氫燃料電池系統(tǒng)在未來裝甲車輛上的應(yīng)用研究

陳 瀟， 王一拓， 李中華

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

隨著作戰(zhàn)形式和作戰(zhàn)環(huán)境的變化，未來戰(zhàn)場陸軍作戰(zhàn)方式將迎來重大變革，以打準(zhǔn)備之仗、打勝仗為目標(biāo)，要求我軍未來一線裝甲車輛逐漸向高打擊、高機(jī)動、高防護(hù)(隱身)、高可靠性方向發(fā)展.未來裝甲車輛將成為搭載電磁炮、電化學(xué)炮、大功率激光等作戰(zhàn)武器，具備全電炮控、電傳動，采用電磁減振懸掛，采用電磁裝甲、電磁隱身等防護(hù)高新技術(shù)的一線突擊作戰(zhàn)平臺.該平臺可根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)及作戰(zhàn)區(qū)域需求，搭載不同負(fù)載單元進(jìn)行作戰(zhàn)匹配，這將成為未來裝甲車輛主流趨勢.未來裝甲車輛的整車動力系統(tǒng)、作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、能量傳輸系統(tǒng)、主被動防御系統(tǒng)均涉及一個(gè)核心，就是電能的來源.

目前裝甲車輛的電能供給主要有汽(柴)油發(fā)電、汽(柴)油-鋰離子電池混合動力發(fā)電(油-電混合)、純鋰離子動力電池供電(純電動)3種模式.面對未來裝甲車輛對電能的需求，上述3種模式均存在一定的缺點(diǎn)：采用汽(柴)油或油-電混合為動力源，需與發(fā)電機(jī)協(xié)同提供“電能”，滿足車輛動力、續(xù)航里程及長時(shí)功率輸出響應(yīng)速度要求，但存在環(huán)境噪聲較大、熱輻射效應(yīng)明顯、瞬時(shí)功率響應(yīng)較慢的短板，另外受卡諾熱機(jī)效應(yīng)限制，其內(nèi)燃機(jī)熱效率最高約為45%[1]；“純電動”模式直接以鋰離子動力電池作為能量儲存裝置，具備低輻、低噪和瞬時(shí)大功率等技術(shù)優(yōu)勢，并且能量密度可以達(dá)到300 Wh/kg(《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》——2020年指標(biāo))，但是相對于傳統(tǒng)柴油能量密度3 800 Wh/kg(柴油燃燒能46 MJ/kg，轉(zhuǎn)換效率30%)而言，作為二次能源的鋰電池能夠提供的“電”能源著實(shí)有限，勢必對續(xù)航里程造成嚴(yán)重影響.

可見，在現(xiàn)有能源供給模式下，無論采用“油-電混合”動力模式還是純電動模式，均無法在熱輻射、噪聲、長時(shí)功率輸出、瞬態(tài)功率響應(yīng)和續(xù)航里程5個(gè)方面取得平衡.在這一背景下，急需引入持續(xù)、穩(wěn)定、安靜的新型電能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在未來裝甲車輛電能源供給，滿足未來作戰(zhàn)需求.

本研究將氫燃料電池系統(tǒng)引入未來裝甲車輛電能源系統(tǒng)，從氫燃料電池的特性對應(yīng)裝甲車輛作戰(zhàn)使用、環(huán)境適應(yīng)、瞬時(shí)/長時(shí)大功率等需求，深入分析未來裝甲車輛選用氫燃料電池的可行性，并給出輕中重型裝甲車輛選用氫燃料電池作為電能源的選型方式.

1 氫燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 氫燃料電池的系統(tǒng)組成

燃料電池，又稱電化學(xué)發(fā)電器，由正負(fù)兩個(gè)電極(燃料電極、氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成.電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，電子通過外電路做功產(chǎn)生電能.通過消耗燃料(如氫氣)和氧化劑(如純氧或空氣)產(chǎn)生可持續(xù)、功率穩(wěn)定的電能.氫燃料電池作為燃料電池諸多種類的一種，以氫氣作為還原劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，工作溫度在室溫至80 ℃，轉(zhuǎn)化效率在40%～60%，并具有體積功率密度較高、適合在大氣環(huán)境下使用等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最為適合在車輛上應(yīng)用的燃料電池.

