燃料電池在軍事上的應(yīng)用

1 燃料電池綜述

? ? 燃料電池（Fuel Cell）是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接、連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路等組成，圖1是組成燃料電池的基本單元的示意圖。其單體電池是由兩個(gè)電極以及電解質(zhì)組成，陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，兩極之間是電解質(zhì)。燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。

? ? 以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，燃料電池的工作原理如下：

? ? （1）氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極；
? ? （2）在陽極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽極反應(yīng)為：　
H2　→2H+　+　2ｅ
? ? （3）在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過外電路也到達(dá)陰極；
? ? （4）在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：
1/2O2　+　2H+　+　2ｅ→H2O
? ? 總的化學(xué)反應(yīng)如下：
H2　+　1/2O2?。健2O ＋ 電能 ＋ 熱量

? ? 同時(shí)，電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。

? ? 燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：①不受"卡諾循環(huán)"的限制，其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%-80%；②潔凈，無污染，噪音低，隱蔽性強(qiáng)；③模塊結(jié)構(gòu)，適應(yīng)不同功率要求，靈活機(jī)動(dòng)；④比功率大，比能量高，對負(fù)載的適應(yīng)性能好；⑤可實(shí)現(xiàn)熱、電、純水聯(lián)產(chǎn)。



燃料電池的分類，按工作溫度可分低溫型（25~100℃）、中溫型（100~500℃）、高溫型（500~1000℃）及超高溫型（大于1000℃）；按使用電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池 (AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料電池(PAFC，Phosphorous Acid Fuel cell)、固體氧化物電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)、熔融碳酸鹽電池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)和質(zhì)子交換膜電池(PEMFC，Proton Exchange　Membrane Fuel Cell)。目前常用電解質(zhì)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，電解質(zhì)的類型決定了燃料電池的工作溫度、電極上所采用的催化劑以及發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。各種燃料電池的技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。




其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的最大優(yōu)越性體現(xiàn)在工作溫度低，啟動(dòng)快，具有比其它類型的燃料電池更高的功率密度，可在較大電流密度下工作。因此成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

? ? 2 燃料電池發(fā)展

? ? 1839年，英國物理學(xué)家William Grove利用鉑絲作為電極，硫酸溶液作為電解質(zhì)，氫氣和氧氣作為原料，成功地進(jìn)行了傳統(tǒng)的電解水的逆反應(yīng)，產(chǎn)生了電流，建立了世界上第一個(gè)燃料電池模型。，20世紀(jì)30年代末才有燃料電池發(fā)電裝置的出現(xiàn)。50年代在國際上興起了研究熱潮。60年代美國成功地將Bacon型AFC用于Apollo登月飛行，將PEMFC應(yīng)用于雙子星座宇宙飛船，使燃料電池在航天領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)用階段，也使燃料電池研究進(jìn)入第一個(gè)高潮。70年代，為了解決能源危機(jī)，更有效地使用有限的能源，又掀起了開發(fā)地面發(fā)電裝置燃料電池電站的研究。80年代中后期，世界上陸續(xù)有兆瓦級PAFC型燃料電池電站投入試驗(yàn)運(yùn)行。90年代以來，已制造了300余輛燃料電池原型汽車，特別是以PEMFC為動(dòng)力的電動(dòng)汽車已經(jīng)成為世界研究的熱點(diǎn)，至今世界6大汽車公司在開發(fā)氫燃料電池汽車上的研發(fā)費(fèi)用已超過100億美元。目前MCFC、SOFC、PEMFC研究都取得了顯著進(jìn)展，在美國、加拿大、歐洲、日本等國家都有各種類型的電站在運(yùn)行或試運(yùn)行，約有250座PAFC機(jī)組，35座MCFC電池組，12座SOFC電池組已被安裝測試，最大容量已達(dá)到11MW。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北美目前大規(guī)模應(yīng)用燃料電池其市場價(jià)值約為2.51億美元，全球現(xiàn)有1000多家公司從事燃料電池的研發(fā)和經(jīng)營業(yè)務(wù)，截止2003年初統(tǒng)計(jì)，全世界已設(shè)置和運(yùn)行著3800多個(gè)燃料電池系統(tǒng)。

