燃料电池在军事上的应用
1 燃料电池综述
燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成，图1是组成燃料电池的基本单元的示意图。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。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两极之间是电解质。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。
以质子交换膜燃料电池为例，燃料电池的工作原理如下：
（1）氢气通过管道或导气板到达阳极；
（2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：
H2 →2H+ + 2ｅ
（3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；
（4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为：
1/2O2 + 2H+ + 2ｅ→H2O
总的化学反应如下：
H2 + 1/2O2 ＝ H2O ＋ 电能 ＋ 热量
同时，电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。
燃料电池的主要优点是：①不受"卡诺循环"的限制，其能量转换效率高达60%-80%；②洁净，无污染，噪音低，隐蔽性强；③模块结构，适应不同功率要求，灵活机动；④比功率大，比能量高，对负载的适应性能好；⑤可实现热、电、纯水联产。
燃料电池的分类，按工作温度可分低温型（25~100℃）、中温型（100~500℃）、高温型（500~1000℃）及超高温型（大于1000℃）；按使用电解质的不同，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)和质子交换膜电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。目前常用电解质作为划分标准，电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。各种燃料电池的技术性能参数如表1所示。
其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）的最大优越性体现在工作温度低，启动快，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工作。因此成为研究和应用的热点。
2 燃料电池发展
1839年，英国物理学家William Grove利用铂丝作为电极，硫酸溶液作为电解质，氢气和氧气作为原料，成功地进行了传统的电解水的逆反应，产生了电流，建立了世界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装置的出现。50年代在国际上兴起了研究热潮。60年代美国成功地将Bacon型AFC用于Apollo登月飞行，将PEMFC应用于双子星座宇宙飞船，使燃料电池在航天领域进入实用阶段，也使燃料电池研究进入第一个高潮。70年代，为了解决能源危机，更有效地使用有限的能源，又掀起了开发地面发电装置燃料电池电站的研究。80年代中后期，世界上陆续有兆瓦级PAFC型燃料电池电站投入试验运行。90年代以来，已制造了300余辆燃料电池原型汽车，特别是以PEMFC为动力的电动汽车已经成为世界研究的热点，至今世界6大汽车公司在开发氢燃料电池汽车上的研发费用已超过100亿美元。目前MCFC、SOFC、PEMFC研究都取得了显著进展，在美国、加拿大、欧洲、日本等国家都有各种类型的电站在运行或试运行，约有250座PAFC机组，35座MCFC电池组，12座SOFC电池组已被安装测试，最大容量已达到11MW。据统计，北美目前大规模应用燃料电池其市场价值约为2.51亿美元，全球现有1000多家公司从事燃料电池的研发和经营业务，截止2003年初统计，全世界已设置和运行着3800多个燃料电池系统。
20世纪50年代末，我国开始研制燃料电池。70年代由于宇航事业的推动，中国燃料电池的研究呈现一次高潮。80年代我国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。90年代，在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展，一些产品已进人准商品化阶段的形势影响下，我国又一次掀起了燃料电池研制开发高潮。中国科学院将燃料电池技术列为"九五"院级重大和特别支持项目，国家科技部将燃料电池技术列为国家"九五"攻关项目，内容包括"质子交换膜燃料电池技术"、"熔融碳酸盐燃料电池技术"及"固体氧化物燃料电池技术"三大项目，并拨款用于研制PEMFC驱动的电动汽车，全面展开了PEMFC的电池材料与电池系统的研究。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。现在我国研究开发的以PEMFC为动力的城市客车已经驶上街头，该电池最大输出功率可达150kW，电池组的功率密度、燃料使用效率等技术已经达到了国际先进水平。
