軍用便攜式燃料電池技術(shù)發(fā)展

明 海，邱景義，祝夏雨，曹高萍

( 防化研究院，先進化學蓄電技術(shù)與材料北京市重點實驗室，北京 100191 )

隨著單兵綜合裝備系統(tǒng)的功能不斷拓展與作戰(zhàn)方式的多樣化，電池不但要提高比能量，減小體積、減輕質(zhì)量；還需提高易維護性，簡化后勤補給[1-2]。

現(xiàn)役單兵電源主要有鋅錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-二氧化硫電池、鋰氟化碳電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鋅空氣電池、太陽能電池和燃料電池等。前5種一次電池的技術(shù)成熟，其中鋰-亞硫酰氯和鋰氟化碳電池的比能量可超過400 Wh/kg，如英國無線電電臺用的鋰氟化碳電池，比能量約410 Wh/kg。鎳氫電池(比能量約80 Wh/kg)和鋰離子電池(比能量100～250 Wh/kg)，技術(shù)也比較成熟，后者的循環(huán)壽命更長，但隨著比容量的進一步提高，安全性有所降低。燃料電池具有靜音、運行時間長、可靠性高、比能量高及機動性強等優(yōu)點[3-6]，且不受天氣限制，噪聲、紅外和電磁輻射較低，與金屬空氣電池相比，成熟度相對較高。單兵執(zhí)行72 h任務(wù)，若1 h需要30 W的電力供應(yīng)，共需要的電量為2 160 Wh。采用鋰離子電池，質(zhì)量約10.9 kg、體積約9.5 L；采用鋅空氣電池，質(zhì)量約為8.4 kg、體積約9.0 L；采用燃料電池，則質(zhì)量僅約4.3 kg、體積僅約4.0 L[1，3]。

1 便攜式燃料電池技術(shù)

目前，單兵綜合系統(tǒng)用的便攜式燃料電池主要有直接甲醇燃料電池(DMFC)、重整甲醇燃料電池(RMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，以氫燃料電池為代表)等。部分便攜式燃料電池技術(shù)對比見表1。

表1 部分單兵便攜式燃料電池技術(shù)對比

1.1 DMFC

DMFC的輸出功率一般為20～1 000 W，具有燃料攜帶及存儲方便、電池結(jié)構(gòu)簡單和能量密度高等優(yōu)點[7]。甲醇燃料的理論比能量為6.1 kWh/kg(25 ℃)，考慮到便攜式電源使用過程中的損失，DMFC系統(tǒng)的實際比能量可達到0.3～1.8 kWh/kg，是鋰離子電池的2～7倍。目前，作為單兵便攜式電源，主要的研制廠家有德國SFC、韓國Samsung和中國科學院大連化學物理研究所等。

據(jù)報道，國外的DMFC技術(shù)起步較早。美國陸軍使用的M-25型DMFC單兵電源，可提供72 h平均20 W的電力，短時供電峰值可達200 W，能輸出8 V或14 V的電壓，全部能量約2 kWh，質(zhì)量為2.73 kg，比傳統(tǒng)電池約減輕了80%。它能作為陸軍指揮系統(tǒng)如無線電衛(wèi)星通訊、遠程監(jiān)控裝置等的移動電源[8]。該項目得到美國陸軍采辦挑戰(zhàn)項目總計約3億美元的資助。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)的可移動式DMFC電源，擬代替BA5590鋰-二氧化硫電池，總質(zhì)量1.025 kg、電壓12 V、容量14.4 Ah，應(yīng)用于美國軍方通訊系統(tǒng)。該電源的結(jié)構(gòu)基于壓濾機式的5對電池組設(shè)計，電極面積為45 cm2。電池組在14 V的工作電壓下可獲得80 W峰值功率，功率密度約為300 W/L，比能量為200 Wh/kg，優(yōu)點是每只單電池厚度僅2 mm，具有空氣流場結(jié)構(gòu)。美國MTI Micro燃料電池公司的Mobion-30M電池部件加上兩罐甲醇燃料，可滿足一名單兵72 h作戰(zhàn)所需的電量，相當于9只BA5590電池，質(zhì)量可減少一半。Protonex公司和Millennium Cell公司推出了能為單兵提供超長工作時間的30 W便攜式單兵電力系統(tǒng)(P2)，P2系統(tǒng)質(zhì)量約為5 kg，可在72 h內(nèi)提供相當于質(zhì)量為14 kg的常規(guī)電池的電量。