? ? 20世紀(jì)50年代末，我國開始研制燃料電池。70年代由于宇航事業(yè)的推動(dòng)，中國燃料電池的研究呈現(xiàn)一次高潮。80年代我國燃料電池的研究及開發(fā)工作處于低潮。90年代，在國外先進(jìn)國家燃料電池技術(shù)取得巨大進(jìn)展，一些產(chǎn)品已進(jìn)人準(zhǔn)商品化階段的形勢影響下，我國又一次掀起了燃料電池研制開發(fā)高潮。中國科學(xué)院將燃料電池技術(shù)列為"九五"院級重大和特別支持項(xiàng)目，國家科技部將燃料電池技術(shù)列為國家"九五"攻關(guān)項(xiàng)目，內(nèi)容包括"質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)"、"熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)"及"固體氧化物燃料電池技術(shù)"三大項(xiàng)目，并撥款用于研制PEMFC驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，全面展開了PEMFC的電池材料與電池系統(tǒng)的研究。在"十五"國家科技專項(xiàng)和"863"計(jì)劃的電動(dòng)車重大項(xiàng)目中，把燃料電池城市客車列為一個(gè)重要子課題。現(xiàn)在我國研究開發(fā)的以PEMFC為動(dòng)力的城市客車已經(jīng)駛上街頭，該電池最大輸出功率可達(dá)150kW，電池組的功率密度、燃料使用效率等技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

? ? 3 燃料電池在軍艦上的應(yīng)用

? ? 目前，各種燃料電池的研制風(fēng)起云涌，其應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，雖然汽車行業(yè)首當(dāng)其沖，但船舶制造業(yè)也緊跟其后。

? ? 燃料電池用作艦載電池，用多個(gè)燃料電池分別為不同的艦載系統(tǒng)供電，避免一旦集中式供電系統(tǒng)受損全艦都無法工作。它的特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化、低噪音、無振動(dòng)，而且操作簡單、易維護(hù)，可以減少艦上人員。

? ? 英國國防評估和研究機(jī)構(gòu)對PEMFC在未來海軍船只上的應(yīng)用情況進(jìn)行了鑒定，計(jì)劃利用PEMFC在船只停泊時(shí)提供1～2MW的電能。美國Analytic Power（AP）公司的研究結(jié)果表明，PEMFC是符合水面艦艇動(dòng)力要求的集中動(dòng)力系統(tǒng)中的最佳方案，隨后在美海軍的支持下開始研制用于艦艇的10KW的PEMFC系統(tǒng)。荷蘭海軍的研究表明，如果M型護(hù)衛(wèi)艦的能源供應(yīng)系統(tǒng)用燃料電池－柴油機(jī)混合設(shè)計(jì)，和平時(shí)期節(jié)約燃料25%－30%。除了進(jìn)行可行性論證，荷蘭海軍還先后完成了1kW、5kW、10kW級的PEMFC設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。進(jìn)行的傾斜試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)等試驗(yàn)表明，這些變化條件對燃料電池性能無明顯影響。所以PEMFC在軍艦上的應(yīng)用有很大的發(fā)展前景。

? ? 美國能源研究公司（ERC）與巴贊鋼鐵公司高技術(shù)部開始進(jìn)行合作，聯(lián)合開發(fā)艦用燃料電池能源裝置。ERC已與美海軍簽訂了研制這種船用燃料電池裝置的合同。該系統(tǒng)可使燃料電池裝置使用船用柴油作燃料，并確保裝置具有高效率和長壽命。所研制的直接式燃料電池系統(tǒng)采用內(nèi)重整碳基燃油技術(shù)，不需要大部分燃料電池系統(tǒng)所用的外部氫氣發(fā)生裝置。

? ? 4 燃料電池在潛艇上的應(yīng)用

? ? 目前常規(guī)潛艇裝備的是傳統(tǒng)的柴油－電力推進(jìn)系統(tǒng)，水下行駛、推進(jìn)等所需能量儲(chǔ)存在鉛酸蓄電池中，潛艇的連續(xù)潛游距離，只受制于鉛酸蓄電池有限的容量。蓄電池放電后，潛艇必須上浮至通氣管狀態(tài)進(jìn)行航行，使用柴油機(jī)潛游同時(shí)給蓄電池充電，因而水下續(xù)航力低。上浮充電不僅很容易被對方雷達(dá)偵察到，同時(shí)柴油機(jī)為蓄電池充電時(shí)的噪聲，極易被對方水聲器材偵察到，使?jié)撏П┞堵矢摺Ｒ虼藴p少通氣管航行的次數(shù)和時(shí)間，增加水下續(xù)航能力，降低暴露率，對潛艇的戰(zhàn)場生存具有重要意義。為此提出了采用不依賴空氣的動(dòng)力裝置AIP（Air Independent Propulsion），以求獲得隱蔽和長航性能。

