氢燃料电池,是否能成为未来军用作战平台的新“心脏”?

2019-09-09 10:51来源:科普中国-军事科技前沿

  出品:科普中国

  作者:兰顺正

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

  近日,美国媒体报道称,来自美国陆军作战能力发展司令部地面车辆系统中心(GVSC)和美国陆军研究实验室的科学家们继续在研发新型氢燃料电池作战车辆,包括坦克和步兵战车。根据地面车辆系统中心的最新数据,美国陆军正在探索和评估燃料电池发电技术,包括氢燃料电池技术及其支持设备,为未来美国陆军地面车辆系统提供战术优势。不难看出,氢燃料电池未来将可能成为各类军用作战平台的新“心脏”。

  1 军民两用的新能源技术

氢燃料电池,是否能成为未来军用作战平台的新“心脏”?

  氢燃料电池原理

  氢燃料电池是使用氢元素制造能量的装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极,把化学能直接转化为电能。虽然被称为“电池”,但与干电池、蓄电池这类储能装置相比,氢燃料电池严格地说是一种发电装置,如同发电厂一样。

  在 20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域,"阿波罗"飞船就曾安装过。随着技术的发展,目前氢燃料电池得到了更为广泛的应用。例如作为新能源汽车技术路线之一,氢燃料电池汽车已经在全球范围内引发了关注,包括通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等大公司都开发研制成功了自己的氢燃料电池汽车。

氢燃料电池,是否能成为未来军用作战平台的新“心脏”?

  德国212潜艇是燃料电池技术的先行者

  在军事领域,氢燃料电池也是新宠。如2002年3月德国制造的212 A型常规潜艇就采用了燃料电池和柴电动力联合推进系统, 据报道该型潜艇的水中连续潜航就能达到2~3周。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11 千瓦的生活用电,同时续航力可达2315 千米 ,潜航时间达278小时。

  2未来内燃机的有力竞争者

  而此次的消息则预示氢燃料电池将会在地面机动作战平台上大放异彩。相比于被广泛使用传统柴油机,氢燃料电池具备很多优势:

  首先,氢燃料电池工作过程不涉及燃烧,因此无机械损耗及腐蚀,电池所产生的电能可以直接被用在推动车辆的车轮上,从而省略了机械传动装置。研究表明,燃料电池理论效率可达90%,实际效率约为40% ~ 60%,在常用工作范围内明显高于传统柴油机。

  其次,由于燃料电池机械运动部件较少,振动噪声也较低。如 11 兆瓦大功率燃料电池发电系统的噪声水平通常低于 55 分贝.可使得车辆行动噪声有效降低,减少被敌方发现的几率。同时,燃料电池自身的反应残留物主要为水蒸气,既无污染,也可减少车辆排气热辐射,有效提升整车隐蔽性。

  第三,燃料电池发电系统对负荷变动的响应速度较快,对超过额定功率的过载承受性较好,在计算机的帮助下还可以对不同的车轮实施不同的功率输出,利于克服不同的地形,如横向泊车、原地90°~180°转向等都会变得轻而易举。

  第四,燃料适应性强,含有氢原子的物质均可用作燃料电池的燃料。除了水之外,现有的燃料如汽油、柴油、烷类气体和天然气都可以提取氢气,还能大减少对石油的依赖。

氢燃料电池,是否能成为未来军用作战平台的新“心脏”?

  “全电战车”是地面作战平台的主要发展趋势之一

  在2016年,美国雪佛兰公司就已经发布了其全新的军用燃料电池车。该燃料电池车由美国通用汽车公司与美国陆军坦克车辆研发工程中心基于“科罗拉多”皮卡合作研发,名为“科罗拉多ZH2”。而随着“全电战车”概念不断得到各国军方的认可,氢燃料电池的应用前景将会非常广阔。不过也应看到的是,氢燃料电池也存在自身的缺陷,如其催化剂主要使用价格昂贵的铂金,成本很高;另外基础设施配套不完善、制氢能耗较高等问题也制约着该产业发展。因此氢燃料电池要想大规模替换内燃机仍需时日。

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划重点

氢燃料电池是使用氢元素制造能量的装置。其基本原理是把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极,把化学能直接转化为电能。由于效率高、噪声低、振动小、工作时无污染,氢燃料电池在未来的各种作战平台上有着广泛的应用前景。

[责编:张蕃]

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