氫燃料電池系統(tǒng)主要由電堆核心單元、氫氣供應(yīng)單元、空氣供應(yīng)單元、水管理單元、熱管理單元以及電子控制單元6個(gè)子單元組成(如圖1所示)，涉及到電堆材料、水管理、熱管理以及系統(tǒng)控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).

圖1 氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.2 氫燃料電池的技術(shù)優(yōu)勢

氫燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電能源模式相比，具有功率、噪聲、效率等方面優(yōu)勢，同樣也存在技術(shù)復(fù)雜程度高，工程化應(yīng)用不足的劣勢(見表1)，其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)氫燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中振動、噪聲小，紅外特征弱.氫燃料電池工作時(shí)噪聲不高于65 db，溫度不高于80 ℃，紅外發(fā)射強(qiáng)度在40～100 mW/sr之間，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī).

2)氫燃料電池系統(tǒng)具備分布式供能的特點(diǎn).氫燃料電池系統(tǒng)可以由多個(gè)獨(dú)立電堆串并聯(lián)組成，各電堆單元可以在車內(nèi)分布式布置，靈活性強(qiáng)，能夠方便、靈活、有效地利用車內(nèi)空間.

3)相對鋰電池需要耗費(fèi)大量充電時(shí)間，氫燃料加注迅速(接近油料加注時(shí)間)，可以有效提升裝甲車輛的戰(zhàn)略機(jī)動性及后勤保障能力.

表1 不同能源類型優(yōu)劣勢對比

2 氫燃料電池系統(tǒng)在裝甲車輛上的適用性

2.1 功率匹配性

現(xiàn)階段重型裝甲車輛的傳統(tǒng)動力推進(jìn)系統(tǒng)工程化技術(shù)非常成熟，大功率柴油發(fā)電機(jī)體積功率密度已經(jīng)可以達(dá)到1 348 W/L，小功率柴油發(fā)電機(jī)可以達(dá)到224 W/L，但是必須要看到，傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的體積功率密度已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展瓶頸.而國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)功率密度現(xiàn)在可以達(dá)到170 W/L，已經(jīng)接近同功率柴油發(fā)電機(jī)的技術(shù)水平，而國外氫燃料電池系統(tǒng)(如豐田Mirai)系統(tǒng)功率密度已經(jīng)可以達(dá)到約1 000 W/L，已經(jīng)接近大功率柴油發(fā)電機(jī)的技術(shù)水平.具體參數(shù)見表2.可以預(yù)見，隨著未來氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)一步提升，氫燃料電池系統(tǒng)的高功率特性可以極大提升裝甲車輛的動力效能.

表2 傳統(tǒng)動力推進(jìn)系統(tǒng)同氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng) 功率密度比較

注：1)指的是發(fā)動機(jī)體積功率密度；2)指的是燃料電池系統(tǒng)體積功率密度.

此外結(jié)合我國燃料電池發(fā)展路線圖，我國將來在較長一段時(shí)間內(nèi)主要以“氫-電混合”燃料電池系統(tǒng)為主要技術(shù)路線.這主要由氫燃料電池自身特性決定：氫燃料電池在低電流和高電流區(qū)效率均相對較低(圖2)，在車輛啟動以及高功率輸出環(huán)境時(shí)，需要使用鋰離子動力電池進(jìn)行功率補(bǔ)償(圖3).這表明采用“氫-電混合”燃料電池系統(tǒng)會帶來更高的能量轉(zhuǎn)換效率.這種“氫-電混合”技術(shù)同現(xiàn)階段裝甲車輛采用的“油-電混合”串聯(lián)式電傳動裝甲車輛混合動力系統(tǒng)類似[3]，通過將串聯(lián)式電傳動裝甲車輛混合動力系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)替換為氫燃料電池系統(tǒng)，并開展相關(guān)工程化研究，可以實(shí)現(xiàn)快速技術(shù)迭代.