? ? PEMFC工作溫度合適，比功率高，工藝相對簡單，安全可*，加上目前各國集中研究開發(fā)，技術(shù)進(jìn)步塊，因此在多種AIP系統(tǒng)中，PEMFC是最有潛力的。潛艇采用PEMFC－AIP系統(tǒng)后，其紅外特征很小，向海水輻射的能量很少；基本不向艇外排放廢物；聲特性不超過柴電推進(jìn)裝置，能夠進(jìn)行超安靜運(yùn)行，這些特性使得潛艇的隱蔽性大大提高，具有極強(qiáng)的"隱形"作戰(zhàn)能力。PEMFC重量輕、體積小、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)可擴(kuò)大倉容，增強(qiáng)潛艇的靈活性和戰(zhàn)斗力。它的低噪聲、無污染的優(yōu)點(diǎn)能改善艇員生活條件。在攜帶相同燃料和氧化劑的情況下，PEMFC－AIP系統(tǒng)續(xù)航力最大，并具有成為潛艇單一動(dòng)力的潛力。因此PEMFC－AIP系統(tǒng)對提高潛艇的隱蔽性和作戰(zhàn)靈活性具有重要的軍事意義，PEMFC潛艇有可能成為繼傳統(tǒng)的柴油機(jī)潛艇和核潛艇之后的第三代潛艇。

? ? 歐、美、加等國非常重視對PEMFC潛艇的研究。70年代，PEMFC就被選擇用作德國海軍潛艇的AIP系統(tǒng)。90年代中期以來，加拿大、德國的公司先后接受國防部門的委托建造PEMFC動(dòng)力潛艇。1997年8月西門子公司將功率為300kW、重8T的PEMFC堆交付造船廠。該電池組進(jìn)行1500小時(shí)的持續(xù)試驗(yàn)后，裝于德國海軍新型212級潛艇上，并于2003年4月下水進(jìn)行首次試航。它的動(dòng)力艙采用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和柴-電動(dòng)力系統(tǒng)混合使用的混合動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)由燃料電池、液氧貯存柜和氣態(tài)氫貯存柜等3部分組成。它的燃料電池不用空氣，而是將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，直接轉(zhuǎn)換成電能，輸出的直流電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)槳軸，推進(jìn)潛艇航行。每組燃料電池的輸出功率為34千瓦，9組總功率306千瓦，可使?jié)撏б?.5節(jié)的速度潛航1250海里，或15～17天，是普通柴電潛艇潛航時(shí)間的5倍。它的兩種動(dòng)力系統(tǒng)既可單獨(dú)使用，又可聯(lián)合使用，相互補(bǔ)充。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)用于水下長時(shí)間巡航，柴－電動(dòng)力系統(tǒng)用于潛艇作戰(zhàn)時(shí)高速航行。

? ? 1991年俄羅斯在"比拉魚"型潛艇上試驗(yàn)成功了低溫氫氧AFC，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且考慮到較低的成本，所以他們設(shè)計(jì)的"阿穆爾"級AIP潛艇選用了AFC，功率達(dá)到了390 kW，能保證以水下3.5 kn的速度持續(xù)航行20天。

? ? 5 結(jié)束語

? ? PEMFC作為新一代的發(fā)電技術(shù)，以特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關(guān)注，其在軍事上的應(yīng)用也引起了各國軍事部門重視，美國已確定燃料電池為經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全至關(guān)重要的27項(xiàng)必須發(fā)展的技術(shù)之一。我國在推進(jìn)具有中國特色的軍事變革，適應(yīng)新時(shí)期的軍事斗爭時(shí)，要加快高新技術(shù)的研究步伐。PEMFC應(yīng)用于潛艇、軍艦等領(lǐng)域，將大大提高我軍的裝備水平，其在國防現(xiàn)代化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將會(huì)起著重要的作用。