德國SFC公司研制的Jenny燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)交付德國、英國、挪威、比利時和荷蘭等國家軍方使用[9]，系統(tǒng)的質(zhì)量不到傳統(tǒng)電源的20%。該系統(tǒng)有兩個型號，分別為600S和1200，分別可提供25 W和50 W的連續(xù)電力輸出。JENNY 600S燃料電池系統(tǒng)，0.72 kg燃料(2瓶)可提供的電量相當于11 kg的BB2590電池(8只)；JENNY 1200燃料電池系統(tǒng)，產(chǎn)生的能量約5 kWh，相當于30.8 kg的BB2590電池(22只)。上述系統(tǒng)可與標準的軍用鋰離子電池相連接，便于將鋰離子電池的高比功率特性與燃料電池的高比能量特性、連續(xù)輸出特性結(jié)合，應(yīng)用于單兵綜合系統(tǒng)和無人值守的裝備。2016年11月，SFC公司開始向比利時特種部隊供應(yīng)便攜式燃料電池系統(tǒng)，該筆訂單額高達20萬歐元。系統(tǒng)包括JENNY 600S燃料電池、PM3G型能量管理器及其他附屬配件，用于軍隊在苛刻環(huán)境中執(zhí)行軍事任務(wù)。若按執(zhí)行96 h任務(wù)需要的能量來計算，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)電池減輕了80%的質(zhì)量。SFC公司2017年1月給印度提供了80套燃料電池設(shè)備(含EMILY 3000和JENNY 600S)，2017年5月與德國聯(lián)邦軍隊簽訂了16萬歐元的相關(guān)訂單[9]。雖然JENNY 1200的輸出功率是JENNY 600S的兩倍，但仍保持了該系列產(chǎn)品方便攜行的小尺寸和結(jié)構(gòu)(尺寸只比JENNY 600S增加60%)，使用壽命長達2 500 h，并且完全免維護。該產(chǎn)品充電快且能量密度高，配備該系統(tǒng)，可使部隊的執(zhí)行任務(wù)時間更長，而且在任何時候和任何地方，都能獲得電力供應(yīng)，得到了美國空軍的高度贊譽。Interginll Energy、FCH等公司也發(fā)布了類似的產(chǎn)品。將該產(chǎn)品進行輕小型化與適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進，即可作為單兵便攜式電源。

韓國Samsung公司開發(fā)的單兵用25 W主動型DMFC系統(tǒng)，一次產(chǎn)生的電量達1.8 kWh，相當于士兵執(zhí)行72 h任務(wù)所需的電能，可在任意區(qū)域使用。該電池已通過CERDEC 72 h任務(wù)的性能檢測，并于2010年開始在軍事應(yīng)用中推廣。

以色列Medis Technologies也推出了“電力騎士”的便攜式DMFC電池?！半娏︱T士”呈小型平板狀，可穿戴、背負，能以20 W的輸出功率持續(xù)供電72 h。

在原總裝備部某項目的支持下，大連化學物理研究所研制了輸出功率分別為25 W、50 W和200 W的DMFC系統(tǒng)，比能量達500 Wh/kg，約為鋰離子電池的3倍和鉛酸電池的10余倍，產(chǎn)品的壽命可達2 000 h以上。該系列DMFC系統(tǒng)可在-20～40 ℃穩(wěn)定工作，25 W和50 W型DMFC系統(tǒng)的質(zhì)量約為2～5 kg，可以保持14～30 V的直流(DC)輸出。清華大學核研院也自主研制了50 W的小型DMFC系統(tǒng)。

