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燃料電池簡介

燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產(chǎn)生電能的裝置。所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣等。最常見的是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學危險、對環(huán)境無污染，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，這是目前其它所有動力來源無法做到的。燃料電池主要由四部分構成，分別為電極、電解質、燃料和氧化劑。燃料電池具有可靠性高、工作效率高、環(huán)境友好、安靜并可以長時間工作等特點。主要包括質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和直接甲醇燃料電池。燃料電池的種類繁多，目前主要集中在汽車領域、移動電子設備領域、航空航天領域、軍事領域以及發(fā)電領域，下表為燃料電池分類簡介。

▲燃料電池分類簡介表

美國軍方針對燃料電池在UUV與艦艇領域的應用

2016年6月，通用汽車公司、美國海軍研究辦公室以及美國海軍研究實驗室宣布，三者將會合作將汽車氫燃料電池系統(tǒng)用于海軍下一代無人水下航行器領域。通用近年來一直在研究，如何用氫燃料電池將氫氣轉化成比蓄電池續(xù)航里程更大的發(fā)電媒介。目前無人水下航行器有多種用途，包括水域巡邏和偵察勘測。最近，美國海軍研究實驗室已評估測試了配備通用汽車燃料電池的無人水下航行器樣機。

此次合作是美國海軍研發(fā)長續(xù)航、高可靠的無人水下航行器項目中重要的一環(huán)。美國海軍需要一個高可靠系統(tǒng)，在無故障前提下可以以相當長的時間周期持續(xù)不間斷的工作，來達成無人水下航行器數(shù)周甚至數(shù)月的續(xù)航時間。研究顯示，美國海軍所重視的燃料電池科技，在長續(xù)航開發(fā)上具有優(yōu)越性。此外，氫燃料電池不會產(chǎn)生二氧化碳排放，所以更加環(huán)保、隱秘。利用氫氣發(fā)電后，僅有的排放物是水蒸氣，添加燃料僅需要幾分鐘的時間。

美國能源部“2014年燃料電池技術市場報告”顯示，美國海軍與日本防衛(wèi)省合作開發(fā)30英尺燃料電池驅動無人水下航行器（UUV），可以執(zhí)行30天的水下偵察任務。日本防衛(wèi)省計劃出資26億日元約合2360萬美元用于該項目為期4年的研究，截止于2018財年。

2014年5月14日，美國海軍研究辦公室（ONR）選定UTC宇航系統(tǒng)公司推進長航時無人潛航器推進系統(tǒng)（LEUVP）的下一階段研發(fā)。隨后UTC將繼續(xù)為21英寸直徑的無人潛航器（UUV）開發(fā)基于質子交換膜的燃料電池能源系統(tǒng)（PES）。

PES將取代現(xiàn)有電池系統(tǒng)，為美海軍提供更久續(xù)航力和更高的操縱靈活性。該項目的總目標是完成技術成熟度為6級的燃料電池系統(tǒng)驗證。

在2012年，F(xiàn)uel Cell Energy公司獲得了海軍研究辦公室“大排量無人水下航行器創(chuàng)新海軍標準項目”的合同。Fuel Cell Energy是化石能源辦公室固態(tài)能源轉換聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)團隊之一，并正在使用其子公司Versa Power Systems公司開發(fā)的固體氧化物燃料電池技術。

在美國海軍項目中，F(xiàn)uel Cell Energy的合作伙伴包括NASA、Yardney Technical Products、美國海軍水下作戰(zhàn)中心(NUWC)、西北太平洋國家實驗室(PNNL)?；茉崔k公室資助PNNL和NUWC在固體氧化物燃料電池項目的研究，PNNL是固態(tài)能源轉換聯(lián)盟項目下開發(fā)核心固體氧化物燃料電池技術的首席國家實驗室，而此前NUWC也曾對固體氧化物燃料電池技術進行評估。

2012年NexTech材料公司（NexTech Materials Ltd）、美國諾斯洛普格拉曼公司（Northrop Grumman）、Precision Combustion公司、阿連特技術系統(tǒng)（Alliant Techsystems）和 pH Matter公司一起收到了來自美國海軍研究辦公室的合同，開發(fā)以固體氧化物燃料電池技術為動力的長續(xù)航水下航行器。

化石能源辦公室支持NexTech在固體氧化物燃料電池技術的發(fā)展。此外，Precision Combustion公司此前曾獲得化石能源辦公室的支持，以開發(fā)固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

美國海軍研究辦公室資助NextTech Materials公司，在“未來海軍能力”計劃資助下設計和開發(fā)一個用于無人水下航行器（UUVS）的緊湊型能源系統(tǒng)（固體氧化物型燃料電池）。