圖2 燃料電池系統(tǒng)的典型運(yùn)行特性[4]

圖3 車速、氫燃料電池功率、鋰電池功率、 以及鋰電池能量變化[4]

2.2 能量匹配性

氫燃料的能量儲存效率高.如圖4所示，經(jīng)換算氫燃料質(zhì)量能量密度接近970 Wh/kg、體積能量密度接近790 Wh/L，遠(yuǎn)高于鋰離子電池系統(tǒng)理論上限(氫氣罐質(zhì)量分?jǐn)?shù)按5%w.t.，氣體壓力按70 MPa計(jì)算)[5]；同體積能量約為柴油的25%，同質(zhì)量能量約為柴油的26%，低于柴油.若采用金屬儲氫，其體積儲氫能力接近燃油(體積為燃油的83%).若未來新型儲氫技術(shù)逐漸發(fā)展并取得突破，如超高壓儲氫技術(shù)以及液態(tài)儲氫技術(shù)等，其能量儲存效率將遠(yuǎn)高于柴油.

圖4 不同儲能體積下氫氣體積能量密度 和質(zhì)量能量密度同柴油比較

2.3 系統(tǒng)安全性

未來裝甲車輛采用綜合防護(hù)理念，具有被動和主動防御能力，能抵抗敵常規(guī)輕武器、火箭彈、反坦克導(dǎo)彈的火力打擊，對乘員作戰(zhàn)安全有嚴(yán)密保護(hù).車載動力來源必須具備內(nèi)在安全性，須對其實(shí)車應(yīng)用安全性進(jìn)行分析.依據(jù)現(xiàn)有行業(yè)對氫燃料電池系統(tǒng)安全性的研究，氫燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的主要安全隱患在于氫氣安全.不同于柴油燃點(diǎn)較高，不易點(diǎn)燃，氫氣的特性是逃逸速度非?？?氫燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用到裝甲車輛最關(guān)鍵的安全要點(diǎn)就是氫氣管控與儲氫系統(tǒng)防護(hù).

1)氫氣管控.由于氫氣屬于高易燃易爆氣體，密閉空間內(nèi)氫氣積累到一定量時(shí)，一旦有燃燒源則有燃爆風(fēng)險(xiǎn).在設(shè)計(jì)氫-電混合系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)逃逸通道對可能泄露的氫氣進(jìn)行稀釋，一定情況下可以加入強(qiáng)制排放系統(tǒng)，控制其在密閉或半密閉的動力艙以及成員艙的聚集濃度，保證其始終低于燃爆比例.

2)儲氫系統(tǒng)防護(hù).現(xiàn)有儲氫系統(tǒng)主要有高壓氫氣儲存、液態(tài)氫儲存、活性炭吸附儲氫、金屬儲氫和碳納米材料儲氫等方法.現(xiàn)階段一般采用氫氣罐的方式存儲氫氣，車載氫氣瓶的主要類型有金屬型氣瓶、金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶、塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶等類型.高壓儲氫系統(tǒng)中氫氣罐被穿甲彈/燃燒彈擊中時(shí)，可能會發(fā)生燃爆危險(xiǎn)，可將儲氫系統(tǒng)放置于裝甲防護(hù)車體內(nèi)，減少儲氫系統(tǒng)被可自燃燒的彈藥擊穿風(fēng)險(xiǎn).如果被非自燃燒彈藥擊穿后，高壓氫氣會在極短時(shí)間內(nèi)逃逸(小于3 min)，不會發(fā)生爆炸.對于需要進(jìn)行接觸作戰(zhàn)使用車輛，可以通過搭載金屬儲氫系統(tǒng)(如稀土鑭鎳系等)進(jìn)行安全規(guī)避，相對而言儲氫金屬質(zhì)量能量密度低于氣體儲氫，而這種儲氫金屬具有非常高的熱穩(wěn)定性，可以減少由于車輛裝甲被擊穿后儲氫系統(tǒng)氫氣泄漏造成的乘員危險(xiǎn).

