從為裝備供電，到驅(qū)動(dòng)水下無(wú)人航潛器和無(wú)人機(jī)，再到電推動(dòng)卡車(chē)等項(xiàng)目，都大量使用氫燃料動(dòng)力鋰電池。

21世紀(jì)是新材料和先進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的時(shí)代，燃料動(dòng)力鋰電池作為高效潔凈的電源，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

氫燃料動(dòng)力鋰電池內(nèi)部反應(yīng)時(shí)不要熱機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，也不要龐大的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，噪聲低，不發(fā)熱，有著優(yōu)異的紅外和噪聲特點(diǎn)，因此特別適合于。

作為全球典型的高技術(shù)軍隊(duì)，美軍非常重視新技術(shù)和新能源的應(yīng)用，近年來(lái)美國(guó)軍方就非常重視燃料動(dòng)力鋰電池的研發(fā)，從為裝備供電，到驅(qū)動(dòng)水下無(wú)人航潛器和無(wú)人機(jī)，再到電推動(dòng)卡車(chē)等項(xiàng)目，都大量使用氫燃料動(dòng)力鋰電池來(lái)供應(yīng)清潔、可靠和高效的供電能力。

本文就目前美軍正在研發(fā)的氫燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)情況做一簡(jiǎn)單介紹。

水下無(wú)人潛航器的氫燃料動(dòng)力鋰電池

目前的鋰離子電池系統(tǒng)僅僅能供應(yīng)24小時(shí)左右的供電能力，與水下無(wú)人潛航器要持續(xù)工作數(shù)周的要求相差甚遠(yuǎn)，因此必須尋找更高比能量的能源推進(jìn)系統(tǒng)。

為此，2017年，美國(guó)部批準(zhǔn)了600萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)，計(jì)劃用5年時(shí)間研發(fā)水下無(wú)人潛航器的靜音推進(jìn)系統(tǒng)。

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研究的水下無(wú)人潛航器推進(jìn)系統(tǒng)使用的是氫燃料動(dòng)力鋰電池供電推進(jìn)系統(tǒng)，其原理示意圖可見(jiàn)圖1。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全的內(nèi)部循環(huán)，利用高氯酸鋰儲(chǔ)存氧氣，氫的來(lái)源為甲醇等。將甲醇裂解后得到氫，與從高氯酸鋰中分離出來(lái)的氧分別通入到反應(yīng)堆中進(jìn)行反應(yīng)，出現(xiàn)電能。

多余的氫會(huì)回到燃燒器中燃燒，出現(xiàn)的熱量用來(lái)預(yù)熱轉(zhuǎn)化處理器及加熱高氯酸鋰，以分離氧氣。

反應(yīng)出現(xiàn)的水蒸氣及熱量，通過(guò)分段式冷凝器冷凝并排除熱量。經(jīng)測(cè)試表明，每個(gè)氫燃料動(dòng)力鋰電池堆可以達(dá)到400W的功率。

無(wú)人飛行器的氫燃料動(dòng)力鋰電池

在戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)要執(zhí)行某些非常危險(xiǎn)和困難的飛行任務(wù)時(shí)，通常會(huì)選用無(wú)人飛行器（UAV或無(wú)人機(jī)）。

但現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)都是由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)，存在供電能力不足的問(wèn)題，每次出動(dòng)任務(wù)30分鐘左右電量就會(huì)耗盡，要無(wú)人機(jī)返回充電，所以要研制供電時(shí)間更長(zhǎng)、更加安全可靠的氫燃料動(dòng)力鋰電池供電系統(tǒng)。

通常情況下，氫燃料動(dòng)力鋰電池?zé)o人機(jī)包括一個(gè)安全可靠的儲(chǔ)氫裝置，并配備一塊鋰離子電池以應(yīng)對(duì)電流的峰值輸出。

美軍對(duì)氫燃料動(dòng)力鋰電池?zé)o人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求包括：