3 燃料电池在军舰上的应用
目前，各种燃料电池的研制风起云涌，其应用已渗透到各个领域，虽然汽车行业首当其冲，但船舶制造业也紧跟其后。
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系统供电，避免一旦集中式供电系统受损全舰都无法工作。它的特点是标准化、低噪音、无振动，而且操作简单、易维护，可以减少舰上人员。
英国国防评估和研究机构对PEMFC在未来海军船只上的应用情况进行了鉴定，计划利用PEMFC在船只停泊时提供1～2MW的电能。美国Analytic Power（AP）公司的研究结果表明，PEMFC是符合水面舰艇动力要求的集中动力系统中的最佳方案，随后在美海军的支持下开始研制用于舰艇的10KW的PEMFC系统。荷兰海军的研究表明，如果M型护卫舰的能源供应系统用燃料电池－柴油机混合设计，和平时期节约燃料25%－30%。除了进行可行性论证，荷兰海军还先后完成了1kW、5kW、10kW级的PEMFC设计与试验。进行的倾斜试验、冲击振动试验等试验表明，这些变化条件对燃料电池性能无明显影响。所以PEMFC在军舰上的应用有很大的发展前景。
美国能源研究公司（ERC）与巴赞钢铁公司高技术部开始进行合作，联合开发舰用燃料电池能源装置。ERC已与美海军签订了研制这种船用燃料电池装置的合同。该系统可使燃料电池装置使用船用柴油作燃料，并确保装置具有高效率和长寿命。所研制的直接式燃料电池系统采用内重整碳基燃油技术，不需要大部分燃料电池系统所用的外部氢气发生装置。
4 燃料电池在潜艇上的应用
目前常规潜艇装备的是传统的柴油－电力推进系统，水下行驶、推进等所需能量储存在铅酸蓄电池中，潜艇的连续潜游距离，只受制于铅酸蓄电池有限的容量。蓄电池放电后，潜艇必须上浮至通气管状态进行航行，使用柴油机潜游同时给蓄电池充电，因而水下续航力低。上浮充电不仅很容易被对方雷达侦察到，同时柴油机为蓄电池充电时的噪声，极易被对方水声器材侦察到，使潜艇暴露率高。因此减少通气管航行的次数和时间，增加水下续航能力，降低暴露率，对潜艇的战场生存具有重要意义。为此提出了采用不依赖空气的动力装置AIP（Air Independent Propulsion），以求获得隐蔽和长航性能。
PEMFC工作温度合适，比功率高，工艺相对简单，安全可*，加上目前各国集中研究开发，技术进步块，因此在多种AIP系统中，PEMFC是最有潜力的。潜艇采用PEMFC－AIP系统后，其红外特征很小，向海水辐射的能量很少；基本不向艇外排放废物；声特性不超过柴电推进装置，能够进行超安静运行，这些特性使得潜艇的隐蔽性大大提高，具有极强的"隐形"作战能力。PEMFC重量轻、体积小、功率密度高的优点可扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的优点能改善艇员生活条件。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，PEMFC－AIP系统续航力最大，并具有成为潜艇单一动力的潜力。因此PEMFC－AIP系统对提高潜艇的隐蔽性和作战灵活性具有重要的军事意义，PEMFC潜艇有可能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、加等国非常重视对PEMFC潜艇的研究。70年代，PEMFC就被选择用作德国海军潜艇的AIP系统。90年代中期以来，加拿大、德国的公司先后接受国防部门的委托建造PEMFC动力潜艇。1997年8月西门子公司将功率为300kW、重8T的PEMFC堆交付造船厂。该电池组进行1500小时的持续试验后，装于德国海军新型212级潜艇上，并于2003年4月下水进行首次试航。它的动力舱采用燃料电池动力系统和柴-电动力系统混合使用的混合动力系统。燃料电池动力系统由燃料电池、液氧贮存柜和气态氢贮存柜等3部分组成。它的燃料电池不用空气，而是将氢燃料和氧化物放到特殊燃烧室内进行电化学反应，直接转换成电能，输出的直流电直接驱动电动机，电动机带动桨轴，推进潜艇航行。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，是普通柴电潜艇潜航时间的5倍。它的两种动力系统既可单独使用，又可联合使用，相互补充。燃料电池动力系统用于水下长时间巡航，柴－电动力系统用于潜艇作战时高速航行。
1991年俄罗斯在"比拉鱼"型潜艇上试验成功了低温氢氧AFC，积累了丰富的经验，而且考虑到较低的成本，所以他们设计的"阿穆尔"级AIP潜艇选用了AFC，功率达到了390 kW，能保证以水下3.5 kn的速度持续航行20天。
5 结束语
PEMFC作为新一代的发电技术，以特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，其在军事上的应用也引起了各国军事部门重视，美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项必须发展的技术之一。我国在推进具有中国特色的军事变革，适应新时期的军事斗争时，要加快高新技术的研究步伐。PEMFC应用于潜艇、军舰等领域，将大大提高我军的装备水平，其在国防现代化和经济发展中将会起着重要的作用。