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

未來裝甲車輛具有全地域作戰(zhàn)能力，因此在選擇車輛動力系統(tǒng)時(shí)，需要考慮低溫、高溫、高海拔等環(huán)境影響因素.同時(shí)在作戰(zhàn)戰(zhàn)場區(qū)域，存在電磁環(huán)境、含硫等空氣環(huán)境的復(fù)雜因素，動力系統(tǒng)必須能夠適用作戰(zhàn)要求，正常發(fā)揮動力能源性能，確保作戰(zhàn)效能發(fā)揮.

對于環(huán)境適應(yīng)性因素，氫燃料電池系統(tǒng)主要考核5個(gè)方面：

1)低溫適應(yīng)性.現(xiàn)階段氫燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)具備低溫-30 ℃啟動能力，在未來2～3年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)軍用低溫-43 ℃能力，至于更低的啟動溫度，其主要因素在于低溫環(huán)境啟動前需加熱，保證催化劑、反應(yīng)產(chǎn)物的活性和流動性，并不存在極難的技術(shù)瓶頸.

2)高溫適應(yīng)性.受限于氫燃料電池系統(tǒng)工作溫度影響(堆體溫度70～80 ℃)，其對散熱系統(tǒng)需求較高(接近1∶1)，目前氫燃料電池系統(tǒng)使用溫度上限為60 ℃.為突破未來60 ℃溫度上限瓶頸，有必要開展氫燃料電池隔膜材料優(yōu)化以及主動散熱技術(shù)研究.

3)高海拔適應(yīng)性.氣壓對于氫燃料電池最大的影響是儲氫系統(tǒng)，如果采用高壓儲氫，需要考慮外界海拔對儲氫瓶的影響.電堆本身，由于需要空氣參與電化學(xué)反應(yīng)，需要加大空氣壓縮泵功率，以提供足夠的空氣用于電堆產(chǎn)生功率.氫燃料電池其他部分基本不受高海拔影響.

4)電磁兼容性.氫燃料電池系統(tǒng)由電堆(核心)、氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、水管理、熱管理以及電子控制6個(gè)子單元組成，其主要反應(yīng)過程為氫氧的電化學(xué)反應(yīng)，受電磁兼容環(huán)境影響微乎其微.但對于氫燃料電池系統(tǒng)的驅(qū)動控制部分，類似于柴油發(fā)動機(jī)的ECU系統(tǒng)，需要對電堆運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理，需要做電磁兼容防護(hù)設(shè)計(jì).

5)作戰(zhàn)區(qū)域空氣環(huán)境.氫燃料電池系統(tǒng)需要空氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng).氫燃料電池的空氣電極對環(huán)境空氣質(zhì)量要求非常敏感，“有毒”的二氧化硫、氨氣、硫化氫、NOx、SOx等氣體會對空氣電極有不可逆損傷.需要通過研發(fā)特種空氣濾及活性碳吸附，實(shí)現(xiàn)對有毒氣體完全過濾，提高戰(zhàn)場適應(yīng)性.

3 氫燃料電池在車輛領(lǐng)域應(yīng)用情況

3.1 民用領(lǐng)域應(yīng)用情況

國外乘用車廠氫燃料電池電堆體積功率密度大于3 kW/L，基本實(shí)現(xiàn)-30 ℃以下低溫啟動，壽命5 000 h以上，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷售.目前國際量產(chǎn)氫燃料電池乘用車有豐田公司Mirai、本田公司Clarity、現(xiàn)代ix35三款產(chǎn)品.以豐田Mirai為例，純電堆峰值功率114 kW，體積37 L，經(jīng)數(shù)據(jù)測算純電堆的體積功率密度3.1 kW/L，質(zhì)量功率密度2.0 kW/kg；附屬部件DC-DC轉(zhuǎn)換器體積13 L，附屬部件鎳氫電池組體積約為30 L.氫燃料電池系統(tǒng)(不包含氫氣罐和動力控制裝置)總體積約為80 L，系統(tǒng)體積功率密度約為1 kW/L.氫氣使用碳纖維氫氣罐進(jìn)行儲存，體積122.4 L，重量87.5 kg，儲氣壓力70 MPa，儲存氫氣5 kg，預(yù)計(jì)續(xù)航里程650 km.[6]

