶，而且不影響戰術行動的開展。由於氫化鋁的工業製造工藝尚未完全成熟，以及後勤供應保障的問題，該款氫燃料電池還不能立刻裝備美軍。為此，美國能源部也在積極開展工作，努力降低氫化鋁的成本。

該款氫燃料電池可見圖7。圖7(左下）為通用公司研發的單兵模塊化輕型負載裝備，圖7(左上)為氫化鋁儲氫罐，圖7(上中)為燃料電池，圖7(右）為整個燃料電池系統在單兵腰間跨帶中的裝備情況。

該款氫燃料電池的主要性能指標如下：

平均功率為20W，峰值功率為35W(10分鐘)；

允許在偏遠地區進行拆卸和作業；

即插即用電池系統；

可為其他隨身電池充電；

單個儲氫罐80Wh，可提供811Wh/kg的功率密度；

單體電壓10~16.8V;

可為24小時任務提供300Wh/kg的功率密度；

重僅0.92kg;

外形尺寸為7.0x8.0x0.81英寸。

小 結

總結近年來美軍對氫燃料電池系統的研發和應用情況，我們可以發現以下幾個特點。

首先，美軍方高層管理部門非常重視並全程參與了研發過程，如美國防部、美陸軍研究實驗室、美海軍研究實驗室、美國陸軍通信與電子研發和工程中心等。軍方高層直接參与研製計劃，可以保證作戰需求明確，制定的作戰技術指標準確，做到科研工作目標統一，有的放矢。在研製後續環節中，軍方高層的參與可以高效地安排部隊進行適當的試驗，甚至某些產品投入到阿富汗和伊拉克戰場進行實戰檢驗，使研製部門可以在第一時間拿到第一手的反饋意見和資料並進行改進，極大地提高了產品研發的效率。美軍將最新技術應用到裝備的決心持之以恆，很多氫燃料電池產品的研發歷經十幾年時間，這與軍方高層的支持是分不開的。

其次，美軍氫燃料電池的研發，遵循先易後難，先小後大的原則，從單兵裝備和野戰攜行電源開始，逐步推廣到無人機、水下無人潛航器等中等功率的平台，然後再到作戰和運輸車輛的動力系統，逐步進行技術和經驗的積累，為今後大規模利用氫燃料電池技術奠定了基礎。美軍在氫燃料電池研發中堅持從實戰出發，堅持以人為本，把前線士兵的安全和作戰要求放在首要位置，不但要求產品必須通過嚴格的安全性、破壞性試驗，同時還要保證單兵戰術動作的展開要符合平時的使用習慣，並且方便攜帶。美軍氫燃料電池的發展還堅持研發和試驗並行的策略，研製過程中得到的反饋意見能及時反饋到產品改進中，極大地提高了研發效率，縮短了研發周期。

綜上所述，氫燃料電池在美軍中正逐漸展開應用，未來發展趨勢良好。美軍的這種模式，有效地保證了其在氫燃料電池軍事領域的領先地位,值得我們借鑒。

轉自：保障前沿

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