氢燃料电池飞机3大军事用途效果惊人

近日，中国自主研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功。飞机飞行高度320米，全程零污染排放。至此，中国成为继美、德之后第三个拥有该技术的国家。

据报道，这架氢燃料电池试验机是由中科院大连化物所与辽宁通用航空研究院联合研制的。

它是在辽宁通用航空研究院研制的RX1E电动飞机上进行改装，采用大连化物所研制的20千瓦氢燃料电池为动力电源，配合小容量辅助锂电池组，储氢方式为机载35MPa氢储罐。

飞机在起飞和大速率爬升时由燃料电池和锂电池组共同提供动力电能，在巡航阶段完全由燃料电池提供电能，并为锂电池组充电。

据介绍，此项研究突破了氢燃料电池轻量化、高效水热管理、高可靠机载动力系统集成等多项关键技术。

试飞中，燃料电池系统输出性能、安全性、可靠性和环境适应性等全部达到了技术要求，在-20℃低温环境下表现出优良的存放、启动和运行性能。

大连化物所是中国国内燃料电池主要研究单位之一。其质子交换膜燃料电池研究团队早在2001年就联合相关单位研制出中国首台氢燃料电池电动车。

近年来，团队又先后研制出了多种型号的航空用质子交换膜燃料电池电源系统，填补了中国在这一技术领域的空白。

其中，Ⅰ型系统2009年11月应用于中国首艘燃料电池动力飞艇“致远一号”，Ⅱ型系统2012年7月应用于中国首架燃料电池无人机“雷鸟号”。

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。以燃料电池为动力电源的航空器因低噪声、零污染和长时间续航等显著优势，成为近年来国际上新能源飞行器的研发热点。

中国科学院大连化学物理研究所于1997年承担了一项有关RFC（AFC是目前航天领域中应用最成功的燃料电池。它采用KOH溶液为电解质，燃料和氧化剂分别为纯氢和纯氧。）系统研究的“863”项目，成功开发了百瓦级再生氢氧燃料电池原型系统。在此基础上，进行了一体式再生氢氧燃料电池的应用基础研究。

航天领域中，电池处于微重力状态，气液两相流动、传质传热规律与平常不同。NASA已经把水管理作为应用于航天的PEMFC的关键技术。

北京工业大学通过落塔开展了微重力条件下燃料电池中热物理规律的相关研究，发现在不同重力条件下，甲醇燃料电池阳极气液两相流动及电池电性能均不同。

波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。波音公司称这在世界航空史上尚属首次，预示航空工业未来更加环保。但波音承认，这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。

爬升至海拔1000米巡航高度后，飞机切断传统电池电源，只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟，时速约100公里。这一技术对波音公司意义重大，也让航空工业的未来“充满绿色希望”。

中国首架有人驾驶氢燃料电池飞机试飞成功意味着什么？实际上，在笔者看来，最重要的不是该架飞机本身，而是飞机的动力系统——氢燃料电池的成功掌握。因为，该电池在海陆空三军中的应用，都不可小觑。

1、燃料电池在陆军军事装备应用

国外军方开展燃料电池在军事上研究比较早。燃料电池在陆军事装备中的应用主要有三方面：一是作为单兵作战动力电源（<100W）；二是作为移动电站（100W-500W）；三是作为地面军用动力驱动电源（500W-10kW）。

从1980年到1990年随着微电子的发展，单兵配备很多新式装备如夜视镜、全球定位系统(GPS)、通讯联系设备和智能搜索系统。这些系统成为士兵的数字化装备必备系统。士兵必须带有很多不同型号的单电池为这些设备提供电源。

燃料电池就可以为所有设备提供动力，减轻单兵所带电源。鲍尔航天与技术公司（Ball Aerospace & Technologies）为陆军提供两种移动电源功率分别为50W和100W。

美国军方发布的混合动力军车是以柴油动力系统和燃料电池动力系统并联运行的混合动力型军车。通用公司为运输车提供混合动力中的5kWPEMFC辅助系统。装甲车作战时除了有较强的移动能力，还需要良好隐蔽性。

装甲车处在静态守候状态，一般电池无法提供车上大量的通信设备和预警装置，这时就依靠PEMFC发电系统，它能够在满足低温和低噪音要求运行。

美国陆军研究与开发司令部通信与电子研究开发中心（CERDEC）公布一种2kWPEMFC给轻型装甲车提供辅助动力，它使用甲醇重整氢气装置作为氢源。

这些年对PEMFC研究随着良好设计，有效热管理和水管理，膜电极制作改进使得电池性能提高和成本降低。军事应用中需要一个高度安全，便于运输和相对可靠氢源。最近研究终点从「电堆」转移到「燃料」上来。因此需要发展氢气的高储能装置和发生装置。