國內(nèi)北京億華通、新源動力、上海重塑、廣東國鴻重塑等企業(yè)開發(fā)出30 kW以上氫燃料電池系統(tǒng).大連化物所研發(fā)的50 kW電堆體積約為20 L、電堆體積功率密度3 kW/L，壽命5 000 h，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率為50%～55%；50 kW電池系統(tǒng)總體積約為300 L.清華北京億華通科技股份有限公司開發(fā)的氫燃料電池發(fā)電機(jī)額定功率達(dá)到60 kW，最大包絡(luò)尺寸約為400 L，重量約為300 kg，具備低溫-30 ℃啟動能力.[7]

目前頂尖的氫燃料電池系統(tǒng)100 kW左右的峰值功率無法直接滿足重型車輛高功率輸出的需求，一般是將氫燃料電池系統(tǒng)與鋰離子電池混合構(gòu)建氫燃料電池復(fù)合電能源系統(tǒng).以豐田公司Beta氫燃料電池卡車為例，其通過將2個(gè)Mirai氫燃料電池與1個(gè)12 kWh的電池組組成混合電能源，實(shí)現(xiàn)了500 kW功率輸出[8].相關(guān)參數(shù)見表3.

表3 國際氫燃料電池乘用車發(fā)動機(jī)參數(shù)(民)

3.2 軍用領(lǐng)域應(yīng)用情況

自從氫燃料電池問世以來，歐美國家就非常重視其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究.美國海軍早在1995年就完成了氫燃料電池技術(shù)在船用電網(wǎng)和推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的性能及其影響評價(jià)研究、德國2003年服役的U31常規(guī)潛艇，采用34 kW的氫燃料電池系統(tǒng)，可在水下連續(xù)運(yùn)行3周.德國212潛艇采用了氫燃料電池AIP(不依賴空氣的動力裝置)系統(tǒng).日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)2005年開發(fā)一款燃料電池?zé)o人駕駛型深海巡航探測器“URASIMA”，續(xù)航距離達(dá)到217 km.[9]

在地面平臺領(lǐng)域，氫燃料電池技術(shù)也已經(jīng)展開應(yīng)用.日本FC-R&D公司研制了一款采用氫燃料電池的雙足機(jī)器人Speecys-FC，額定功率25 W；以色列BlueBird公司開發(fā)的Boomerang無人機(jī)，其動力系統(tǒng)就是由Horizon Fuel Cell Tech公司研發(fā)的氫燃料電池系統(tǒng).[10]

從目前的資料顯示，美國正在研究適用于陸軍的氫燃料電池車輛.美陸軍坦克-機(jī)動車輛研發(fā)與工程中心和通用汽車公司共同研制出ZH2氫燃料電池樣車(圖5).該車以雪佛蘭科羅拉多皮卡為平臺，裝有氫燃料電池和電力驅(qū)動系統(tǒng).ZH2動力傳動系統(tǒng)不產(chǎn)生煙霧、氣味，僅有少量噪聲和熱信號，具備“隱身”能力.車載氫燃料電池系統(tǒng)能產(chǎn)生80～90 kW的功率，加裝緩沖電池后能產(chǎn)生接近于130 kW的純功率.ZH2單次加注氫氣可行駛240 km，每小時(shí)可以為士兵“生產(chǎn)”7.6 L的飲用水.并且試驗(yàn)證明ZH2氫燃料電池樣車與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的車輛相比，不會被音頻或熱量探測器發(fā)現(xiàn)，全車最熱的熱點(diǎn)是輪胎.[11]

圖5 通用汽車公司ZH2氫燃料電池車輛

美國通用汽車公司(GM)推出另一款SURUS氫燃料電池車輛，車長17 ft，是一種沒有前后之分的多種用途底盤(推進(jìn)系統(tǒng))(圖6).SURUS配備兩臺電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動兩個(gè)車橋，具備四輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向，采用ZH2同一技術(shù)來源的第三代氫燃料電池，縮小了一半體積和質(zhì)量，額定輸出功率50 kW，3 min內(nèi)即可加滿氫燃料，具備水回收系統(tǒng).[12]