DMFC電池系統(tǒng)技術(shù)較成熟，性價較高，但甲醇燃料對人體有一定的毒性，電池運行過程中，甲醇電催化反應(yīng)會產(chǎn)生少量類CO中間物種，導致催化劑中毒，縮短電池使用壽命。應(yīng)著重研發(fā)更加高效、穩(wěn)定及低成本的催化劑，以延長電池使用壽命，并采用更加一體化系統(tǒng)集成和先進的電源管理系統(tǒng)，從而減小體積、減輕質(zhì)量，并提高環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 RMFC

RMFC是重整甲醇的PEMFC，同樣只使用甲醇作為主要原料，不同的是，采用外部的微型甲醇重組器通過蒸氣重整的方法現(xiàn)場制取氫，再供給PEMFC發(fā)電[4]。RMFC中的甲醇不直接進入PEMFC電堆進行電化學反應(yīng)，避免了DMFC中催化劑中毒的缺陷，也可彌補DMFC輸出功率不足的問題。Casio和Hitachi等公司將RMFC的輸出功率密度提高到200 mW/cm2，以作為便攜式驅(qū)動設(shè)備。

Ultra Cell公司推出的XX25和XX55型便攜式電源，已在美國軍方進行了現(xiàn)場測試。2009年，該公司中標美國空軍部發(fā)起的“50 W士兵便攜燃料電池系統(tǒng)”計劃。該計劃的目標是支持可靠、高效便攜的軍用燃料電池的設(shè)計和開發(fā)。2013年，該公司為美陸軍研制的便攜式RMFC系統(tǒng)，經(jīng)受了電磁干擾、冰凍、雨淋、撞擊和沙塵等一系列嚴格測試，儲能由原來480 Wh提高到12 500 Wh，電池使用壽命達2 500 h，增強了野外電力保障能力。美陸軍PRC-117戰(zhàn)術(shù)電臺采用傳統(tǒng)的BA-5590電池，滿足72 h作戰(zhàn)使用至少要準備13只，總質(zhì)量達15 kg；而使用XX25型RMFC，質(zhì)量可減少7 kg，費用降低一半。丹麥泰納已采用XX25型RMFC作為探險家-700的驅(qū)動電源。XX55型RMFC是25 W產(chǎn)品的改進型號，額定功率55 W，峰值功率可達85 W。該公司還開發(fā)了專為軍用電子設(shè)備現(xiàn)場充電而設(shè)計的3-Up再充電系統(tǒng)。此外，ABSL和QinetiQ公司在合伙承擔的PPS計劃中開發(fā)了基于甲醇重整+燃料電池單元的混合電池和以氨-硼烷-氫為燃料的PEMFC電池系統(tǒng)。

RMFC和DMFC是當前推廣到軍用領(lǐng)域比較成熟的燃料電池系統(tǒng)。若能進一步提高甲醇重整器的重整效率、降低工作溫度并延長重整器的啟停壽命，借鑒DMFC系統(tǒng)優(yōu)化催化劑和電池結(jié)構(gòu)，模塊峰值功率密度有望突破2 kW/L(比功率約1 kW/kg)，能量密度可達到2 000 Wh/L(比能量約1 000 Wh/kg)。這樣的電源，可以滿足未來單兵系統(tǒng)預定的96 h任務(wù)執(zhí)行周期的需要。

