丁刚强，彭元亭
（中国船舶重工集团公司第712研究所，武汉 430064）
摘 要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，能很好应用在军事设备上。国外对PEMFC用于陆地军事设备研究主要有三个方向：单兵作战动力电源（<100W）、移动电站（100W-500W）和军车动力驱动电源（500W-10kW）；海军军事设备上应用分为海面舰艇辅助动力源、水下无人驾驶机器人电源和潜艇的驱动电源；空中军事应用主要用于无人驾驶飞机。最后认为随着PEMFC技术发展完善能广泛用于军事系统或装备。
质子交换膜燃料电池是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置[1]。电池单体由双极板、扩散层、催化层和质子交换膜组成，如图1所示。电池工作过程实际是电解水的逆过程。氢气由阳极极板流场通道进入扩散层，再通过扩散层到达阳极催化层。
在阳极催化剂作用下H2在阳极催化层中解离为H+和带负电的电子。
阳极：2H2→4H++4e-
阳极催化层反应生成的H+穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。氧气由阴极极板通道进入扩散层，再通过扩散层到达阴极催化层。在阴极催化剂作用下阴极氧离子和与阳极催化层（10-30µm） 阴极催化层（10-30µm）通过PEM到达阴极的H+以及电子反应生成水。
阴极：O2+4H++4e-→2H2O
总的电池反应为: O2+2H2→2H2O
质子交换膜燃料电池具有以下优点[2]：1）高能量转化效率，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制；2）低温快速启动，化学反应迅速，适应负载变化；3）低热辐射和低排放，运行温度低于100℃，排放物是纯净水，几乎没有氮和硫的氧化物；4）运行噪声低，可靠性高。燃料电池电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；5）适应不同功率要求，燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组，根据需要的功率大小，来选择组装的层数。正是由于质子交换膜燃料电池有这么多的优点，它可以广泛用于军事领域。
1 PEMFC在陆军军事装备应用
国外军方开展燃料电池在军事上研究比较早。燃料电池在陆军事装备中的应用主要有三方面：一是作为单兵作战动力电源（<100W）；二是作为移动电站（100W-500W）；三是作为地面军用动力驱动电源（500W-10kW）[3]。
从1980年到1990年随着微电子的发展，单兵配备很多新式装备如夜视镜、全球定位系统(GPS)、通讯联系设备和智能搜索系统。这些系统成为士兵的数字化装备必备系统。士兵必须带有很多不同型号的单电池为这些设备提供电源。
PEMFC就可以为所有设备提供动力，减轻单兵所带电源。鲍尔航天与技术公司（Ball Aerospace & Technologies）为陆军提供两种移动电源功率分别为50W和100W，如图2所示。
美国军方发布的混合动力军车是以柴油动力系统和燃料电池动力系统并联运行的混合动力型军车。PEMFC能量转换效率为约40％，高于内燃机的30％，可以减轻美军在油料物资运输上的负担和费用[4]。通用公司为运输车提供混合动力中的5kWPEMFC辅助系统，如图3所示。装甲车作战时除了有较强的移动能力，还需要良好隐蔽性。装甲车处在静态守候状态，一般电池无法提供车上大量的通信设备和预警装置，这时就依靠PEMFC发电系统，它能够在满足低温和低噪音要求运行。美国陆军研究与开发司令部通信与电子研究开发中心（CERDEC）公布一种2kWPEMFC给轻型装甲车提供辅助动力[5]，它使用甲醇重整氢气装置作为氢源，如图4所示。这些年对PEMFC研究随着良好设计，有效热管理和水管理，膜电极制作改进使得电池性能提高和成本降低。军事应用中需要一个高度安全，便于运输和相对可靠氢源。最近研究终点从“电堆”转移到“燃料”上来。因此需要发展氢气的高储能装置和发生装置。
2 PEMFC在海军军事装备应用
燃料电池在海里军事装备中的应用主要有三个方面：一是作为海面舰艇辅助动力源；二是作为水下无人驾驶机器人电源；三是作为潜艇的驱动电源。
美国海军1995年完成了一项燃料电池技术在用作船用电网和推进系统时，对驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰的设计性能及其影响进行了评价研究。海军水面战中心(NSWC)和美国海军研究署(ONR)，以及美国防高级研究计划局(DARPA)合作对巴拉德公司(BALLARD)提供500kW PEM 模块进行了测试[6]。美国海军计划在2007-2011年实现2.5MW电堆用于驱逐舰，如图5所示。最终目标是25MW的电堆。一般电池电能释放完后报废或需进行充电，PEMFC只要向其不断输入燃料和氧化剂，就能不断产生电能。PEMFC可以长时间连续工作，非常符合水下无人驾驶机器人的动力要求。UTC公司在1990年研制一个10kW PEMFC电堆用于海军的水下无人驾驶机器人(UUV) ，如图6所示。
潜艇上的应用。2002年3月德国潜艇制造商HDW公司制造的212A型常规潜艇采用了燃料电池和柴电动力联合推进系统，如图7所示。其中柴电动力系统中有一台16V396型增压高速柴油机，燃料电池动力系统由9组PEMFC模块、14吨液氧贮存柜和1.7吨气态氢贮存柜3部分组成。燃料电池是由西门子公司提供[7]。212型潜艇的水中连续潜航就能达到2至3周，传统的柴电动力潜艇在水下潜航2～3天，就会耗尽电池能量，必须浮上水面给蓄电池充电。同时燃料电池运行没有噪音，而且不会放出热量，这些因素有助于潜艇不易被识别。212A 型潜艇的燃料电池动力系统用于水下长时间巡航。
