中國儲能網(wǎng)訊：從為單兵裝備供電，到驅(qū)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。
21世紀是新材料和先進技術迅速發(fā)展和廣泛應用的時代，燃料電池作為高效潔凈的電源，有著非常廣闊的應用前景。
氫燃料電池內(nèi)部反應時不需要熱機轉(zhuǎn)換過程，因此不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，也不需要龐大的機械運轉(zhuǎn)設備，噪聲低，不發(fā)熱，有著優(yōu)異的紅外和噪聲特征，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(fā)，從為單兵裝備供電，到驅(qū)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(fā)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
目前的鋰離子電池系統(tǒng)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(xù)工作數(shù)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(tǒng)。
為此，2017年，美國國防部批準了600萬美元經(jīng)費，計劃用5年時間研發(fā)水下無人潛航器的靜音推進系統(tǒng)。
美國陸軍研究實驗室研究的水下無人潛航器推進系統(tǒng)使用的是氫燃料電池供電推進系統(tǒng)，其原理示意圖可見圖1。
該系統(tǒng)實現(xiàn)了完全的內(nèi)部循環(huán)，利用高氯酸鋰儲存氧氣，氫的來源為甲醇等。將甲醇裂解后得到氫，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(chǎn)生電能。
多余的氫會回到燃燒器中燃燒，產(chǎn)生的熱量用來預熱轉(zhuǎn)化處理器及加熱高氯酸鋰，以分離氧氣。
反應產(chǎn)生的水蒸氣及熱量，通過分段式冷凝器冷凝并排除熱量。經(jīng)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(zhàn)時，當需要執(zhí)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）。
但現(xiàn)有的無人機都是由鋰離子電池驅(qū)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，所以需要研制供電時間更長、更加安全可靠的氫燃料電池供電系統(tǒng)。
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，并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(tǒng)必須在5分鐘內(nèi)快速更換，且操作簡便；
燃料電池系統(tǒng)必須重量輕、安全可靠、燃料添加簡便易行、零部件標準化以利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；
必須具備低噪音特征，以便可以在低空飛行；
燃料電池及其控制系統(tǒng)必須適應高海拔地區(qū)、山區(qū)地形；
燃料電池生產(chǎn)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(zhàn)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(jīng)在洛克希德?馬丁公司及航空環(huán)境等公司的產(chǎn)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(huán)境中使用，并可執(zhí)行超視距任務等。
通用公司也在積極參與氫燃料電池的研制，該公司研制的氫燃料電池已廣泛應用于120多種軍用及民用的電動車中，具備豐富的研發(fā)經(jīng)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(tǒng)，圖3為下一代氫燃料電池系統(tǒng)，體積變得更小，性能更加優(yōu)越，并具備較寬的溫度適應范圍，具有更加方便的操作系統(tǒng)。
在使用氫燃料電池后，可將無人機滯空時間提高至8小時，并且維護簡單，著陸后只需要不到15分鐘的重新裝填，就可以重新執(zhí)行任務。
輕型作戰(zhàn)卡車的氫燃料電池
野戰(zhàn)條件下夜晚作戰(zhàn)時對隱蔽性要求極高，普通車輛發(fā)動機產(chǎn)生的熱能會使其明顯暴露于紅外夜視儀中，為應對這種情況，美陸軍提出以氫燃料電池驅(qū)動車輛的需求。
通用公司積極與美國坦克自動駕駛研究發(fā)展工程中心合作，研制了一種氫燃料電池驅(qū)動的輕型作戰(zhàn)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(tǒng)，以適應越野要求，同時增加了車身強度，并被命名為ZH2型，見圖4。
該款卡車選用了氫燃料電池和傳統(tǒng)鋰離子電池配合供電的模式，與汽油發(fā)動機相比，噪音很低，并且熱能排放非常少，主要應用于某些對噪音和熱能排放較高的作戰(zhàn)環(huán)境。
ZH2型使用的氫來源于高壓儲氫罐，為適應戰(zhàn)場環(huán)境進行了加強設計，可以經(jīng)受住近距離突擊步槍的射擊，極大地提高了戰(zhàn)場適用性。
該款卡車主要由一臺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，電池組電量耗盡后由氫氧燃料電池充電。
由于燃料電池反應后副產(chǎn)物是純水，因此，ZH2型甚至可以實現(xiàn)為士兵們戰(zhàn)場供水。
ZH2的研制生產(chǎn)經(jīng)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(zhàn)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(qū)動條件下四輪驅(qū)動能力；