美國海軍研究廳此前已經(jīng)制定2.5WM艦載燃料電池驅動模型，作為標準艦載動力系統(tǒng)使用，以供艦艇和潛艇作為動力使用。由燃料電池構成的動力系統(tǒng)結構簡單、無復雜傳動裝置、運行維修成本低廉、可靠性高、壽命長，而且燃料電池運行系統(tǒng)噪聲很低，與現(xiàn)有動力裝置相比更易于軍事活動，優(yōu)勢明顯。

美國海軍采用西門子質子膜燃料電池技術與通用公司發(fā)動機技術為潛艇提供動力裝置。

2014年8月訊，美國和日本聯(lián)合開發(fā)了燃料電池驅動潛艇，可在水下航行一個月而不需充電。據(jù)悉，該潛艇會采用無人系統(tǒng)，全長10米（33英尺），未來會用來執(zhí)行海底巡邏任務。采用燃料電池驅動優(yōu)勢很多，可以長時間水下航行而無需補充燃料，并且環(huán)境友好，而采用核燃料會污染環(huán)境。該項目耗時5年，預計花費2500萬美元。

AIP潛艇，是指無需獲取外間空氣中氧氣的情況下能夠長時間地驅動潛艇的技術。根據(jù)《Fuel Cells in America 2015 6th Edition》介紹，Proton OnSite公司收到航空航天系統(tǒng)公司（UTC Aerospace Systems）的訂單，訂購其質子交換膜(PEM)電解槽組，以應用于美國、英國和法國海軍的新型潛艇上。該訂單將會支持美國Virginia級潛艇、英國Vanguard級和Astute級潛艇和法國Barracuda級潛艇的制氧工作。Proton OnSite公司是該領域唯一為國際艦隊供貨的供應商。

美國能源部“2012年燃料電池技術市場報告”顯示，2012年，美國海軍資助Fuel Cell Energy公司380萬美元開發(fā)和測試用于大排量海底車輛推進動力系統(tǒng)的固體氧化物燃料電池。

2012年8月UTC 宇航公司也獲得了美國海軍研究辦公室的合同，開發(fā)海底車輛燃料電池推進系統(tǒng)。

美國軍方推進燃料電池的目的

燃料電池技術的不斷成熟能為各種武器系統(tǒng)提供持續(xù)運行時間長、熱輻射低、重量輕和免維護的電能供應，這注定了燃料電池在軍事領域中的應用。從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸，提供高效、持久、寧靜的動力。自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探測船只和無人潛艇提供動力，最近，美國軍隊又頻頻發(fā)力燃料電池技術，將其應用于無人水下航行器（UUV）領域。

美國海軍通過與企業(yè)和科研機構合作開發(fā)可應用于下一代無人水下航行器的燃料電池技術，其目的在于利用燃料電池技術將氫氣轉化成電能，極大地提高無人水下航行器的續(xù)航里程。同時將燃料電池技術應用于艦艇領域，確保艦艇獲得動力來源的同時可以給艦艇供氧，增加了艦艇的靈活性。

我國現(xiàn)狀及政策建議

我國在燃料電池技術上落后美國較大，但是隨著我國新能源技術的發(fā)展，我國燃料電池技術已經(jīng)得到快速發(fā)展。我國海軍目前裝備的AIP潛艇配備的是斯特林發(fā)動機，而美國軍隊在很早之前就將質子膜燃料電池技術應用于艦艇領域，最近幾年又不斷發(fā)力無人水下航行器用燃料電池技術。因此，筆者認為我國應該不斷加大燃料電池技術的研究力度，同時重點研究水下應用燃料電池技術，盡快將燃料電池應用于艦艇和無人水下航行器領域，具體理由如下：

1. 燃料電池續(xù)航里程長，鋰離子電池驅動設備一般需要頻繁充電，續(xù)航里程很短。而美國（比如通用公司）設計開發(fā)的燃料電池技術可行駛60天，而且加氫時間很短，只需要幾分鐘就可完成，鋰電池一般需要幾個小時，燃料電池在該方面優(yōu)勢明顯。而且，燃料電池使用壽命較長，這一點也要優(yōu)于鋰電池。

2. 燃料電池系統(tǒng)噪聲低，無人水下航行器起到偵查的作用，燃料電池低噪聲系統(tǒng)有助于無人水下航行器更好地完成任務。

除此之外，燃料電池效率較高，可達40%，而傳統(tǒng)燃氣輪機和柴油動力的海軍艦艇效率僅為12%-16%；使用燃料電池作為動力系統(tǒng)還可達到減少排放量、促進熱效率、降低燃料成本、增加船舶設計靈活性以及可使用替代燃料等目的。