燃料電池：信息化戰(zhàn)場“新能源”

信息化條件下的高技術戰(zhàn)爭，士兵除攜帶武器彈藥外，還將配備頭盔顯示器、激光測距儀、衛(wèi)星定位終端以及高性能作戰(zhàn)計算機等，這些設備每時每刻都需要充足的電量供應。美國陸軍曾預測，未來單兵裝備的平均耗電功率將達到100瓦，傳統(tǒng)的干電池、蓄電池等早已“不堪重負”。

日前，在美國能源部耗資3400萬美元資助的科技創(chuàng)新項目中，就包括4個與燃料電池高度相關的項目。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能轉化為電能的裝置，不僅不需要反復充電，還更加清潔高效。事實上，燃料電池正在成為軍用電源領域的“明日之星”，將在未來戰(zhàn)場發(fā)揮重要作用。

隨身攜帶的“發(fā)電廠”

打贏未來信息化戰(zhàn)爭，需要高效可靠的“能量源”。近年來，信息化戰(zhàn)場上競相涌現(xiàn)的先進武器裝備，對戰(zhàn)場電力供應提出了新的更高要求。以美國為首的西方國家尤其重視燃料電池技術發(fā)展，從為單兵裝備供電，到電推動軍用卡車，更甚至是驅動無人航潛器和無人機，處處可見燃料電池的身影。

說起燃料電池中的“燃料”，當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，讓強大的電流從水中經(jīng)過，水便會分解為氫和氧。燃料電池的原理正好與此過程相反，是通過特殊裝置使氫和氧作為“燃料”發(fā)生反應，最終產(chǎn)生電能。因此，與干電池、蓄電池等儲能裝置在需要時才把儲存的電能釋放出來不同，燃料電池更像是一座把化學能直接轉化成電能的“發(fā)電廠”。這也難怪燃料電池被認為是繼水力發(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。

對于燃料電池而言，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”的來源范圍，使燃料電池成為軍用電源裝備領域的“紅人”。燃料電池投入軍事應用，還有許多“先天性優(yōu)勢”。燃料電池在使用時能量轉換效率高、系統(tǒng)反應快、運行可靠性強、維護方便。與其他電池相比，燃料電池的發(fā)電效率可以達到85%-90%。由于燃料電池的內(nèi)部結構相對簡單，工作時噪聲很低，散熱量和紅外輻射較少。

近年來，包括美國國防部、美國陸軍研究實驗室、美國海軍研究實驗室等，都高度重視并全程參與了燃料電池的研發(fā)過程。從制訂研制計劃、明確技術指標，到研制后續(xù)環(huán)節(jié)安排部隊進行試驗，再到相關產(chǎn)品投入戰(zhàn)場進行實戰(zhàn)檢驗，燃料電池的研制都離不開美國軍方的傾力支持。美國很多燃料電池產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)歷十幾年時間，也與美國軍方堅持將最新技術加以應用的決心不無關聯(lián)。

“上天下海”無所不能

未來的燃料電池，將越來越輕型便攜，并朝著移動式電池供電系統(tǒng)方向加速發(fā)展，必將成為信息化戰(zhàn)場當之無愧的“能量源”。

燃料電池除可作為海面艦艇的輔助動力源外，還能為無人潛航器和潛艇提供驅動動力。美國海軍已經(jīng)完成了用作船用電網(wǎng)和推進系統(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逐艦。早在2005年，德國就試航了第一艘現(xiàn)代化的燃料電池潛艇。2016年獲得澳大利亞海軍潛艇項目大單的“梭魚”級潛艇，也裝備了由法國研制的燃料電池系統(tǒng)。2017年，美國國防部批準600萬美元經(jīng)費，專門用于研發(fā)無人潛航器的靜音推進系統(tǒng)，或將采用由美國陸軍研究實驗室研制的燃料電池供電推進系統(tǒng)。此外，美國海軍研究實驗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人潛航器中，以大力提升無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)有的無人機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間更長、更安全可靠的供電系統(tǒng)。加拿大巴拉德公司為美軍戰(zhàn)術無人機研制了氫燃料電池，具有適應能力強、安全可靠、重量輕等特點，目前已經(jīng)在洛克希德·馬丁公司的系列產(chǎn)品中得到應用。美國國家航空航天局研制的使用燃料電池推進的太陽能無人機，一度創(chuàng)造出3.2萬米的世界飛行高度紀錄。目前，美國國防部正致力于使用燃料電池動力裝置的長航時無人機項目，將盡快裝備美軍各軍兵種。

早在20世紀60年代，由于載人航天器對特殊性能電池的迫切需求，美國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，美國通用汽車公司也在持續(xù)挖掘燃料電池在陸上軍事應用中的潛力，已經(jīng)推出使用氫燃料電池的“通用靜音多功能電動平臺”計劃。該平臺理論續(xù)航里程超過460千米，越野能力較強，還具備運送集裝箱、作戰(zhàn)方艙和醫(yī)療方艙等能力。

戰(zhàn)場應用駛入“快車道”

隨著戰(zhàn)場軍用電源系統(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)濟以及安全等優(yōu)點，正逐步打開軍事領域應用的大門。

現(xiàn)有的單兵可穿戴系統(tǒng)，士兵們背負的作戰(zhàn)裝備往往令人不堪重負。美國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%的負荷。美國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1.8千瓦時，可滿足士兵連續(xù)執(zhí)行72小時任務需求。德國SFC公司研制的燃料電池系統(tǒng)，已經(jīng)交付英國、挪威、比利時和荷蘭等多國軍隊使用。

燃料電池系統(tǒng)的出現(xiàn)，對武器裝備性能的提升也大有裨益。美軍在燃料電池研發(fā)過程中遵循的“先易后難、先小后大”原則，不僅推動了燃料電池從單兵裝備和野戰(zhàn)攜行電源，到無人機、無人潛航器以及作戰(zhàn)車輛動力系統(tǒng)的升級，也在逐步積累技術和經(jīng)驗的過程中，為今后裝備燃料電池武器裝備性能的提升奠定了基礎。野戰(zhàn)條件下夜間作戰(zhàn)時，對武器裝備的隱蔽性要求極高，普通車輛發(fā)動機產(chǎn)生的熱能會直接暴露于紅外夜視儀中。對此，美國陸軍與通用汽車公司聯(lián)合研制出使用氫燃料電池驅動的輕型作戰(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)場生存能力。由于燃料電池反應后副產(chǎn)物是水，該型作戰(zhàn)卡車還能為士兵進行戰(zhàn)場供水。

目前，阻礙燃料電池實用化的主要問題，在于燃料電池的環(huán)境適用性、使用壽命和經(jīng)濟成本。近年來，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小時左右，與實用化5000小時的目標壽命還有不小差距。同時，燃料電池的生產(chǎn)和使用成本比較高，人們試圖通過使用廉價替代材料、改進制備工藝、加速批量化生產(chǎn)等方式，使燃料電池的軍事應用走上“快車道”。

制圖：劉 程

李東海 許妍敏

李東海 許妍敏

[責任編輯：楊凡、徐紅梅]

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