最低燃料供應條件下的運動能力；
副產(chǎn)物水的綜合利用。
氫燃料電池通用靜音多功能電動平臺
通用公司在推出了ZH2型作戰(zhàn)卡車后，繼續(xù)挖掘氫燃料電池在軍事中的應用潛力，并于2017年10月推出了氫燃料電池通用靜音多功能電動平臺(SURUS)計劃，如圖5所示。
該平臺看上去類似重型卡車的后拖掛，利用氫燃料電池進行驅(qū)動，采用了無人駕駛系統(tǒng)，電池系統(tǒng)和駕駛系統(tǒng)均置于平臺內(nèi)部，因此平臺設計時去掉了車頭，運送貨物和人員時更加靈活方便。
該平臺可以在崎嶇的路面上行駛，越野能力強，理論續(xù)航里程400英里(約463千米)。
通用靜音多功能電動平臺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(yè)，同時可以滿足商業(yè)化民用及軍用要求。目前該平臺的測試工作已經(jīng)幵始進行，以期盡快投入到應用。
單兵可穿戴供電系統(tǒng)
氫燃料電池的另一個應用領域是單兵可穿戴供電系統(tǒng)，理想情況下，戰(zhàn)場上每人可以背負相當于自身體重30%的裝備，但在多數(shù)情況下，士兵們需要背負的作戰(zhàn)裝備往往超過100鎊。
美陸軍正在準備實施能源更新?lián)Q代計劃，以氫燃料電池替代傳統(tǒng)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(tǒng)的需求可見圖6。
通用公司與美國陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心(CERDEC)合作，推出了一款新型氫燃料電池系統(tǒng)，用作單兵可穿戴系統(tǒng)的電源。
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(xù)地釋放出氫氣，常溫下與水和空氣不發(fā)生化學反應，穩(wěn)定性高，并且在擠壓、過放電和受到槍擊等破壞性條件下也非常安全。
在通過產(chǎn)品性能測試后，陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心還專門進行了多項安全性測試。
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(jīng)測試，在室溫為20°C左右的條件下，該裝備的內(nèi)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。
在32~37°C左右的新澤西沙漠的露天環(huán)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(tǒng)可在較高溫度及塵土條件下正常工作，持續(xù)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(zhàn)術行動的開展。
由于氫化鋁的工業(yè)制造工藝尚未完全成熟，以及后勤供應保障的問題，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(fā)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(tǒng)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(qū)進行拆卸和作業(yè)；
即插即用電池系統(tǒng)；
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(tǒng)的研發(fā)和應用情況，我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個特點。
首先，美軍方高層管理部門非常重視并全程參與了研發(fā)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(fā)和工程中心等。
軍方高層直接參與研制計劃，可以保證作戰(zhàn)需求明確，制定的作戰(zhàn)技術指標準確，做到科研工作目標統(tǒng)一，有的放矢。
在研制后續(xù)環(huán)節(jié)中，軍方高層的參與可以高效地安排部隊進行適當?shù)脑囼?，甚至某些產(chǎn)品投入到阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場進行實戰(zhàn)檢驗，使研制部門可以在第一時間拿到第一手的反饋意見和資料并進行改進，極大地提高了產(chǎn)品研發(fā)的效率。
美軍將最新技術應用到裝備的決心持之以恒，很多氫燃料電池產(chǎn)品的研發(fā)歷經(jīng)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(fā)，遵循先易后難，先小后大的原則，從單兵裝備和野戰(zhàn)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臺，然后再到作戰(zhàn)和運輸車輛的動力系統(tǒng)，逐步進行技術和經(jīng)驗的積累，為今后大規(guī)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(fā)中堅持從實戰(zhàn)出發(fā)，堅持以人為本，把前線士兵的安全和作戰(zhàn)要求放在首要位置，不但要求產(chǎn)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(zhàn)術動作的展開要符合平時的使用習慣，并且方便攜帶。
美軍氫燃料電池的發(fā)展還堅持研發(fā)和試驗并行的策略，研制過程中得到的反饋意見能及時反饋到產(chǎn)品改進中，極大地提高了研發(fā)效率，縮短了研發(fā)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(fā)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。
