燃料電池在軍事上的應用
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能直接、連續地轉變為電能的發電裝置。燃料電池主要由陽極、陰極、電解質和外部電路等組成，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電極以及電解質組成，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，用來加速電極上發生的電化學反應，兩極之間是電解質。燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。
? ? 以質子交換膜燃料電池為例，燃料電池的工作原理如下：
? ? （1）氫氣通過管道或導氣板到達陽極；
? ? （2）在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，陽極反應為：
H2 →2H+ + 2ｅ
? ? （3）在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，同時，氫離子穿過電解質到達陰極，電子通過外電路也到達陰極；
? ? （4）在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發生反應生成水，陰極反應為：
1/2O2 + 2H+ + 2ｅ→H2O
? ? 總的化學反應如下：
H2 + 1/2O2 ＝ H2O ＋ 電能 ＋ 熱量
? ? 同時，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載連續地輸出電能。
? ? 燃料電池的主要優點是：①不受"卡諾循環"的限制，其能量轉換效率高達60%-80%；②潔凈，無污染，噪音低，隱蔽性強；③模塊結構，適應不同功率要求，靈活機動；④比功率大，比能量高，對負載的適應性能好；⑤可實現熱、電、純水聯產。
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)和質子交換膜電池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。目前常用電解質作為劃分標準，電解質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生反應的化學物質。各種燃料電池的技術性能參數如表1所示。
其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）的最大優越性體現在工作溫度低，啟動快，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。因此成為研究和應用的熱點。
? ? 2 燃料電池發展
? ? 1839年，英國物理學家William Grove利用鉑絲作為電極，硫酸溶液作為電解質，氫氣和氧氣作為原料，成功地進行了傳統的電解水的逆反應，產生了電流，建立了世界上第一個燃料電池模型。，20世紀30年代末才有燃料電池發電裝置的出現。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應用于雙子星座宇宙飛船，使燃料電池在航天領域進入實用階段，也使燃料電池研究進入第一個高潮。70年代，為了解決能源危機，更有效地使用有限的能源，又掀起了開發地面發電裝置燃料電池電站的研究。80年代中后期，世界上陸續有兆瓦級PAFC型燃料電池電站投入試驗運行。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為動力的電動汽車已經成為世界研究的熱點，至今世界6大汽車公司在開發氫燃料電池汽車上的研發費用已超過100億美元。目前MCFC、SOFC、PEMFC研究都取得了顯著進展，在美國、加拿大、歐洲、日本等國家都有各種類型的電站在運行或試運行，約有250座PAFC機組，35座MCFC電池組，12座SOFC電池組已被安裝測試，最大容量已達到11MW。據統計，北美目前大規模應用燃料電池其市場價值約為2.51億美元，全球現有1000多家公司從事燃料電池的研發和經營業務，截止2003年初統計，全世界已設置和運行著3800多個燃料電池系統。
? ? 20世紀50年代末，我國開始研制燃料電池。70年代由于宇航事業的推動，中國燃料電池的研究呈現一次高潮。80年代我國燃料電池的研究及開發工作處于低潮。90年代，在國外先進國家燃料電池技術取得巨大進展，一些產品已進人準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高潮。中國科學院將燃料電池技術列為"九五"院級重大和特別支持項目，國家科技部將燃料電池技術列為國家"九五"攻關項目，內容包括"質子交換膜燃料電池技術"、"熔融碳酸鹽燃料電池技術"及"固體氧化物燃料電池技術"三大項目，并撥款用于研制PEMFC驅動的電動汽車，全面展開了PEMFC的電池材料與電池系統的研究。在"十五"國家科技專項和"863"計劃的電動車重大項目中，把燃料電池城市客車列為一個重要子課題。現在我國研究開發的以PEMFC為動力的城市客車已經駛上街頭，該電池最大輸出功率可達150kW，電池組的功率密度、燃料使用效率等技術已經達到了國際先進水平。