1.3 SOFC

SOFC工作溫度通常在600 ℃以上，反應(yīng)動力學過程快，可直接使用碳氫化合物燃料，因此燃料具有廣泛的適用性[10]。美國Nano Dynamics公司開發(fā)的Revolution 50型便攜式SOFC，燃料為丙烷，每填充一次燃料，大約可連續(xù)24 h輸出50 W的功率，比能量為3 000 Wh/kg。SPIROCELL電堆具有較高的功率密度(接近1 kW/L)和比功率(接近1 kW/kg)，使用丙烷燃料，結(jié)構(gòu)簡單，在相對低的溫度(600～700 ℃)下工作。該發(fā)電系統(tǒng)安裝在類似桶子的包裝中，總質(zhì)量不足10 kg，用于給便攜式電源提供能量。AMI公司、CERDEC和DARPA也聯(lián)合開發(fā)了以丙烷為燃料的SOFC(AMie60)。該電池額定功率為60 W，峰值功率達100 W；系統(tǒng)干態(tài)的質(zhì)量為2.8 kg，效率為18.0%；若以60 W輸出功率的工況工作，工作24 h對應(yīng)的比能量為400 Wh/kg，工作72 h對應(yīng)的比能量為760 Wh/kg。AMI公司還推出了300 W的AMI300丙烷燃料電池系統(tǒng)。Protonex公司也推出P200i型丙烷燃料電池系統(tǒng)，輸出功率為20～200 W，可循環(huán)使用250次，循環(huán)壽命合計約2 500 h，每0.45 kg的丙烷可使電池系統(tǒng)以200 W的功率輸出工作5 h。Protonex公司還曾向美陸軍提供了30套M250-CX電源系統(tǒng)，交易金額為149萬美元。該系統(tǒng)包含燃料電池和其他附屬設(shè)備，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軍用充電電池和輔助動力裝置，不僅輕便、噪音低和熱信號弱，而且輸出功率可達250 W(電壓為28 V)。Protonex公司還將推出船用P200m燃料電池系統(tǒng)。Ultra-USSI公司推出了采用丙烷為燃料、適用于士兵遠征作戰(zhàn)的D350型SOFC，功率為350 W。電池與丙烷(5.9 kg)加起來的質(zhì)量是15.8 kg，可產(chǎn)生13 kWh的能量；而15.8 kg的鋰離子電池(約11只)卻只能產(chǎn)生2.2 kWh的能量。該SOFC系統(tǒng)輕便易攜行，工作時的聲音僅與電腦風扇相當。該公司還生產(chǎn)了更輕便的D245XR型SOFC，輸出功率和電壓分別為245 W和28 V，質(zhì)量只有2.6 kg，可滿足無人機和無人戰(zhàn)車的使用需求。

丙烷具有高能量密度(25 ℃，6.3 kWh/L)和易轉(zhuǎn)換為液態(tài)保存的特性，適合用于小型化的單兵便攜式電源[11]。Protonex、Ultra-USSI等公司已推出多款產(chǎn)品。若能進一步降低工作溫度、精簡電池結(jié)構(gòu)、縮短啟動時間、優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的集成控制，將是高比能單兵便攜式電源的重要選擇。

1.4 PEMFC

PEMFC以氫氣為燃料時的工作性能最佳，轉(zhuǎn)換效率可達50%。氫氣并非隨處可得，因此氫氣的制備與存儲成為PEMFC發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。氫氣可通過壓縮氣體、低溫液態(tài)和儲氫材料等方式存儲，也可采用硼氫化物和金屬粉體等原料現(xiàn)場水解制-供氫。目前開發(fā)的PEMFC系統(tǒng)，多數(shù)是以現(xiàn)場制氫為主，如法國NEXTER公司的TEYA型PEMFC發(fā)電機，主要包括燃料電池部分和化學制氫裝置。浙江高成綠能科技公司開發(fā)了包含制氫模塊、控制管理模塊和發(fā)電模塊的MINEK 100便攜式PEMFC發(fā)電系統(tǒng)，具有發(fā)電、儲電及供電等多種功能，可提供多種交直流電壓輸出。該系統(tǒng)體積為36.9 L，質(zhì)量約15 kg，額定功率70 W，峰值功率150 W，每罐燃料產(chǎn)生的能量大于200 Wh，具有燃油發(fā)電機的長續(xù)航能力，無高溫和噪聲、易操作，可作為電子裝備供電電源及電池的充電電源。上海攀業(yè)氫能源科技有限公司推出了200 W型PEMFC系統(tǒng)，采用硼氫化鈉作為氫源，可在20～200 W的功率區(qū)間內(nèi)供電。北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司推出了輸出功率為20 W、質(zhì)量僅1 kg的NowoGen S20型便攜式PEMFC系統(tǒng)。北京首貝爾科技發(fā)展有限公司在軍民融合展上展出了SFC6600系列便攜式氫燃料電池，可產(chǎn)生6 kWh的電量。氫燃料電池箱體質(zhì)量為15 kg，一人可背負，內(nèi)部安裝有12 L的氫氣瓶，最大輸出功率為600 W，可選擇輸出AC220 V、DC12 V/5 V等多種模式，功率密度和比功率是傳統(tǒng)鋰離子電池的4倍。Toshiba公司的PEMFC系統(tǒng)，消耗21 ml H2所提供的能量與10只LR6電池相當。