圖6 通用汽車公司SURUS氫燃料電池車輛

國內(nèi)大連化物所開發(fā)氫燃料電池應(yīng)用于無人及有人航空裝備，先后開發(fā)了10 kW級別I型、II型以及III型航空用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng).I型系統(tǒng)2009年11月應(yīng)用于我國首艘燃料電池動力飛艇“致遠(yuǎn)一號”，II型系統(tǒng)2012年7月應(yīng)用于我國首架燃料電池?zé)o人機(jī)“雷鳥號”，III型作為某飛艇的尾推動力通過高海拔測試.2016年12月，該團(tuán)隊(duì)國內(nèi)第一架有人駕駛氫燃料電池飛機(jī)成功首飛.[13]

但在軍用地面裝備上，國內(nèi)氫燃料電池仍未得到應(yīng)用.

4 氫燃料電池系統(tǒng)在未來裝甲車輛上的應(yīng)用設(shè)想

4.1 適用于氫燃料電池系統(tǒng)的裝甲車輛噸位和續(xù)航里程

鋰電池純電動電能源系統(tǒng)和氫燃料電池電能源系統(tǒng)都具備各自技術(shù)優(yōu)勢，兩者不是取而代之的關(guān)系.通過比較目前主流鋰電池系統(tǒng)(能量密度為150 Wh/kg)、氫燃料電池系統(tǒng)(國產(chǎn)30 kW系統(tǒng)，選取70 MPa氫氣瓶)以及現(xiàn)有裝甲車輛功率需求，可以得到軍用裝甲車輛氫燃料電池系統(tǒng)和鋰電池系統(tǒng)續(xù)航經(jīng)濟(jì)性比較曲線(圖7).由圖7可知，鋰電池電能源系統(tǒng)和燃料電池電能源系統(tǒng)兩種能量儲存模式存在一個(gè)明顯的經(jīng)濟(jì)分界線，即續(xù)航里程140～150 km分界線.低于該分界線續(xù)航里程(即低于140～150 km)時(shí)，選用鋰電池系統(tǒng)在重量上比較有優(yōu)勢，高于該分界線續(xù)航里程(即高于140～150 km)時(shí)，選用氫燃料電池時(shí)在重量上比較有優(yōu)勢.并且隨著車輛噸位的增加，該分界線向負(fù)方向移動，這表明高噸位的地面裝甲車輛電能源系統(tǒng)更傾向采用氫燃料電池系統(tǒng)作為其動力源.

圖7 軍用裝甲車輛氫燃料、鋰電池系統(tǒng)續(xù)航經(jīng)濟(jì)性比較

圖8為氫燃料-鋰電混合與純鋰電池能源結(jié)構(gòu)的軍用裝甲車輛續(xù)航里程經(jīng)濟(jì)性比較曲線，在未來軍事作戰(zhàn)剖面下會有與之相適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境.在現(xiàn)有氫燃料電池和鋰電池技術(shù)的支撐下，鋰電池系統(tǒng)傾向于在噸位小于2 t、低續(xù)航里程小于150 km、對燃料加注時(shí)間不那么敏感的環(huán)境下使用，如近距離巡邏、感知等使用工況；氫燃料電池則可以應(yīng)用于噸位2 t以上、續(xù)航里程需求大于150 km、對燃料加注時(shí)間敏感的環(huán)境，如需要長距離奔襲、持續(xù)性工作、高武器裝備負(fù)載等使用工況.因此，依據(jù)未來實(shí)際使用環(huán)境的區(qū)別，可以有針對性地開發(fā)、使用不同工況區(qū)間混合電能源系統(tǒng).

圖8 軍用裝甲車輛不同能源結(jié)構(gòu)續(xù)航里程經(jīng)濟(jì)性比較

4.2 氫燃料電池系統(tǒng)會給未來裝甲車輛帶來的作戰(zhàn)變革

通過引入氫燃料電池系統(tǒng)，未來裝備車輛作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)將會迎來重大變革.在可預(yù)見的將來，氫燃料電池系統(tǒng)作為電能源的裝甲車輛可實(shí)現(xiàn)以下特殊作戰(zhàn)任務(wù)：

1)高安全的能量儲存體系.氫燃料電池可以構(gòu)建“高壓儲氫-金屬儲氫”雙模儲氫體系，應(yīng)對不同危險(xiǎn)需求，比如：長距離突襲危險(xiǎn)系數(shù)低時(shí)，可以對通過搭載可拋式外掛續(xù)航氫氣罐(類似主戰(zhàn)坦克外掛油箱)增加突襲作戰(zhàn)距離；接觸作戰(zhàn)危險(xiǎn)系數(shù)高時(shí)，將外掛油箱拋棄，使用在動力艙內(nèi)的金屬儲氫系統(tǒng)(化學(xué)惰性強(qiáng)，安全系數(shù)高)，可以極大提升安全性.

