氫燃料電池飛機3大軍事用途效果驚人氫燃料電池飛機3大軍事用途效果驚人

導讀： 近日，中國自主研製的首架有人駕駛氫燃料電池試驗機在瀋陽試飛成功。飛機飛行高度320米，全程零汙染排放。至此，中國成為繼美、德之後第三個擁有該技術的國家。中國首架有人駕駛氫燃料電池飛機試飛成功意味著什麼？

近日，中國自主研製的首架有人駕駛氫燃料電池試驗機在瀋陽試飛成功。飛機飛行高度320米，全程零汙染排放。至此，中國成為繼美、德之後第三個擁有該技術的國家。

據報導，這架氫燃料電池試驗機是由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯合研製的。

它是在遼寧通用航空研究院研製的RX1E電動飛機上進行改裝，採用大連化物所研製的20千瓦氫燃料電池為動力電源，配合小容量輔助鋰電池組，儲氫方式為機載35MPa氫儲罐。

飛機在起飛和大速率爬升時由燃料電池和鋰電池組共同提供動力電能，在巡航階段完全由燃料電池提供電能，並為鋰電池組充電。

據介紹，此項研究突破了氫燃料電池輕量化、高效水熱管理、高可靠機載動力系統集成等多項關鍵技術。

試飛中，燃料電池系統輸出性能、安全性、可靠性和環境適應性等全部達到了技術要求，在-20℃低溫環境下表現出優良的存放、啟動和運行性能。

大連化物所是中國國內燃料電池主要研究單位之一。其質子交換膜燃料電池研究團隊早在2001年就聯合相關單位研製出中國首臺氫燃料電池電動車。

近年來，團隊又先後研製出了多種型號的航空用質子交換膜燃料電池電源系統，填補了中國在這一技術領域的空白。

其中，Ⅰ型系統2009年11月應用於中國首艘燃料電池動力飛艇「致遠一號」，Ⅱ型系統2012年7月應用於中國首架燃料電池無人機「雷鳥號」。

燃料電池是一種高效、環境友好的發電裝置。以燃料電池為動力電源的航空器因低噪聲、零汙染和長時間續航等顯著優勢，成為近年來國際上新能源飛行器的研發熱點。

中國科學院大連化學物理研究所於1997年承擔了一項有關RFC（AFC是目前航天領域中應用最成功的燃料電池。它採用KOH溶液為電解質，燃料和氧化劑分別為純氫和純氧。）系統研究的「863」項目，成功開發了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統。在此基礎上，進行了一體式再生氫氧燃料電池的應用基礎研究。

航天領域中，電池處於微重力狀態，氣液兩相流動、傳質傳熱規律與平常不同。NASA已經把水管理作為應用於航天的PEMFC的關鍵技術。

北京工業大學通過落塔開展了微重力條件下燃料電池中熱物理規律的相關研究，發現在不同重力條件下，甲醇燃料電池陽極氣液兩相流動及電池電性能均不同。

波音公司於2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次，預示航空工業未來更加環保。但波音承認，這一技術不太可能為大型客機提供主要動力。

爬升至海拔1000米巡航高度後，飛機切斷傳統電池電源，只靠氫燃料電池提供動力。飛機在1000米高空飛行了約20分鐘，時速約100公裡。這一技術對波音公司意義重大，也讓航空工業的未來「充滿綠色希望」。

中國首架有人駕駛氫燃料電池飛機試飛成功意味著什麼？實際上，在筆者看來，最重要的不是該架飛機本身，而是飛機的動力系統——氫燃料電池的成功掌握。因為，該電池在海陸空三軍中的應用，都不可小覷。

1、燃料電池在陸軍軍事裝備應用

國外軍方開展燃料電池在軍事上研究比較早。燃料電池在陸軍事裝備中的應用主要有三方面：一是作為單兵作戰動力電源（<100 W）；二是作為移動電站（100 W-500 W）；三是作為地面軍用動力驅動電源（500 W-10 kW）。

從1980年到1990年隨著微電子的發展，單兵配備很多新式裝備如夜視鏡、全球定位系統(GPS)、通訊聯繫設備和智能搜索系統。這些系統成為士兵的數位化裝備必備系統。士兵必須帶有很多不同型號的單電池為這些設備提供電源。

燃料電池就可以為所有設備提供動力，減輕單兵所帶電源。鮑爾航天與技術公司（Ball Aerospace & Technologies）為陸軍提供兩種移動電源功率分別為50W和100W。

美國軍方發布的混合動力軍車是以柴油動力系統和燃料電池動力系統並聯運行的混合動力型軍車。通用公司為運輸車提供混合動力中的5kWPEMFC輔助系統。裝甲車作戰時除了有較強的移動能力，還需要良好隱蔽性。

裝甲車處在靜態守候狀態，一般電池無法提供車上大量的通信設備和預警裝置，這時就依靠PEMFC發電系統，它能夠在滿足低溫和低噪音要求運行。

美國陸軍研究與開發司令部通信與電子研究開發中心（CERDEC）公布一種2kWPEMFC給輕型裝甲車提供輔助動力，它使用甲醇重整氫氣裝置作為氫源。

這些年對PEMFC研究隨著良好設計，有效熱管理和水管理，膜電極製作改進使得電池性能提高和成本降低。軍事應用中需要一個高度安全，便於運輸和相對可靠氫源。最近研究終點從「電堆」轉移到「燃料」上來。因此需要發展氫氣的高儲能裝置和發生裝置。

