燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海200438）

0 引言

坦克是兼具防護(hù)性、機動性以及強大火力的軍用裝甲車輛。二戰(zhàn)期間，坦克在陸用軍事武器領(lǐng)域可謂獨領(lǐng)風(fēng)騷，尤其是龐大厚重的重型坦克。主戰(zhàn)坦克則是20世紀(jì)60年代以后出現(xiàn)的新型戰(zhàn)斗坦克，在火力及防護(hù)性領(lǐng)域均超越了原有的重型坦克，同時又具備更卓越的機動性能，能更好地適應(yīng)戰(zhàn)場，由此動力裝置的重要性不言而喻[1-2]。坦克動力裝置通常有著如下技術(shù)特點：

（1）有著較好的可靠性與耐久性，以此可確保坦克在運行及作戰(zhàn)時的機動性。

（2）單位體積功率大，單位體積功率越大，意味著動力裝置在一定功率下在坦克內(nèi)部所占的體積就越小，坦克的外形尺寸也可能越小，降低了車體被炮火擊中的可能性。

（3）比重量小，通常比重量越小，則意味著動力裝置自身較輕，可確保坦克自身的機動性，在戰(zhàn)時有著較好的加速性能。

（4）有著寬廣的轉(zhuǎn)速及扭矩變化范圍，可滿足坦克的動力性需求。

（5）具備較好的適應(yīng)性，在寒區(qū)易于啟動，在高溫區(qū)不易過熱，因地制宜，同時可適應(yīng)多種燃料。

燃料電池最早于20世紀(jì)60年代應(yīng)用于航天工業(yè)。直至20世紀(jì)90年代燃料電池才逐漸被應(yīng)用于車用動力裝置，為驅(qū)動電機提供驅(qū)動力能源，以此替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的使用。

燃料電池是一類可在等溫條件下將儲存于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，其具備較為復(fù)雜的系統(tǒng)。供給能量的活性物質(zhì)獨立于燃料電池，因此只需供給燃料與氧化劑，燃料電池即可像傳統(tǒng)的內(nèi)燃機一樣保持連續(xù)工作。因此燃料電池并非傳統(tǒng)意義上的電池，其基本原理可看作是電解水的逆向過程，在反應(yīng)過程中將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

燃料電池通?？梢罁?jù)電解質(zhì)類型進(jìn)行區(qū)分，通?？煞譃榱姿崛剂想姵亍A性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池，以及固態(tài)氧化物燃料電池。依據(jù)工作溫度不同，可將堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池視作低溫型燃料電池；磷酸燃料電池為中溫型燃料電池；熔融碳酸鹽燃料電池及固態(tài)氧化物燃料電池則為高溫型燃料電池。

本文通過對燃料電池與柴油機的優(yōu)劣勢對比，從而對燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的可行性進(jìn)行了分析，并提出了當(dāng)前主要面臨的技術(shù)性問題，同時對其在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，為后續(xù)科學(xué)研究及工程應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)。

1 燃料電池在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 軍事備用電源

當(dāng)前，燃料電池在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要應(yīng)用于軍事備用電源。大量在野外進(jìn)行使用的便攜式電子設(shè)備是現(xiàn)代軍事行動的重要特征之一[3]。高能量密度的燃料電池便攜式電源可以減輕負(fù)重，提高部隊前進(jìn)效率，并且加注燃料的方式使其可進(jìn)行工作的時間大大延長，這些特點使得燃料電池便攜式電源在軍用領(lǐng)域受到青睞。

德國SFC公司開發(fā)的JENNY600S是應(yīng)用于徒步士兵系統(tǒng)的直接甲醇燃料電池。這款電池十分小巧，工作安靜，可直接將其背在身上，其輸出功率為25 W，而質(zhì)量只有1.3 kg，相比于鋰離子電池，可大幅降低負(fù)重達(dá)80%，并有效提升作戰(zhàn)續(xù)航能力。

由SFC公司開發(fā)的EMILY燃科電池則專門用于軍用車輛移動電源，可為車上各種設(shè)備電池自動充電，其功能相當(dāng)于發(fā)電機。除了用于車載電源之外，該款燃料電池也可以用于帳篷、草屋、各種掩體等多種環(huán)境，為各種設(shè)備獨立供電

美國Ultracell公司則專門為美國陸軍設(shè)計了一種功率為25 W的便攜式重整甲醇燃料電池。2009年12月，這種燃料電池加入加利福尼亞州本寧堡機動作戰(zhàn)實驗室“陸軍遠(yuǎn)征武士試驗”。該電池可滿足軍隊在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的移動電子設(shè)備的用電需求，如微型通信終端、遠(yuǎn)程系統(tǒng)、電池充電、計算機和無線電接收裝置，最長可提供長達(dá)25天的不間斷電能供應(yīng)。該款燃料電池工作時無噪聲，無污染物排放，用于驅(qū)動無線電、衛(wèi)星通信、遠(yuǎn)程或移動監(jiān)察系統(tǒng)，在目前的軍用便攜式電源中可謂佼佼者[4]。