2)超長時(shí)間高隱蔽性偵查巡邏及靜默值守.借助氫燃料電池系統(tǒng)巡航里程長，暴露征候低的技術(shù)優(yōu)勢，搭載氫燃料電池系統(tǒng)的地面裝甲車輛可以實(shí)現(xiàn)在高隱蔽條件下超長時(shí)間偵查巡邏及靜默值守，縮短往返補(bǔ)給時(shí)間，擴(kuò)大偵查平面.

3)新型班組支援平臺持續(xù)性發(fā)電系統(tǒng).班組支援平臺混合電能源系統(tǒng)可以通過搭載額外的氫氣供給罐，在保證氫氣供應(yīng)量充足條件下，建立小規(guī)模發(fā)電基站，為可穿戴裝備以及通信設(shè)備供能，這種發(fā)電基站紅外特征弱、噪聲小，反偵察能力強(qiáng).大噸位裝甲車輛可擴(kuò)展應(yīng)用為電能源補(bǔ)給母車，搭載充電模塊，為駐車或行進(jìn)狀態(tài)下的純電動地面無人平臺的電能源系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)充.

4)戰(zhàn)場純凈水供應(yīng)系統(tǒng).平均1 kg氫氣(約15 kWh電量，2 t級別輪式班組支援平臺40 km行駛里程)可以產(chǎn)生9 kg純凈水.通過對氫燃料電池系統(tǒng)生成的純凈水收集，可以滿足作戰(zhàn)時(shí)飲用水需求.

5)智能可變式模塊化電能源系統(tǒng).氫燃料電池系統(tǒng)以及鋰離子電池系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)不可拆分的機(jī)械動力傳動裝置，可以實(shí)現(xiàn)在動力艙內(nèi)多模塊分布式布局，實(shí)現(xiàn)分布式柔性供能，既可以最大化利用整車空間，又可以提升能量轉(zhuǎn)換效率.且不同于柴油發(fā)動機(jī)、鋰電池等系統(tǒng)遭到破壞后，整車會立即失去動力源，采用分布式布局的氫燃料電池系統(tǒng)，單系統(tǒng)遭到破壞后，其他系統(tǒng)可以過載降效率運(yùn)行，并繼續(xù)為整車供能，具備優(yōu)異的故障冗余特性.

5 結(jié)束語

氫燃料電池系統(tǒng)是一種新型的能源供給系統(tǒng)，與鋰離子動力電池搭配能夠形成“供能-儲能”持續(xù)電能供給和“持續(xù)-瞬態(tài)”大功率釋放系統(tǒng).相比傳統(tǒng)燃料發(fā)動機(jī)能源供給系統(tǒng)，具有靜音、熱輻射小、功率比系數(shù)高，可分散、集中布置等優(yōu)勢.依托我國新能源產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)，結(jié)合國內(nèi)目前氫燃料電池系統(tǒng)技術(shù)成熟度，開展氫燃料電池系統(tǒng)在裝甲車輛上的工程化試驗(yàn)十分必要.同時(shí)，也可根據(jù)未來裝甲裝備可能遭遇的作戰(zhàn)環(huán)境、自然環(huán)境等進(jìn)行適應(yīng)性分析，根據(jù)作戰(zhàn)需求開展相關(guān)氫燃料電池系統(tǒng)工程化研究，解決限制氫燃料上車的瓶頸問題.可以預(yù)見，氫燃料電池系統(tǒng)在未來裝甲車輛領(lǐng)域，定會發(fā)揮出其優(yōu)異的軍用價(jià)值.