燃料电池在军事上的运用
1 燃料电池总述
燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、接连地转变为电能的发电设备。燃料电池首要由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成，图1是组成燃料电池的根本单元的示意图。其单体电池是由两个电极以及电解质组成，阳极为氢电极，阴极为氧电极。一般，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发作的电化学反响，南北极之间是电解质。燃料电池的正、负极自身不包含活性物质，仅仅个催化转化元件。
以质子交流膜燃料电池为例，燃料电池的作业原理如下：
（1）氢气经过管道或导气板抵达阳极；
（2）在阳极催化剂的效果下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反响为：
H2 →2H+ + 2ｅ
（3）在电池的另一端，氧气（或空气）经过管道或导气板抵达阴极，一起，氢离子穿过电解质抵达阴极，电子经过外电路也抵达阴极；
（4）在阴极催化剂的效果下，氧和氢离子与电子发作反响生成水，阴极反响为：
1/2O2 + 2H+ + 2ｅ→H2O
总的化学反响如下：
H2 + 1/2O2 ＝ H2O ＋ 电能 ＋ 热量
一起，电子在外电路构成直流电。因而，只需源源不断地向燃料电池阳极和阴极供应氢气和氧气，就可以向外电路的负载接连地输出电能。
燃料电池的首要长处是：①不受”卡诺循环”的约束，其能量转化功率高达60%-80%；②洁净，无污染，噪音低，荫蔽性强；③模块结构，习惯不同功率要求，灵活机动；④比功率大，比能量高，对负载的习惯功能好；⑤可完成热、电、纯水联产。
燃料电池的分类，按作业温度可分低温型（25~100℃）、中温型（100~500℃）、高温型（500~1000℃）及超高温型（大于1000℃）；按运用电解质的不同，可分为碱性燃料电池 (AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料电池(PAFC，Phosphorous Acid Fuel cell)、固体氧化物电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)、熔融碳酸盐电池(MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell)和质子交流膜电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。现在常用电解质作为区分规范，电解质的类型决议了燃料电池的作业温度、电极上所选用的催化剂以及发作反响的化学物质。各种燃料电池的技能功能参数如表1所示。
其间质子交流膜燃料电池（PEMFC）的最大优越性体现在作业温度低，发动快，具有比其它类型的燃料电池更高的功率密度，可在较大电流密度下作业。因而成为研讨和运用的热门。
2 燃料电池开展
1839年，英国物理学家William Grove运用铂丝作为电极，硫酸溶液作为电解质，氢气和氧气作为质料，成功地进行了传统的电解水的逆反响，产生了电流，建立了国际上第一个燃料电池模型。，20世纪30年代末才有燃料电池发电设备的出现。50年代在国际上兴起了研讨热潮。60年代美国成功地将Bacon型AFC用于Apollo登月飞翔，将PEMFC运用于双子星座宇宙飞船，使燃料电池在航天范畴进入实用阶段，也使燃料电池研讨进入第一个高潮。70年代，为了处理动力危机，更有效地运用有限的动力，又掀起了开发地上发电设备燃料电池电站的研讨。80年代中后期，国际上接连有兆瓦级PAFC型燃料电池电站投入实验运转。90年代以来，已制作了300余辆燃料电池原型轿车，特别是以PEMFC为动力的电动轿车现已成为国际研讨的热门，至今国际6大轿车公司在开发氢燃料电池轿车上的研发费用已超越100亿美元。现在MCFC、SOFC、PEMFC研讨都取得了明显开展，在美国、加拿大、欧洲、日本等国家都有各种类型的电站在运转或试运转，约有250座PAFC机组，35座MCFC电池组，12座SOFC电池组已被设备测验，最大容量已达到11MW。据计算，北美现在大规模运用燃料电池其商场价值约为2.51亿美元，全球现有1000多家公司从事燃料电池的研发和运营事务，截止2003年头计算，全国际已设置和运转着3800多个燃料电池体系。
20世纪50年代末，我国开端研发燃料电池。70年代因为宇航作业的推动，我国燃料电池的研讨出现一次高潮。80年代我国燃料电池的研讨及开发作业处于低落。90年代，在国外先进国家燃料电池技能取得巨大开展，一些产品已进人准商品化阶段的局势影响下，我国又一次掀起了燃料电池研发开发高潮。我国科学院将燃料电池技能列为”九五”院级重大和特别支撑项目，国家科技部将燃料电池技能列为国家”九五”攻关项目，内容包含”质子交流膜燃料电池技能”、”熔融碳酸盐燃料电池技能”及”固体氧化物燃料电池技能”三大项目，并拨款用于研发PEMFC驱动的电动轿车，全面展开了PEMFC的电池资料与电池体系的研讨。在”十五”国家科技专项和”863″计划的电动车重大项目中，把燃料电池城市客车列为一个重要子课题。现在我国研讨开发的以PEMFC为动力的城市客车现已驶上街头，该电池最大输出功率可达150kW，电池组的功率密度、燃料运用功率等技能现已达到了国际先进水平。
