燃料電池：信息化戰(zhàn)場(chǎng)“新能源”

信息化條件下的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，士兵除攜帶武器彈藥外，還將配備頭盔顯示器、激光測(cè)距儀、衛(wèi)星定位終端以及高性能作戰(zhàn)計(jì)算機(jī)等，這些設(shè)備每時(shí)每刻都需要充足的電量供應(yīng)。美國(guó)陸軍曾預(yù)測(cè)，未來(lái)單兵裝備的平均耗電功率將達(dá)到100瓦，傳統(tǒng)的干電池、蓄電池等早已“不堪重負(fù)”。

日前，在美國(guó)能源部耗資3400萬(wàn)美元資助的科技創(chuàng)新項(xiàng)目中，就包括4個(gè)與燃料電池高度相關(guān)的項(xiàng)目。連寶馬等汽車公司都在躍躍欲試，將在2020年后正式發(fā)行搭載燃料電池的汽車。

燃料電池是一種直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，不僅不需要反復(fù)充電，還更加清潔高效。事實(shí)上，燃料電池正在成為軍用電源領(lǐng)域的“明日之星”，將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮重要作用。

隨身攜帶的“發(fā)電廠”

打贏未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，需要高效可靠的“能量源”。近年來(lái)，信息化戰(zhàn)場(chǎng)上競(jìng)相涌現(xiàn)的先進(jìn)武器裝備，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電力供應(yīng)提出了新的更高要求。以美國(guó)為首的西方國(guó)家尤其重視燃料電池技術(shù)發(fā)展，從為單兵裝備供電，到電推動(dòng)軍用卡車，更甚至是驅(qū)動(dòng)無(wú)人航潛器和無(wú)人機(jī)，處處可見燃料電池的身影。

說(shuō)起燃料電池中的“燃料”，當(dāng)然不同于生活中常見的煤、油、天然氣等傳統(tǒng)燃料。我們都知道，讓強(qiáng)大的電流從水中經(jīng)過(guò)，水便會(huì)分解為氫和氧。燃料電池的原理正好與此過(guò)程相反，是通過(guò)特殊裝置使氫和氧作為“燃料”發(fā)生反應(yīng)，最終產(chǎn)生電能。因此，與干電池、蓄電池等儲(chǔ)能裝置在需要時(shí)才把儲(chǔ)存的電能釋放出來(lái)不同，燃料電池更像是一座把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的“發(fā)電廠”。這也難怪燃料電池被認(rèn)為是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。

對(duì)于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質(zhì)就可以作為燃料。這就大大增加了“燃料”的來(lái)源范圍，使燃料電池成為軍用電源裝備領(lǐng)域的“紅人”。燃料電池投入軍事應(yīng)用，還有許多“先天性優(yōu)勢(shì)”。燃料電池在使用時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率高、系統(tǒng)反應(yīng)快、運(yùn)行可靠性強(qiáng)、維護(hù)方便。與其他電池相比，燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到85%-90%。由于燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作時(shí)噪聲很低，散熱量和紅外輻射較少。

近年來(lái)，包括美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室等，都高度重視并全程參與了燃料電池的研發(fā)過(guò)程。從制訂研制計(jì)劃、明確技術(shù)指標(biāo)，到研制后續(xù)環(huán)節(jié)安排部隊(duì)進(jìn)行試驗(yàn)，再到相關(guān)產(chǎn)品投入戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，燃料電池的研制都離不開美國(guó)軍方的傾力支持。美國(guó)很多燃料電池產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)歷十幾年時(shí)間，也與美國(guó)軍方堅(jiān)持將最新技術(shù)加以應(yīng)用的決心不無(wú)關(guān)聯(lián)。

“上天下海”無(wú)所不能

未來(lái)的燃料電池，將越來(lái)越輕型便攜，并朝著移動(dòng)式電池供電系統(tǒng)方向加速發(fā)展，必將成為信息化戰(zhàn)場(chǎng)當(dāng)之無(wú)愧的“能量源”。

燃料電池除可作為海面艦艇的輔助動(dòng)力源外，還能為無(wú)人潛航器和潛艇提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。美國(guó)海軍已經(jīng)完成了用作船用電網(wǎng)和推進(jìn)系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)研發(fā)，目前正逐步嘗試將燃料電池用于驅(qū)逐艦。早在2005年，德國(guó)就試航了第一艘現(xiàn)代化的燃料電池潛艇。2016年獲得澳大利亞海軍潛艇項(xiàng)目大單的“梭魚”級(jí)潛艇，也裝備了由法國(guó)研制的燃料電池系統(tǒng)。2017年，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)600萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)，專門用于研發(fā)無(wú)人潛航器的靜音推進(jìn)系統(tǒng)，或?qū)⒉捎糜擅绹?guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的燃料電池供電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室還與通用汽車公司合作，正在致力于將車用燃料電池移植到下一代無(wú)人潛航器中，以大力提升無(wú)人潛航器的航程和持久力。

