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燃料电池:信息化战场“新能源”

2019-02-19 14:44
智能制造
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信息化条件下的高技术战争,士兵除携带武器弹药外,还将配备头盔显示器、激光测距仪、卫星定位终端以及高性能作战计算机等,这些设备每时每刻都需要充足的电量供应。美国陆军曾预测,未来单兵装备的平均耗电功率将达到100瓦,传统的干电池蓄电池等早已“不堪重负”。

日前,在美国能源部耗资3400万美元资助的科技创新项目中,就包括4个与燃料电池高度相关的项目。连宝马等汽车公司都在跃跃欲试,将在2020年后正式发行搭载燃料电池的汽车。

燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置,不仅不需要反复充电,还更加清洁高效。事实上,燃料电池正在成为军用电源领域的“明日之星”,将在未来战场发挥重要作用。

随身携带的“发电厂”

打赢未来信息化战争,需要高效可靠的“能量源”。近年来,信息化战场上竞相涌现的先进武器装备,对战场电力供应提出了新的更高要求。以美国为首的西方国家尤其重视燃料电池技术发展,从为单兵装备供电,到电推动军用卡车,更甚至是驱动无人航潜器和无人机,处处可见燃料电池的身影。

说起燃料电池中的“燃料”,当然不同于生活中常见的煤、油、天然气等传统燃料。我们都知道,让强大的电流从水中经过,水便会分解为氢和氧。燃料电池的原理正好与此过程相反,是通过特殊装置使氢和氧作为“燃料”发生反应,最终产生电能。因此,与干电池、蓄电池等储能装置在需要时才把储存的电能释放出来不同,燃料电池更像是一座把化学能直接转化成电能的“发电厂”。这也难怪燃料电池被认为是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。

对于燃料电池而言,只要含有氢原子的物质就可以作为燃料。这就大大增加了“燃料”的来源范围,使燃料电池成为军用电源装备领域的“红人”。燃料电池投入军事应用,还有许多“先天性优势”。燃料电池在使用时能量转换效率高、系统反应快、运行可靠性强、维护方便。与其他电池相比,燃料电池的发电效率可以达到85%-90%。由于燃料电池的内部结构相对简单,工作时噪声很低,散热量和红外辐射较少。

近年来,包括美国国防部、美国陆军研究实验室、美国海军研究实验室等,都高度重视并全程参与了燃料电池的研发过程。从制订研制计划、明确技术指标,到研制后续环节安排部队进行试验,再到相关产品投入战场进行实战检验,燃料电池的研制都离不开美国军方的倾力支持。美国很多燃料电池产品的研发经历十几年时间,也与美国军方坚持将最新技术加以应用的决心不无关联。

“上天下海”无所不能

未来的燃料电池,将越来越轻型便携,并朝着移动式电池供电系统方向加速发展,必将成为信息化战场当之无愧的“能量源”。

燃料电池除可作为海面舰艇的辅助动力源外,还能为无人潜航器和潜艇提供驱动动力。美国海军已经完成了用作船用电网和推进系统的燃料电池系统研发,目前正逐步尝试将燃料电池用于驱逐舰。早在2005年,德国就试航了第一艘现代化的燃料电池潜艇。2016年获得澳大利亚海军潜艇项目大单的“梭鱼”级潜艇,也装备了由法国研制的燃料电池系统。2017年,美国国防部批准600万美元经费,专门用于研发无人潜航器的静音推进系统,或将采用由美国陆军研究实验室研制的燃料电池供电推进系统。此外,美国海军研究实验室还与通用汽车公司合作,正在致力于将车用燃料电池移植到下一代无人潜航器中,以大力提升无人潜航器的航程和持久力。

燃料电池也将助力飞行器展翅高飞。现有的无人机电池主要为锂离子电池,供电缺口较大,尤其需要研制供电时间更长、更安全可靠的供电系统。加拿大巴拉德公司为美军战术无人机研制了氢燃料电池,具有适应能力强、安全可靠、重量轻等特点,目前已经在洛克希德·马丁公司的系列产品中得到应用。美国国家航空航天局研制的使用燃料电池推进的太阳能无人机,一度创造出3.2万米的世界飞行高度纪录。目前,美国国防部正致力于使用燃料电池动力装置的长航时无人机项目,将尽快装备美军各军兵种。

早在20世纪60年代,由于载人航天器对特殊性能电池的迫切需求,美国曾研制出氢燃料电池。此后往返于太空和地球之间的“阿波罗”系列飞船,就专门安装这种体积小、容量大的供电系统。此外,美国通用汽车公司也在持续挖掘燃料电池在陆上军事应用中的潜力,已经推出使用氢燃料电池的“通用静音多功能电动平台”计划。该平台理论续航里程超过460千米,越野能力较强,还具备运送集装箱、作战方舱和医疗方舱等能力。

战场应用驶入“快车道”

随着战场军用电源系统要求的不断提升,燃料电池不仅为各类武器装备提供了强劲的供电能力、低热辐射和电磁辐射的使用环境,还具有高效、清洁、经济以及安全等优点,正逐步打开军事领域应用的大门。

现有的单兵可穿戴系统,士兵们背负的作战装备往往令人不堪重负。美国陆军目前正在尝试使用燃料电池取代传统锂离子电池,将减少约50%的负荷。美国陆军通信与电子研发和工程中心,同通用汽车公司合作,已经推出了一款用于单兵可穿戴设备的新型氢燃料电池系统。美军目前装备的军用燃料电池,尺寸与传统的一次性小型电池相同,输出的电流量却提高了1倍。韩国三星公司研发的单兵燃料电池系统,一次产生的电量高达1.8千瓦时,可满足士兵连续执行72小时任务需求。德国SFC公司研制的燃料电池系统,已经交付英国、挪威、比利时和荷兰等多国军队使用。

燃料电池系统的出现,对武器装备性能的提升也大有裨益。美军在燃料电池研发过程中遵循的“先易后难、先小后大”原则,不仅推动了燃料电池从单兵装备和野战携行电源,到无人机、无人潜航器以及作战车辆动力系统的升级,也在逐步积累技术和经验的过程中,为今后装备燃料电池武器装备性能的提升奠定了基础。野战条件下夜间作战时,对武器装备的隐蔽性要求极高,普通车辆发动机产生的热能会直接暴露于红外夜视仪中。对此,美国陆军与通用汽车公司联合研制出使用氢燃料电池驱动的轻型作战卡车,噪声水平明显降低,热能排放也非常少,极大地提高了战场生存能力。由于燃料电池反应后副产物是水,该型作战卡车还能为士兵进行战场供水。

目前,阻碍燃料电池实用化的主要问题,在于燃料电池的环境适用性、使用寿命和经济成本。近年来,尽管燃料电池的使用寿命有所提升,但绝大多数仅维持在2200小时左右,与实用化5000小时的目标寿命还有不小差距。同时,燃料电池的生产和使用成本比较高,人们试图通过使用廉价替代材料、改进制备工艺、加速批量化生产等方式,使燃料电池的军事应用走上“快车道”。

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