氫的來(lái)源安全可靠、成本適宜；

燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)必須在5分鐘內(nèi)快速更換，且操作簡(jiǎn)便；

燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)必須重量輕、安全可靠、燃料添加簡(jiǎn)便易行、零部件標(biāo)準(zhǔn)化以利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；

必須具備低噪音特點(diǎn)，以便可以在低空飛行；

燃料動(dòng)力鋰電池及其控制系統(tǒng)必須適應(yīng)高海拔地區(qū)、山區(qū)地形；

燃料動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)成本應(yīng)與鋰離子電池成本接近。

加拿大巴拉德公司為美軍戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)供應(yīng)的氫燃料動(dòng)力鋰電池如圖2(左)所示。該款氫燃料動(dòng)力鋰電池已經(jīng)在洛克希德?馬丁公司及環(huán)境等公司的產(chǎn)品中進(jìn)行了應(yīng)用，具有適應(yīng)能力強(qiáng)、安全可靠、重量輕等特點(diǎn)，可以在極端環(huán)境中使用，并可執(zhí)行超視距任務(wù)等。

通用公司也在積極參與氫燃料動(dòng)力鋰電池的研制，該公司研制的氫燃料動(dòng)力鋰電池已廣泛應(yīng)用于120多種及民用的電動(dòng)汽車(chē)中，具備豐富的研發(fā)相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，圖3(左)是該公司為美軍無(wú)人機(jī)配套的氫燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，圖3為下一代氫燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，體積變得更小，性能更加優(yōu)越，并具備較寬的溫度適應(yīng)范圍，具有更加方便的操作系統(tǒng)。

在使用氫燃料動(dòng)力鋰電池后，可將無(wú)人機(jī)滯空時(shí)間提高至8小時(shí)，并且維護(hù)簡(jiǎn)單，著陸后只要不到15分鐘的重新裝填，就可以重新執(zhí)行任務(wù)。

輕型卡車(chē)的氫燃料動(dòng)力鋰電池

野戰(zhàn)條件下夜晚時(shí)對(duì)隱蔽性要求極高，普通車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的熱能會(huì)使其明顯暴露于紅外夜視儀中，為應(yīng)對(duì)這種情況，美陸軍提出以氫燃料動(dòng)力鋰電池驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的需求。

通用公司積極與美國(guó)坦克自動(dòng)駕駛研究發(fā)展工程中心合作，研制了一種氫燃料動(dòng)力鋰電池驅(qū)動(dòng)的輕型卡車(chē)。

該款卡車(chē)選用雪佛蘭-卡羅拉為基本車(chē)型，改進(jìn)了懸掛系統(tǒng)，以適應(yīng)越野要求，同時(shí)新增了車(chē)身強(qiáng)度，并被命名為ZH2型，見(jiàn)圖4。

該款卡車(chē)選用了氫燃料動(dòng)力鋰電池和傳統(tǒng)鋰離子電池配合供電的模式，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，噪音很低，并且熱能排放非常少，重要應(yīng)用于某些對(duì)噪音和熱能排放較高的環(huán)境。

ZH2型使用的氫來(lái)源于高壓儲(chǔ)氫罐，為適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，可以經(jīng)受住近距離突擊步槍的射擊，極大地提高了戰(zhàn)場(chǎng)適用性。

該款卡車(chē)重要由一臺(tái)50kW的鋰離子電池組供電，電池組可拆卸下來(lái)為其他裝備供電，電池組電量耗盡后由氫氧燃料動(dòng)力鋰電池充電。

由于燃料動(dòng)力鋰電池反應(yīng)后副產(chǎn)物是純水，因此，ZH2型甚至可以實(shí)現(xiàn)為士兵們戰(zhàn)場(chǎng)供水。

ZH2的研制生產(chǎn)經(jīng)歷了10年時(shí)間，2017年起，美陸軍擬利用1年時(shí)間來(lái)評(píng)估這款輕型卡車(chē)的性能，包括：