3 燃料电池在军舰上的运用
现在，各种燃料电池的研发如火如荼，其运用已渗透到各个范畴，尽管轿车行业首战之地，但船舶制作业也紧跟这以后。
燃料电池用作舰载电池，用多个燃料电池分别为不同的舰载体系供电，防止一旦会集式供电体系受损全舰都无法作业。它的特点是规范化、低噪音、无振荡，并且操作简略、易保护，可以削减舰上人员。
英国国防评价和研讨机构对PEMFC在未来水兵船舶上的运用状况进行了判定，计划运用PEMFC在船舶停靠时供给1～2MW的电能。美国AnalyTIc Power（AP）公司的研讨结果标明，PEMFC是契合水面舰艇动力要求的会集动力体系中的最佳计划，随后在美水兵的支撑下开端研发用于舰艇的10KW的PEMFC体系。荷兰水兵的研讨标明，假如M型护卫舰的动力供应体系用燃料电池－柴油机混合规划，和平时期节省燃料25%－30%。除了进行可行性证明，荷兰水兵还先后完成了1kW、5kW、10kW级的PEMFC规划与实验。进行的歪斜实验、冲击振荡实验等实验标明，这些改变条件对燃料电池功能无明显影响。所以PEMFC在军舰上的运用有很大的开展前景。
美国动力研讨公司（ERC）与巴赞钢铁公司高技能部开端进行协作，联合开发舰用燃料电池动力设备。ERC已与美水兵签订了研发这种船用燃料电池设备的合同。该体系可使燃料电池设备运用船用柴油作燃料，并确保设备具有高功率和长寿命。所研发的直接式燃料电池体系选用内重整碳基燃油技能，不需要大部分燃料电池体系所用的外部氢气发作设备。
4 燃料电池在潜艇上的运用
现在惯例潜艇配备的是传统的柴油－电力推动体系，水下行进、推动等所需能量储存在铅酸蓄电池中，潜艇的接连潜游间隔，只受制于铅酸蓄电池有限的容量。蓄电池放电后，潜艇有必要上浮至通气管状况进行飞行，运用柴油机潜游一起给蓄电池充电，因而水下续航力低。上浮充电不只很简略被对方雷达侦查到，一起柴油机为蓄电池充电时的噪声，极易被对方水声器件侦查到，使潜艇露出率高。因而削减通气管飞行的次数和时刻，添加水下续航才能，下降露出率，对潜艇的战场生计具有重要含义。为此提出了选用不依赖空气的动力设备AIP（Air Independent Propulsion），以求取得荫蔽和长航功能。
PEMFC作业温度适宜，比功率高，工艺相对简略，安全可*，加上现在各国会集研讨开发，技能进步块，因而在多种AIP体系中，PEMFC是最有潜力的。潜艇选用PEMFC－AIP体系后，其红外特征很小，向海水辐射的能量很少；根本不向艇外排放废物；声特性不超越柴电推动设备，可以进行超安静运转，这些特性使得潜艇的荫蔽性大大进步，具有极强的”隐形”作战才能。PEMFC重量轻、体积小、功率密度高的长处可扩展仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的长处能改进艇员生活条件。在带着相同燃料和氧化剂的状况下，PEMFC－AIP体系续航力最大，并具有成为潜艇单一动力的潜力。因而PEMFC－AIP体系对进步潜艇的荫蔽性和作战灵活性具有重要的军事含义，PEMFC潜艇有或许成为继传统的柴油机潜艇和核潜艇之后的第三代潜艇。
欧、美、加等国非常注重对PEMFC潜艇的研讨。70年代，PEMFC就被挑选用作德国水兵潜艇的AIP体系。90年代中期以来，加拿大、德国的公司先后承受国防部分的托付制作PEMFC动力潜艇。1997年8月西门子公司将功率为300kW、重8T的PEMFC堆交给造船厂。该电池组进行1500小时的继续实验后，装于德国水兵新式212级潜艇上，并于2003年4月下水进行初次试航。它的动力舱选用燃料电池动力体系和柴-电动力体系混合运用的混合动力体系。燃料电池动力体系由燃料电池、液氧储存柜和气态氢储存柜等3部分组成。它的燃料电池不必空气，而是将氢燃料和氧化物放到特别焚烧室内进行电化学反响，直接转化成电能，输出的直流电直接驱动电动机，电动机带动桨轴，推动潜艇飞行。每组燃料电池的输出功率为34千瓦，9组总功率306千瓦，可使潜艇以4.5节的速度潜航1250海里，或15～17天，是一般柴电潜艇潜航时刻的5倍。它的两种动力体系既可独自运用，又可联合运用，彼此弥补。燃料电池动力体系用于水下长时刻巡航，柴－电动力体系用于潜艇作战时高速飞行。
1991年俄罗斯在”比拉鱼”型潜艇上实验成功了低温氢氧AFC，积累了丰厚的经历，并且考虑到较低的本钱，所以他们规划的”阿穆尔”级AIP潜艇选用了AFC，功率达到了390 kW，能确保以水下3.5 kn的速度继续飞行20天。
5 结束语
PEMFC作为新一代的发电技能，以特有的高功率和环保性引起了全国际的注重，其在军事上的运用也引起了各国军事部分注重，美国已确认燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项有必要开展的技能之一。我国在推动具有我国特色的军事革新，习惯新时期的军事奋斗时，要加速高新技能的研讨脚步。PEMFC运用于潜艇、军舰等范畴，将大大进步我军的配备水平，其在国防现代化和经济开展中将会起着重要的效果。