1.2 軍用車輛動力來源

但不可否認(rèn)，目前國內(nèi)外以燃料電池等新型能源作為動力來源的新型裝甲軍用車輛目前仍處于探索和驗證階段，具體應(yīng)用實例較少。美國陸軍近年來研制出的首輛采用氫燃料電池的“侵略者”機動車，標(biāo)志著美國陸軍向車輛動力多元化邁進(jìn)的重要一步。

“侵略者”機動車采用了10 kW的燃料電池混合動力系統(tǒng)，車輛行駛噪聲小，最高速度達(dá)130 km/h，0～65 km/h的加速時間僅為4 s.該車由美國陸軍坦克機動車研究、發(fā)展和工程中心（TARDEC）所屬的國家機動車輛中心（NAC）與昆騰燃料系統(tǒng)技術(shù)公司聯(lián)合研制。

除了大型裝甲軍用車輛之外，相關(guān)科研人員預(yù)計，在環(huán)境惡劣的地區(qū)可大規(guī)模部署小型無人地面車輛，以便執(zhí)行執(zhí)行監(jiān)視和偵察任務(wù)。初步研究表明，根據(jù)所包含的任務(wù)，最可取的燃料電池單元的輸出能力是5～15 kW[5].可靠的和低成本的燃料電池可滿足這些小型無人地面車輛的電功率要求。除了美國的空軍和陸軍，海軍也正在考慮部署采用燃料電池作為動力來源的無人駕駛的水下車輛來執(zhí)行特殊任務(wù)。

2 燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的應(yīng)用前景展望

燃料電池相比于其他常用動力電池，在動力性方面有著其自身的顯著優(yōu)勢，但同時也有著成本較高的劣勢。就目前而言，如要將現(xiàn)今常見的動力電池中應(yīng)用于坦克動力裝置，燃料電池可謂是最具前景的一類，如表1所示。

表1 燃料電池與其他幾類動力電池的對比[6]

2.1 燃料電池與柴油機的對比

但就目前而言，柴油機仍是坦克動力裝置的首選，燃料電池作為一類新興的動力裝置，相比于傳統(tǒng)柴油機，有其優(yōu)勢亦有其劣勢[7-8]。

2.1.1 燃料電池的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)柴油機，燃料電池具備如下傳統(tǒng)優(yōu)勢：

（1）燃料電池理論效率可達(dá)90%，實際效率約為40%～60%，在常用工作范圍內(nèi)明顯高于傳統(tǒng)柴油機（其理論效率隨輸出功率的總體變化趨勢如圖1所示）。

（2）噪聲低、振動小，無機械回轉(zhuǎn)部件，工作時較為安靜。

（3）以氫氣作為燃料，工作時無污染，幾乎沒有硫化物及氮氧化物的生成。

（4）燃料適應(yīng)性強，含有氫原子的物質(zhì)均可用作燃料電池的燃料。

（5）能量輸出較為靈活，通過控制可線性地輸出電能[9]。

圖1 燃料電池與柴油機的理論效率隨輸出功率變化的對比曲線[10]

2.1.2燃料電池的劣勢

相比于傳統(tǒng)柴油機，燃料電池存在著如下傳統(tǒng)劣勢：

（1）氫燃料難以獲取，不易保存，整體技術(shù)成熟度較低。

（2）高溫工作時穩(wěn)定性及壽命有待提升，通常而言其效率會隨著工作溫度的上升而下降（如表2所示）。

（3）原材料及電池裝置成本較高。

（4）對電池系統(tǒng)控制要求較高。

表2 燃料電池理論效率與工作溫度的關(guān)系[11]

2.2 燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的技術(shù)特點

如上文所述，相比于當(dāng)前在坦克等裝甲車輛動力裝置領(lǐng)域大放異彩的柴油機，燃料電池同樣有著自身的優(yōu)勢。除了效率較高等固有屬性，燃料電池應(yīng)用于坦克等軍用車輛還有著提高整車隱蔽性及動力響應(yīng)性的技術(shù)特點。

2.2.1 隱蔽性好

對于坦克等移動軍用武備而言，隱蔽性是一大重要技術(shù)特征。柴油機等傳統(tǒng)熱力發(fā)動機不但有著較強的振動噪聲，其尾氣排放同樣也會極大程度地降低整車的隱蔽性，在戰(zhàn)術(shù)方面存在著難以消除的技術(shù)劣勢。

而燃料電池則有著較少的機械運動部件，振動噪聲也較低。如11 MW大功率燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的噪聲水平通常低于55 dB.可使得車輛行動噪聲有效降低，減少被敵方發(fā)現(xiàn)的幾率。同樣，燃料電池自身的反應(yīng)殘留物主要為水蒸氣，可減少車輛排氣熱輻射，可有效提升整車隱蔽性。

