日前，在美國能源部耗資3400萬美元資助的科技創(chuàng)新項目中，就包括4個與燃料電池高度相關的項目。連寶馬等汽車公司都在躍躍欲試，將在2020年后正式發(fā)行搭載燃料電池的汽車。
燃料電池是一種直接把化學能轉化為電能的裝置，不僅不需要反復充電，還更加清潔高效。事實上，燃料電池正在成為軍用電源領域的“明日之星”，將在未來戰(zhàn)場發(fā)揮重要作用。
隨身攜帶的“發(fā)電廠”
打贏未來信息化戰(zhàn)爭，需要高效可靠的“能量源”。近年來，信息化戰(zhàn)場上競相涌現的先進武器裝備，對戰(zhàn)場電力供應提出了新的更高要求。以美國為首的西方國家尤其重視燃料電池技術發(fā)展，從為單兵裝備供電，到電推動軍用卡車，更甚至是驅動無人航潛器和無人機，處處可見燃料電池的身影。
說起燃料電池中的“燃料”，當然不同于生活中常見的煤、油、天然氣等傳統(tǒng)燃料。我們都知道，讓強大的電流從水中經過，水便會分解為氫和氧。燃料電池的原理正好與此過程相反，是通過特殊裝置使氫和氧作為“燃料”發(fā)生反應，最終產生電能。因此，與干電池、蓄電池等儲能裝置在需要時才把儲存的電能釋放出來不同，燃料電池更像是一座把化學能直接轉化成電能的“發(fā)電廠”。這也難怪燃料電池被認為是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術。
對于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質就可以作為燃料。這就大大增加了“燃料”的來源范圍，使燃料電池成為軍用電源裝備領域的“紅人”。燃料電池投入軍事應用，還有許多“先天性優(yōu)勢”。燃料電池在使用時能量轉換效率高、系統(tǒng)反應快、運行可靠性強、維護方便。與其他電池相比，燃料電池的發(fā)電效率可以達到85%-90%。由于燃料電池的內部結構相對簡單，工作時噪聲很低，散熱量和紅外輻射較少。
近年來，包括美國國防部、美國陸軍研究實驗室、美國海軍研究實驗室等，都高度重視并全程參與了燃料電池的研發(fā)過程。從制訂研制計劃、明確技術指標，到研制后續(xù)環(huán)節(jié)安排部隊進行試驗，再到相關產品投入戰(zhàn)場進行實戰(zhàn)檢驗，燃料電池的研制都離不開美國軍方的傾力支持。美國很多燃料電池產品的研發(fā)經歷十幾年時間，也與美國軍方堅持將最新技術加以應用的決心不無關聯。
“上天下海”無所不能
未來的燃料電池，將越來越輕型便攜，并朝著移動式電池供電系統(tǒng)方向加速發(fā)展，必將成為信息化戰(zhàn)場當之無愧的“能量源”。
燃料電池除可作為海面艦艇的輔助動力源外，還能為無人潛航器和潛艇提供驅動動力。美國海軍已經完成了用作船用電網和推進系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)研發(fā)，目前正逐步嘗試將燃料電池用于驅逐艦。早在2005年，德國就試航了第一艘現代化的燃料電池潛艇。2016年獲得澳大利亞海軍潛艇項目大單的“梭魚”級潛艇，也裝備了由法國研制的燃料電池系統(tǒng)。2017年，美國國防部批準600萬美元經費，專門用于研發(fā)無人潛航器的靜音推進系統(tǒng)，或將采用由美國陸軍研究實驗室研制的燃料電池供電推進系統(tǒng)。此外，美國海軍研究實驗室還與通用汽車公司合作，正在致力于將車用燃料電池移植到下一代無人潛航器中，以大力提升無人潛航器的航程和持久力。