? ? 3 燃料電池在軍艦上的應用
? ? 目前，各種燃料電池的研制風起云涌，其應用已滲透到各個領域，雖然汽車行業首當其沖，但船舶制造業也緊跟其后。
? ? 燃料電池用作艦載電池，用多個燃料電池分別為不同的艦載系統供電，避免一旦集中式供電系統受損全艦都無法工作。它的特點是標準化、低噪音、無振動，而且操作簡單、易維護，可以減少艦上人員。
? ? 英國國防評估和研究機構對PEMFC在未來海軍船只上的應用情況進行了鑒定，計劃利用PEMFC在船只停泊時提供1～2MW的電能。美國Analytic Power（AP）公司的研究結果表明，PEMFC是符合水面艦艇動力要求的集中動力系統中的最佳方案，隨后在美海軍的支持下開始研制用于艦艇的10KW的PEMFC系統。荷蘭海軍的研究表明，如果M型護衛艦的能源供應系統用燃料電池－柴油機混合設計，和平時期節約燃料25%－30%。除了進行可行性論證，荷蘭海軍還先后完成了1kW、5kW、10kW級的PEMFC設計與試驗。進行的傾斜試驗、沖擊振動試驗等試驗表明，這些變化條件對燃料電池性能無明顯影響。所以PEMFC在軍艦上的應用有很大的發展前景。
? ? 美國能源研究公司（ERC）與巴贊鋼鐵公司高技術部開始進行合作，聯合開發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采用內重整碳基燃油技術，不需要大部分燃料電池系統所用的外部氫氣發生裝置。
? ? 4 燃料電池在潛艇上的應用
? ? 目前常規潛艇裝備的是傳統的柴油－電力推進系統，水下行駛、推進等所需能量儲存在鉛酸蓄電池中，潛艇的連續潛游距離，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進行航行，使用柴油機潛游同時給蓄電池充電，因而水下續航力低。上浮充電不僅很容易被對方雷達偵察到，同時柴油機為蓄電池充電時的噪聲，極易被對方水聲器材偵察到，使潛艇暴露率高。因此減少通氣管航行的次數和時間，增加水下續航能力，降低暴露率，對潛艇的戰場生存具有重要意義。為此提出了采用不依賴空氣的動力裝置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，技術進步塊，因此在多種AIP系統中，PEMFC是最有潛力的。潛艇采用PEMFC－AIP系統后，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裝置，能夠進行超安靜運行，這些特性使得潛艇的隱蔽性大大提高，具有極強的"隱形"作戰能力。PEMFC重量輕、體積小、功率密度高的優點可擴大倉容，增強潛艇的靈活性和戰斗力。它的低噪聲、無污染的優點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系統續航力最大，并具有成為潛艇單一動力的潛力。因此PEMFC－AIP系統對提高潛艇的隱蔽性和作戰靈活性具有重要的軍事意義，PEMFC潛艇有可能成為繼傳統的柴油機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。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。該電池組進行1500小時的持續試驗后，裝于德國海軍新型212級潛艇上，并于2003年4月下水進行首次試航。它的動力艙采用燃料電池動力系統和柴-電動力系統混合使用的混合動力系統。燃料電池動力系統由燃料電池、液氧貯存柜和氣態氫貯存柜等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進行電化學反應，直接轉換成電能，輸出的直流電直接驅動電動機，電動機帶動槳軸，推進潛艇航行。每組燃料電池的輸出功率為34千瓦，9組總功率306千瓦，可使潛艇以4.5節的速度潛航1250海里，或15～17天，是普通柴電潛艇潛航時間的5倍。它的兩種動力系統既可單獨使用，又可聯合使用，相互補充。燃料電池動力系統用于水下長時間巡航，柴－電動力系統用于潛艇作戰時高速航行。
? ? 1991年俄羅斯在"比拉魚"型潛艇上試驗成功了低溫氫氧AFC，積累了豐富的經驗，而且考慮到較低的成本，所以他們設計的"阿穆爾"級AIP潛艇選用了AFC，功率達到了390 kW，能保證以水下3.5 kn的速度持續航行20天。
? ? 5 結束語
? ? PEMFC作為新一代的發電技術，以特有的高效率和環保性引起了全世界的關注，其在軍事上的應用也引起了各國軍事部門重視，美國已確定燃料電池為經濟繁榮和國家安全至關重要的27項必須發展的技術之一。我國在推進具有中國特色的軍事變革，適應新時期的軍事斗爭時，要加快高新技術的研究步伐。PEMFC應用于潛艇、軍艦等領域，將大大提高我軍的裝備水平，其在國防現代化和經濟發展中將會起著重要的作用。