基于能量密度、安全可靠性、發(fā)電效率和成本等因素綜合考慮，氫燃料電池在便攜式電源領(lǐng)域并非主流，技術(shù)先進性不明顯且價格較貴[12]。在完善氫的制備、運輸與存儲、系統(tǒng)溫控等問題后，PEMFC憑借較高的能量密度、輕小型化、快速啟動的優(yōu)勢，在單兵綜合系統(tǒng)中仍有一定的應(yīng)用前景。

2 單兵便攜式燃料電池的發(fā)展前景

隨著單兵信息化裝備的大量使用，系統(tǒng)對電能源的需求越來越高，但目前野外電能補充裝備極少，只能依靠營區(qū)市電進行充電保障，不符合未來戰(zhàn)爭的需求。利用燃料電池作為便攜式電源，可兼顧高密度儲能的需要和柴/汽油發(fā)電機的持續(xù)性，可為武器裝備提供優(yōu)質(zhì)高效的電能保障。目前，SFC、Ultra Cell、Protonex及Ultra-USSI等公司的便攜式燃料電池都已裝備到部隊。2017年，全球燃料電池市場份額預計將達到17億多美元，其中SOFC占到12億美元，PEMFC的份額為3.39億美元，其他燃料電池體系占1.76億美元。當前，20 W～1 kW的燃料電池可作為小規(guī)?？焖贆C動部隊的便攜式電源，具有燃料補給靈活和持續(xù)工作時間長等優(yōu)點；1～100 kW的可作為車/艦載電源，也可與儲能電池(鋰離子電池、鉛酸電池等)集成，作為野戰(zhàn)電力保障系統(tǒng)；而100～1 000 kW的則適用于各類軍事基地、哨所等相對固定場所的不間斷電源；燃料電池加料方便、無需后備電源并可連續(xù)工作，作為戰(zhàn)場指揮中心計算機網(wǎng)絡(luò)及通訊系統(tǒng)的電源，可避免因更換電池導致整個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷的現(xiàn)象，對現(xiàn)代軍事指揮系統(tǒng)至關(guān)重要[13]。

燃料電池若能解決目前存在的電堆成本較高、系統(tǒng)啟動時間較長和系統(tǒng)可靠性較差等問題，巨大的商業(yè)應(yīng)用前景帶來的經(jīng)濟效益將不可估量，有望成為下一個推動能源發(fā)展的領(lǐng)軍者。燃料電池憑借高比能、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在3C產(chǎn)品、電動交通工具、航天工業(yè)等領(lǐng)域都會有很好的應(yīng)用。

3 結(jié)論

綜上所述，發(fā)展具有攜帶方便(質(zhì)量≤1.5 kg)、輕小型化(體積≤3 L)、寬工作溫度范圍(-55-70 ℃)、長壽命(>5 000 h)和高可靠性特點的便攜式燃料電池，可以顯著提升武器裝備水平，并優(yōu)化后勤補給，為未來的信息化戰(zhàn)爭提供有效保障。燃料電池模塊技術(shù)也可作為車/艦載驅(qū)動電源、通信基站備用電源和營房/指揮所的不間斷電源，軍事應(yīng)用前景廣闊，具有重要的戰(zhàn)略意義。相較于國外Ultra Cell、SFC、Protonex和Ultra-USSI等公司的技術(shù)，國內(nèi)的燃料電池技術(shù)盡管在燃料轉(zhuǎn)換效率、功率輸出密度控制等關(guān)鍵技術(shù)方面相差不多，但在系統(tǒng)集成與輕小型化等方面尚有一定差距，而且國外此類產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)均對中國有所保留。我國應(yīng)加速便攜式燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)，重點解決DMFC的催化劑、RMFC的重整效率/溫度、SOFC的工作溫度/轉(zhuǎn)換效率和PEMFC的儲氫等問題。

致謝：感謝上海攀業(yè)、浙江高成、北京氫璞、大連化學物理研究所等單位提供的寶貴信息。

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