燃料電池也將助力飛行器展翅高飛。現有的無人機電池主要為鋰離子電池，供電缺口較大，尤其需要研制供電時間更長、更安全可靠的供電系統(tǒng)。加拿大巴拉德公司為美軍戰(zhàn)術無人機研制了氫燃料電池，具有適應能力強、安全可靠、重量輕等特點，目前已經在洛克希德·馬丁公司的系列產品中得到應用。美國國家航空航天局研制的使用燃料電池推進的太陽能無人機，一度創(chuàng)造出3.2萬米的世界飛行高度紀錄。目前，美國國防部正致力于使用燃料電池動力裝置的長航時無人機項目，將盡快裝備美軍各軍兵種。
早在20世紀60年代，由于載人航天器對特殊性能電池的迫切需求，美國曾研制出氫燃料電池。此后往返于太空和地球之間的“阿波羅”系列飛船，就專門安裝這種體積小、容量大的供電系統(tǒng)。此外，美國通用汽車公司也在持續(xù)挖掘燃料電池在陸上軍事應用中的潛力，已經推出使用氫燃料電池的“通用靜音多功能電動平臺”計劃。該平臺理論續(xù)航里程超過460千米，越野能力較強，還具備運送集裝箱、作戰(zhàn)方艙和醫(yī)療方艙等能力。
戰(zhàn)場應用駛入“快車道”
隨著戰(zhàn)場軍用電源系統(tǒng)要求的不斷提升，燃料電池不僅為各類武器裝備提供了強勁的供電能力、低熱輻射和電磁輻射的使用環(huán)境，還具有高效、清潔、經濟以及安全等優(yōu)點，正逐步打開軍事領域應用的大門。
現有的單兵可穿戴系統(tǒng)，士兵們背負的作戰(zhàn)裝備往往令人不堪重負。美國陸軍目前正在嘗試使用燃料電池取代傳統(tǒng)鋰離子電池，將減少約50%的負荷。美國陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心，同通用汽車公司合作，已經推出了一款用于單兵可穿戴設備的新型氫燃料電池系統(tǒng)。美軍目前裝備的軍用燃料電池，尺寸與傳統(tǒng)的一次性小型電池相同，輸出的電流量卻提高了1倍。韓國三星公司研發(fā)的單兵燃料電池系統(tǒng)，一次產生的電量高達1.8千瓦時，可滿足士兵連續(xù)執(zhí)行72小時任務需求。德國SFC公司研制的燃料電池系統(tǒng)，已經交付英國、挪威、比利時和荷蘭等多國軍隊使用。
燃料電池系統(tǒng)的出現，對武器裝備性能的提升也大有裨益。美軍在燃料電池研發(fā)過程中遵循的“先易后難、先小后大”原則，不僅推動了燃料電池從單兵裝備和野戰(zhàn)攜行電源，到無人機、無人潛航器以及作戰(zhàn)車輛動力系統(tǒng)的升級，也在逐步積累技術和經驗的過程中，為今后裝備燃料電池武器裝備性能的提升奠定了基礎。野戰(zhàn)條件下夜間作戰(zhàn)時，對武器裝備的隱蔽性要求極高，普通車輛發(fā)動機產生的熱能會直接暴露于紅外夜視儀中。對此，美國陸軍與通用汽車公司聯合研制出使用氫燃料電池驅動的輕型作戰(zhàn)卡車，噪聲水平明顯降低，熱能排放也非常少，極大地提高了戰(zhàn)場生存能力。由于燃料電池反應后副產物是水，該型作戰(zhàn)卡車還能為士兵進行戰(zhàn)場供水。
目前，阻礙燃料電池實用化的主要問題，在于燃料電池的環(huán)境適用性、使用壽命和經濟成本。近年來，盡管燃料電池的使用壽命有所提升，但絕大多數僅維持在2200小時左右，與實用化5000小時的目標壽命還有不小差距。同時，燃料電池的生產和使用成本比較高，人們試圖通過使用廉價替代材料、改進制備工藝、加速批量化生產等方式，使燃料電池的軍事應用走上“快車道”。