近靜默操作，以增強(qiáng)靜默觀察能力；

降低噪音及紅外信號(hào)能力；

電驅(qū)動(dòng)條件下四輪驅(qū)動(dòng)能力；

最低燃料供應(yīng)條件下的運(yùn)動(dòng)能力；

副產(chǎn)物水的綜合利用。

氫燃料動(dòng)力鋰電池通用靜音多功能電動(dòng)平臺(tái)

通用公司在推出了ZH2型卡車(chē)后，繼續(xù)挖掘氫燃料動(dòng)力鋰電池在中的應(yīng)用潛力，并于2017年十月推出了氫燃料動(dòng)力鋰電池通用靜音多功能電動(dòng)平臺(tái)(SURUS)計(jì)劃，如圖5所示。

該平臺(tái)看上去類(lèi)似重型卡車(chē)的后拖掛，利用氫燃料動(dòng)力鋰電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用了無(wú)人駕駛系統(tǒng)，電池系統(tǒng)和駕駛系統(tǒng)均置于平臺(tái)內(nèi)部，因此平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)去掉了車(chē)頭，運(yùn)送貨物和人員時(shí)更加靈活方便。

該平臺(tái)可以在崎嶇的路面上行駛，越野能力強(qiáng)，理論續(xù)航里程400英里(約463千米)。

通用靜音多功能電動(dòng)平臺(tái)利用了通用公司在燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)領(lǐng)域深耕50多年的科研和成果,可以很好地在陸地、海上和空中等各種條件下作業(yè)，同時(shí)可以滿(mǎn)足商業(yè)化民用及要求。目前該平臺(tái)的測(cè)試工作已經(jīng)幵始進(jìn)行，以期盡快投入到應(yīng)用。

可穿戴供電系統(tǒng)

氫燃料動(dòng)力鋰電池的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是可穿戴供電系統(tǒng)，理想情況下，戰(zhàn)場(chǎng)上每人可以背負(fù)相當(dāng)于自身體重30%的裝備，但在多數(shù)情況下，士兵們要背負(fù)的裝備往往超過(guò)100鎊。

美陸軍正在準(zhǔn)備執(zhí)行能源更新?lián)Q代計(jì)劃，以氫燃料動(dòng)力鋰電池替代傳統(tǒng)的鋰離子電池，以減少士兵50%的負(fù)荷，美陸軍未來(lái)可穿戴供電系統(tǒng)的需求可見(jiàn)圖6。

通用公司與美國(guó)陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心(CERDEC)合作，推出了一款新型氫燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，用作可穿戴系統(tǒng)的電源。

本款氫燃料動(dòng)力鋰電池使用氫化鋁(AlH3)化合物作為儲(chǔ)氫材料，氫化鋁是一種非常好的儲(chǔ)氫材料，只需加熱就會(huì)持續(xù)地釋放出氫氣，常溫下與水和空氣不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，穩(wěn)定性高，并且在擠壓、過(guò)放電和受到槍擊等破壞性條件下也非常安全。

在通過(guò)產(chǎn)品性能測(cè)試后，陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心還專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了多項(xiàng)安全性測(cè)試。

在模塊化輕型負(fù)載裝備中測(cè)試了其電性能、熱性能以及連接性能。經(jīng)測(cè)試，在室溫為20°C左右的條件下，該裝備的內(nèi)部溫度約為50°C，外部溫度約為30°C左右，證明了該氫燃料動(dòng)力鋰電池的實(shí)用性。

在32~37°C左右的新澤西沙漠的露天環(huán)境中，分別測(cè)試了正常使用、廣播以及手持設(shè)備等小電流條件下的供電保障情況，測(cè)試迸行了2天，證明該系統(tǒng)可在較高溫度及塵土條件下正常工作，持續(xù)工作時(shí)間可保持27小時(shí)以上。