2.2.2 動力響應(yīng)性好

坦克經(jīng)常要在不同的地域作戰(zhàn)，需涉過不同的復(fù)雜地形。相比于柴油機，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對負(fù)荷變動的響應(yīng)速度較快，對超過額定功率的過載承受性較好。即使在額定功率以下的負(fù)荷工況下運行，其效率變化也不大。因此可有效滿足整車需求，并可隨時調(diào)整輸出功率，利于克服不同的地形，實現(xiàn)坦克跨地區(qū)作戰(zhàn)的環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的現(xiàn)存主要問題

2.3.1 氫燃料制取及儲運補給問題

通常認(rèn)為氫是燃料電池最為理想的燃料。氫燃料可直接參與電化學(xué)反應(yīng)，并且產(chǎn)物為清潔的水，不會造成環(huán)境污染。但如要將氫氣作為坦克用燃料電池的燃料，仍面臨一些技術(shù)難關(guān)。

除了較高的成本之外，要以氫氣作為燃料，仍需重點解決如下兩個問題。其一是如何采用經(jīng)濟有效的方式獲取氫。氫可以由天然氣等傳統(tǒng)燃料通過技術(shù)轉(zhuǎn)化而成，作為一類二次能源，其制取方式需消耗大量的能量，并且無法從根本上擺脫對化石燃料的依賴。在自然界中的大量氫儲存在水中，盡管取之不盡，但是采用電解水的制取方式就當(dāng)前的技術(shù)水平來看，并不經(jīng)濟實惠。目前認(rèn)為可用太陽能分解水進(jìn)行制取氫，該制取方式具備較好的技術(shù)前景，但只有當(dāng)能廉價并大量地生產(chǎn)氫燃料時，燃料電池的燃料問題方可得到根本解決。

第二問題即如何為燃料電池供給氫燃料，該問題相比前者更為嚴(yán)峻。通常氫可采用三種狀態(tài)進(jìn)行儲備及運輸，及高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)以及氫化物狀態(tài)。采用常規(guī)壓縮氣罐儲備的氫能源，運量有限，同時考慮到復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，對相關(guān)配套設(shè)備裝置的可靠性也有著較高的技術(shù)要求。

2.3.2 動力性及可靠性問題

就目前而言，燃料電池的功率密度及能量密度仍有進(jìn)一步提升的空間，同時及技術(shù)成熟度亦較為有限，如即時應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克動力裝置，則其可靠性亦無法得到保障，影響到整車的戰(zhàn)斗力及機動性。

并不像傳統(tǒng)內(nèi)燃機等熱機采用牢固金屬機體結(jié)構(gòu)，燃料電池對于戰(zhàn)時的各類沖擊爆炸的抵抗力相對較弱，一旦受損后其運作生命力難以得到保障。更為嚴(yán)重的是，其安全性也堪稱一大隱患。因此，盡管燃料電池動力系統(tǒng)在公路運輸中的重要性日益凸顯，但如要即刻應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克動力裝置，仍有較長的一段路要走。

2.4 燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的前景展望

目前燃料電池在公路運輸領(lǐng)域尚未得以大規(guī)模推廣應(yīng)用[12-13]，應(yīng)用于坦克等軍用裝甲車輛更是僅處于試驗性研發(fā)階段。即使目前仍有著制造成本較高、可靠性、耐久性及技術(shù)成熟度較低、氫氣制取及儲備較為困難等一系列弊端，但由于燃料電池自身所具備的高效、低噪聲等一系列固有屬性，可有效提升整車的隱蔽性及動力響應(yīng)性，因此其應(yīng)用于坦克動力裝置仍有一定的技術(shù)前景。

不可否認(rèn)，隨著低Pt含量合金電催化劑技術(shù)、金屬表面改性與沖壓技術(shù)、低成本質(zhì)子交換膜技術(shù)、汽油重整制氫技術(shù)等相關(guān)前沿領(lǐng)域的不斷開拓與發(fā)展，燃料電池應(yīng)用于坦克動力裝置的前景可謂蒸蒸日上，日漸明朗。

3 結(jié)論

目前國內(nèi)燃料電池相比于國外總體處于落后狀態(tài)。并且依然在制造成本、可靠性及耐久性、技術(shù)成熟度、氫氣制取及儲備等有著其技術(shù)劣勢。

柴油機作為一類成熟可靠的熱力發(fā)動機，在將來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，仍會作為主流坦克用動力裝置。考慮到目前化石能源的日漸枯竭等問題，盡管技術(shù)尚未完全成熟，但隨著燃料電池自身技術(shù)的發(fā)展及經(jīng)濟性的改善、氫燃料制取及儲運方式的日益成熟，燃料電池終將在坦克動力裝置領(lǐng)域占據(jù)一席之地。