柴-电动力系统用于潜艇作战时高速航行。单靠燃料电池航行时,其航速可达8节；当以4.5节航速潜航时，该电池系统还可提供11kW的生活用电。同时续航力可达2315km，潜航时间达278h。两种动力系统同时工作时,潜艇的水下持续航行时间能超过364h，续航力达到3034km，这比209型潜艇的水下续航力提高了4.4倍，从而大大提高了212A型潜艇的生存力与战斗力。西门子公司下一步将进一步研制120kW的PEMFC模块，使用2个模块240kW代替现有潜艇上的PEMFC模块。俄罗斯研制燃料电池也有三十多年历史，在八十年代初成功进行了燃料电池推进系统的运行试验。俄红宝石海上工程中央设计局设计的第四代常规动力潜艇发展“阿穆尔”级（Amur）型潜艇将装备燃料电池推进系统,如图8所示。
3 PEMFC在空军军事装备应用
PEMFC具有高能量密度，使得它能为无人驾驶飞机提供驱动力。美国航空航天局（NASA）研制一架使用燃料电池做推进无人太阳能飞机的备份动力的无人驾驶飞机太阳神号(Helios) ,如图9所示。
这架飞机在2001年8月缔造世界飞行高度的纪录，飞抵32,160m高空。太阳神号外形是一个飞行翼，长82m，由前面至后面只有2.6m。两名飞行员在地面可以利用手提电脑遥控它。太阳神机翼上有62,000 枚太阳能电池，以此驱动由小型电力马达所转动的14具螺旋桨；太阳神可以接近自行车的速度起飞，并以每个小时9至15km的速度飞行。设计制造太阳神号的美国Aero Vironment公司正在发展可重复充电的氢氧能源储存系统。太阳神号白天多余的太阳能转存至燃料电池以在夜间使用，实现能在空中飞行几个月时间，提高飞行半径和对偏远地区的侦探。
Aero Vironment公司又在2003年5月对一架由燃料电池作为驱动力的微型飞行器 “大黄蜂”(Hornet)进行了试飞，验证用燃料电池作为动力的微型飞行器进行长时间飞行的可能性。“大黄蜂”重170g，翼展38cm，如图10所示。“大黄蜂”机翼的上表面可以清楚地看到顺序排列18节燃料电池，电池串联在一起，每一节产生0.5～0.6V的电压。机翼的底部是标准结构，上表面是由薄的燃料电池组成，电池内储有低压氢，并与外界空气中的氧反应产生电和水。
美国波音公司也开展使用燃料电池做动力推进系统的UAV研究。波音公司与美国防高级研究计划局签订了无人机燃料电池动力系统开发合同，前期投入资金为30万美元，按设计要求新型燃料电池的无人机将延长无人机的空中连续飞行时间。燃料电池动力系统能使无人机在空中连续飞行数周，而不是现在的几十小时。计划项目的第一阶段，波音无人机系统部将领导一支团队来设计无人机的燃料电池推进系统，并且完成风险减除研究。2003年建成并演示完整的燃料电池动力系统平台，以便为研究的第三阶段提供动力系统。第三阶段，波音公司将生产出一架采用燃料电池动力系统的无人机原型机。
4结语
PEMFC至今已经做了大量的研究工作并取得丰硕的成果；此外氢气制备、储存和运输技术，电堆系统优化和控制技术的不断完善，使得它正在朝着实用化方向发展。这为我们在军事中应用PEMFC打下基础，不过还有一些配合需要改进。
1）PEMFC模块和使用装备配合，不同的装备驱动动力不一样，为它们选择相应的功率、体积和重量的PEMFC。
2）PEMFC系统和另外一个动力系统配合，在混合动力系统中，协调两个系统工作状态。
3）PEMFC系统和环境的配合，环境中的雨、灰尘、温度都会影响到PEMFC系统运行。通过改进这些方面配合有效提高我军的装备和系统的作战能力。
参考文献：
[1].林维明著.燃料电池系统[M].北京 化学工业出版社,1996.
[2].D.Schmal,C.E.Kluiters,I.P.Barendregt.Testing of a De Nora polymer electrolyte fuel cell stack of 1kW for naval applications[J].J Power Sources,1996,61: 255-257.
[3].C.G.Quah,N.Sifer,A.Patil,et al.Compact fuel cell systems for soldier power,in Proceedings of the International Fuel Cell Conference,2003.
[4].N.Sifer,K.Gardner.An analysis of hydrogen production from ammonia hydride hydrogen generators for use in military fuel cell environments[J].J Power Sources,2003,121: 135-141.
[5].Ashok S.Patil,Terry G.Dubois,Nicholas Sifer,et al.Portable fuel cell systems for America’s army: technology transition to the field[J].J Power Sources,2004,136:220-225.
[6].Stefan.Geiger,David Jollie.Fuel cell market survey:Military Applications.FUEL CELL TODAY,2004.
[7].张小琴,易良廷.燃料电池在军事装备中的应用分析[J].移动电源与车辆,2004,3:33-38