2、PEMFC在海军军事装备应用

燃料电池在海里军事装备中的应用主要有三个方面：一是作为海面舰艇辅助动力源；二是作为水下无人驾驶机器人电源；三是作为潜艇的驱动电源。

美国海军1995年完成了一项燃料电池技术在用作船用电网和推进系统时，对驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰的设计性能及其影响进行了评价研究。

海军水面战中心(NSWC)和美国海军研究署(ONR)，以及美国防高级研究计划局(DARPA)合作对巴拉德公司(BALLARD)提供500kW PEM 模块进行了测试。

美国海军计划在2007-2011年实现2.5MW电堆用于驱逐舰，如图5所示。最终目标是25MW的电堆。一般电池电能释放完后报废或需进行充电，PEMFC只要向其不断输入燃料和氧化剂，就能不断产生电能。

PEMFC可以长时间连续工作，非常符合水下无人驾驶机器人的动力要求。UTC公司在1990年研制一个10kW PEMFC电堆用于海军的水下无人驾驶机器人(UUV)。

潜艇上的应用。2002年3月德国潜艇制造商HDW公司制造的212A型常规潜艇采用了燃料电池和柴电动力联合推进系统。其中柴电动力系统中有一台16V396型增压高速柴油机，燃料电池动力系统由9组PEMFC模块、14吨液氧贮存柜和1.7吨气态氢贮存柜3部分组成。

燃料电池是由西门子公司提供。212型潜艇的水中连续潜航就能达到2至3周，传统的柴电动力潜艇在水下潜航2～3天，就会耗尽电池能量，必须浮上水面给蓄电池充电。同时燃料电池运行没有噪音，而且不会放出热量，这些因素有助于潜艇不易被识别。212A 型潜艇的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。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11kW的生活用电。

同时续航力可达2315km，潜航时间达278h。两种动力系统同时工作时，潜艇的水下持续航行时间能超过364h，续航力达到3034km，这比209型潜艇的水下续航力提高了4.4倍，从而大大提高了212A型潜艇的生存力与战斗力。

西门子公司下一步将进一步研制120kW的PEMFC模块，使用2个模块240kW代替现有潜艇上的PEMFC模块。

俄罗斯研制燃料电池也有三十多年历史，在八十年代初成功进行了燃料电池推进系统的运行试验。俄红宝石海上工程中央设计局设计的第四代常规动力潜艇发展「阿穆尔」级（Amur）型潜艇将装备燃料电池推进系统，如图8所示。

3、PEMFC在空军军事装备应用

PEMFC具有高能量密度，使得它能为无人驾驶飞机提供驱动力。美国航空航天局（NASA）研制一架使用燃料电池做推进无人太阳能飞机的备份动力的无人驾驶飞机太阳神号(Helios)。

这架飞机在2001年8月缔造世界飞行高度的纪录，飞抵32，160m高空。太阳神号外形是一个飞行翼，长82m，由前面至后面只有2.6m。两名飞行员在地面可以利用手提计算机遥控它。

太阳神机翼上有62，000枚太阳能电池，以此驱动由小型电力马达所转动的14具螺旋桨；太阳神可以接近自行车的速度起飞，并以每个小时9至15km的速度飞行。

设计制造太阳神号的美国Aero Vironment公司正在发展可重复充电的氢氧能源储存系统。太阳神号白天多余的太阳能转存至燃料电池以在夜间使用，实现能在空中飞行几个月时间，提高飞行半径和对偏远地区的侦探。

Aero Vironment公司又在2003年5月对一架由燃料电池作为驱动力的微型飞行器大黄蜂(Hornet)进行了试飞，验证用燃料电池作为动力的微型飞行器进行长时间飞行的可能性。

大黄蜂重170g，翼展38cm，大黄蜂机翼的上表面可以清楚地看到顺序排列18节燃料电池，电池串联在一起，每一节产生0.5～0.6V的电压。

美国波音公司也开展使用燃料电池做动力推进系统的UAV研究。波音公司与美国防高级研究计划局签订了无人机燃料电池动力系统开发合同，前期投入资金为30万美元，按设计要求新型燃料电池的无人机将延长无人机的空中连续飞行时间。

燃料电池动力系统能使无人机在空中连续飞行数周，而不是现在的几十小时。计划项目的第一阶段，波音无人机系统部将领导一支团队来设计无人机的燃料电池推进系统，并且完成风险减除研究。

2003年建成并演示完整的燃料电池动力系统平台，以便为研究的第三阶段提供动力系统。第三阶段，波音公司将生产出一架采用燃料电池动力系统的无人机原型机。