測(cè)試表明，美軍士兵對(duì)該款燃料動(dòng)力鋰電池的性能非常滿(mǎn)意，尤其是其小巧、輕薄、易攜帶，而且不影響戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的開(kāi)展。

由于氫化鋁的工業(yè)制造工藝尚未完全成熟，以及后勤供應(yīng)保障的問(wèn)題，該款氫燃料動(dòng)力鋰電池還不能立刻裝備美軍。為此，美國(guó)能源部也在積極開(kāi)展工作，努力降低氫化鋁的成本。

該款氫燃料動(dòng)力鋰電池可見(jiàn)圖7。圖7(左下）為通用公司研發(fā)的模塊化輕型負(fù)載裝備，圖7(左上)為氫化鋁儲(chǔ)氫罐，圖7(上中)為燃料動(dòng)力鋰電池，圖7(右）為整個(gè)燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)在腰間跨帶中的裝備情況。

該款氫燃料動(dòng)力鋰電池的重要性能指標(biāo)如下：

平均功率為20W，峰值功率為35W(10分鐘)；

允許在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行拆卸和作業(yè)；

即插即用電池系統(tǒng)；

可為其他隨身電池充電；

單個(gè)儲(chǔ)氫罐80Wh，可供應(yīng)811Wh/kg的功率密度；

單體電壓10~16.8V；

可為24小時(shí)任務(wù)供應(yīng)300Wh/kg的功率密度；

重僅0.92kg；

外形尺寸為7.0x8.0x0.81英寸。

小結(jié)

總結(jié)近年來(lái)美軍對(duì)氫燃料動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用情況，我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)。

首先，美軍方高層管理部門(mén)非常重視并全程參與了研發(fā)過(guò)程，如美部、美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、美海軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)陸軍通信與電子研發(fā)和工程中心等。

軍方高層直接參與研制計(jì)劃，可以保證需求明確，制定的技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確，做到科研工作目標(biāo)統(tǒng)一，有的放矢。

在研制后續(xù)環(huán)節(jié)中，軍方高層的參與可以高效地安排進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)，甚至某些產(chǎn)品投入到阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，使研制部門(mén)可以在第一時(shí)間拿到第一手的反饋意見(jiàn)和資料并進(jìn)行改進(jìn)，極大地提高了產(chǎn)品研發(fā)的效率。

美軍將最新技術(shù)應(yīng)用到裝備的決心持之以恒，很多氫燃料動(dòng)力鋰電池產(chǎn)品的研發(fā)歷經(jīng)十幾年時(shí)間，這與軍方高層的支持是分不開(kāi)的。

其次，美軍氫燃料動(dòng)力鋰電池的研發(fā)，遵循先易后難，先小后大的原則，從裝備和野戰(zhàn)攜行電源開(kāi)始，逐步推廣到無(wú)人機(jī)、水下無(wú)人潛航器等中等功率的平臺(tái)，然后再到和運(yùn)輸車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)，逐步進(jìn)行技術(shù)和相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的積累，為今后大規(guī)模利用氫燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

美軍在氫燃料動(dòng)力鋰電池研發(fā)中堅(jiān)持從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)，堅(jiān)持以人為本，把前線士兵的安全和要求放在首要位置，不但要求產(chǎn)品必須通過(guò)嚴(yán)格的安全性、破壞性試驗(yàn)，同時(shí)還要保證戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的展開(kāi)要符合平時(shí)的使用習(xí)慣，并且方便攜帶。

美軍氫燃料動(dòng)力鋰電池的發(fā)展還堅(jiān)持研發(fā)和試驗(yàn)并行的策略，研制過(guò)程中得到的反饋意見(jiàn)能及時(shí)反饋到產(chǎn)品改進(jìn)中，極大地提高了研發(fā)效率，縮短了研發(fā)周期。

綜上所述，氫燃料動(dòng)力鋰電池在美軍中正逐漸展開(kāi)應(yīng)用，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)良好。美軍的這種模式，有效地保證了其在氫燃料動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，值得我們借鑒。