2、PEMFC在海軍軍事裝備應用

燃料電池在海裡軍事裝備中的應用主要有三個方面：一是作為海面艦艇輔助動力源；二是作為水下無人駕駛機器人電源；三是作為潛艇的驅動電源。

美國海軍1995年完成了一項燃料電池技術在用作船用電網和推進系統時，對驅逐艦和小型護衛艦等海軍戰艦的設計性能及其影響進行了評價研究。

海軍水面戰中心(NSWC)和美國海軍研究署(ONR)，以及美國防高級研究計劃局(DARPA)合作對巴拉德公司(BALLARD)提供500 kW PEM 模塊進行了測試。

美國海軍計劃在2007-2011年實現2.5 MW電堆用於驅逐艦，如圖5所示。最終目標是25 MW的電堆。一般電池電能釋放完後報廢或需進行充電，PEMFC只要向其不斷輸入燃料和氧化劑，就能不斷產生電能。

PEMFC可以長時間連續工作，非常符合水下無人駕駛機器人的動力要求。UTC公司在1990年研製一個10kW PEMFC電堆用於海軍的水下無人駕駛機器人(UUV)。

潛艇上的應用。2002年3月德國潛艇製造商HDW公司製造的212A型常規潛艇採用了燃料電池和柴電動力聯合推進系統。其中柴電動力系統中有一臺16V396型增壓高速柴油機，燃料電池動力系統由9組PEMFC模塊、14噸液氧貯存櫃和1.7噸氣態氫貯存櫃3部分組成。

燃料電池是由西門子公司提供。212型潛艇的水中連續潛航就能達到2至3周，傳統的柴電動力潛艇在水下潛航2～3天，就會耗盡電池能量，必須浮上水面給蓄電池充電。同時燃料電池運行沒有噪音，而且不會放出熱量，這些因素有助於潛艇不易被識別。212A 型潛艇的燃料電池動力系統用於水下長時間巡航。

柴-電動力系統用於潛艇作戰時高速航行。單靠燃料電池航行時，其航速可達8節；當以4.5節航速潛航時，該電池系統還可提供11kW的生活用電。

同時續航力可達2315 km，潛航時間達278 h。兩種動力系統同時工作時，潛艇的水下持續航行時間能超過364 h，續航力達到3034 km，這比209型潛艇的水下續航力提高了4.4倍，從而大大提高了212A型潛艇的生存力與戰鬥力。

西門子公司下一步將進一步研製120 kW的PEMFC模塊，使用2個模塊240 kW代替現有潛艇上的PEMFC模塊。

俄羅斯研製燃料電池也有三十多年歷史，在八十年代初成功進行了燃料電池推進系統的運行試驗。俄紅寶石海上工程中央設計局設計的第四代常規動力潛艇發展「阿穆爾」級（Amur）型潛艇將裝備燃料電池推進系統，如圖8所示。

3、PEMFC在空軍軍事裝備應用

PEMFC具有高能量密度，使得它能為無人駕駛飛機提供驅動力。美國航空航天局（NASA）研製一架使用燃料電池做推進無人太陽能飛機的備份動力的無人駕駛飛機太陽神號(Helios)。

這架飛機在2001年8月締造世界飛行高度的紀錄，飛抵32，160 m高空。太陽神號外形是一個飛行翼，長82m，由前面至後面只有2.6 m。兩名飛行員在地面可以利用手提計算機遙控它。

太陽神機翼上有62，000枚太陽能電池，以此驅動由小型電力馬達所轉動的14具螺旋槳；太陽神可以接近自行車的速度起飛，並以每個小時9至15km的速度飛行。

設計製造太陽神號的美國Aero Vironment公司正在發展可重複充電的氫氧能源儲存系統。太陽神號白天多餘的太陽能轉存至燃料電池以在夜間使用，實現能在空中飛行幾個月時間，提高飛行半徑和對偏遠地區的偵探。

Aero Vironment公司又在2003年5月對一架由燃料電池作為驅動力的微型飛行器大黃蜂(Hornet)進行了試飛，驗證用燃料電池作為動力的微型飛行器進行長時間飛行的可能性。

大黃蜂重170 g，翼展38 cm，大黃蜂機翼的上表面可以清楚地看到順序排列18節燃料電池，電池串聯在一起，每一節產生0.5～0.6V的電壓。

美國波音公司也開展使用燃料電池做動力推進系統的UAV研究。波音公司與美國防高級研究計劃局籤訂了無人機燃料電池動力系統開發合同，前期投入資金為30萬美元，按設計要求新型燃料電池的無人機將延長無人機的空中連續飛行時間。

燃料電池動力系統能使無人機在空中連續飛行數周，而不是現在的幾十小時。計劃項目的第一階段，波音無人機系統部將領導一支團隊來設計無人機的燃料電池推進系統，並且完成風險減除研究。

2003年建成並演示完整的燃料電池動力系統平臺，以便為研究的第三階段提供動力系統。第三階段，波音公司將生產出一架採用燃料電池動力系統的無人機原型機。

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