燃料電池也將助力飛行器展翅高飛。現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)電池主要為鋰離子電池，供電缺口較大，尤其需要研制供電時(shí)間更長(zhǎng)、更安全可靠的供電系統(tǒng)。加拿大巴拉德公司為美軍戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)研制了氫燃料電池，具有適應(yīng)能力強(qiáng)、安全可靠、重量輕等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在洛克希德·馬丁公司的系列產(chǎn)品中得到應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家航空航天局研制的使用燃料電池推進(jìn)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，一度創(chuàng)造出3.2萬(wàn)米的世界飛行高度紀(jì)錄。目前，美國(guó)國(guó)防部正致力于使用燃料電池動(dòng)力裝置的長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，將盡快裝備美軍各軍兵種。

早在20世紀(jì)60年代，由于載人航天器對(duì)特殊性能電池的迫切需求，美國(guó)曾研制出氫燃料電池。此后往返于太空和地球之間的“阿波羅”系列飛船，就專門安裝這種體積小、容量大的供電系統(tǒng)。此外，美國(guó)通用汽車公司也在持續(xù)挖掘燃料電池在陸上軍事應(yīng)用中的潛力，已經(jīng)推出使用氫燃料電池的“通用靜音多功能電動(dòng)平臺(tái)”計(jì)劃。該平臺(tái)理論續(xù)航里程超過(guò)460千米，越野能力較強(qiáng)，還具備運(yùn)送集裝箱、作戰(zhàn)方艙和醫(yī)療方艙等能力。

戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用駛?cè)搿翱燔嚨馈?/p>

隨著戰(zhàn)場(chǎng)軍用電源系統(tǒng)要求的不斷提升，燃料電池不僅為各類武器裝備提供了強(qiáng)勁的供電能力、低熱輻射和電磁輻射的使用環(huán)境，還具有高效、清潔、經(jīng)濟(jì)以及安全等優(yōu)點(diǎn)，正逐步打開軍事領(lǐng)域應(yīng)用的大門。

現(xiàn)有的單兵可穿戴系統(tǒng)，士兵們背負(fù)的作戰(zhàn)裝備往往令人不堪重負(fù)。美國(guó)陸軍目前正在嘗試使用燃料電池取代傳統(tǒng)鋰離子電池，將減少約50%的負(fù)荷。美國(guó)陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心，同通用汽車公司合作，已經(jīng)推出了一款用于單兵可穿戴設(shè)備的新型氫燃料電池系統(tǒng)。美軍目前裝備的軍用燃料電池，尺寸與傳統(tǒng)的一次性小型電池相同，輸出的電流量卻提高了1倍。韓國(guó)三星公司研發(fā)的單兵燃料電池系統(tǒng)，一次產(chǎn)生的電量高達(dá)1.8千瓦時(shí)，可滿足士兵連續(xù)執(zhí)行72小時(shí)任務(wù)需求。德國(guó)SFC公司研制的燃料電池系統(tǒng)，已經(jīng)交付英國(guó)、挪威、比利時(shí)和荷蘭等多國(guó)軍隊(duì)使用。

燃料電池系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)武器裝備性能的提升也大有裨益。美軍在燃料電池研發(fā)過(guò)程中遵循的“先易后難、先小后大”原則，不僅推動(dòng)了燃料電池從單兵裝備和野戰(zhàn)攜行電源，到無(wú)人機(jī)、無(wú)人潛航器以及作戰(zhàn)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的升級(jí)，也在逐步積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程中，為今后裝備燃料電池武器裝備性能的提升奠定了基礎(chǔ)。野戰(zhàn)條件下夜間作戰(zhàn)時(shí)，對(duì)武器裝備的隱蔽性要求極高，普通車輛發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱能會(huì)直接暴露于紅外夜視儀中。對(duì)此，美國(guó)陸軍與通用汽車公司聯(lián)合研制出使用氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的輕型作戰(zhàn)卡車，噪聲水平明顯降低，熱能排放也非常少，極大地提高了戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。由于燃料電池反應(yīng)后副產(chǎn)物是水，該型作戰(zhàn)卡車還能為士兵進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)供水。

目前，阻礙燃料電池實(shí)用化的主要問(wèn)題，在于燃料電池的環(huán)境適用性、使用壽命和經(jīng)濟(jì)成本。近年來(lái)，盡管燃料電池的使用壽命有所提升，但絕大多數(shù)僅維持在2200小時(shí)左右，與實(shí)用化5000小時(shí)的目標(biāo)壽命還有不小差距。同時(shí)，燃料電池的生產(chǎn)和使用成本比較高，人們?cè)噲D通過(guò)使用廉價(jià)替代材料、改進(jìn)制備工藝、加速批量化生產(chǎn)等方式，使燃料電池的軍事應(yīng)用走上“快車道”。

制圖：劉 程

李東海 許妍敏

李東海 許妍敏

[責(zé)任編輯：楊凡、徐紅梅]

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