军用便携式燃料电池技术发展

明 海，邱景义，祝夏雨，曹高萍

( 防化研究院，先进化学蓄电技术与材料北京市重点实验室，北京 100191 )

随着单兵综合装备系统的功能不断拓展与作战方式的多样化，电池不但要提高比能量，减小体积、减轻质量；还需提高易维护性，简化后勤补给[1-2]。

现役单兵电源主要有锌锰电池、锂-亚硫酰氯电池、锂-二氧化锰电池、锂-二氧化硫电池、锂氟化碳电池、锂离子电池、镍氢电池、锌空气电池、太阳能电池和燃料电池等。前5种一次电池的技术成熟，其中锂-亚硫酰氯和锂氟化碳电池的比能量可超过400 Wh/kg，如英国无线电电台用的锂氟化碳电池，比能量约410 Wh/kg。镍氢电池(比能量约80 Wh/kg)和锂离子电池(比能量100～250 Wh/kg)，技术也比较成熟，后者的循环寿命更长，但随着比容量的进一步提高，安全性有所降低。燃料电池具有静音、运行时间长、可靠性高、比能量高及机动性强等优点[3-6]，且不受天气限制，噪声、红外和电磁辐射较低，与金属空气电池相比，成熟度相对较高。单兵执行72 h任务，若1 h需要30 W的电力供应，共需要的电量为2 160 Wh。采用锂离子电池，质量约10.9 kg、体积约9.5 L；采用锌空气电池，质量约为8.4 kg、体积约9.0 L；采用燃料电池，则质量仅约4.3 kg、体积仅约4.0 L[1，3]。

1 便携式燃料电池技术

目前，单兵综合系统用的便携式燃料电池主要有直接甲醇燃料电池(DMFC)、重整甲醇燃料电池(RMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC，以氢燃料电池为代表)等。部分便携式燃料电池技术对比见表1。

表1 部分单兵便携式燃料电池技术对比

1.1 DMFC

DMFC的输出功率一般为20～1 000 W，具有燃料携带及存储方便、电池结构简单和能量密度高等优点[7]。甲醇燃料的理论比能量为6.1 kWh/kg(25 ℃)，考虑到便携式电源使用过程中的损失，DMFC系统的实际比能量可达到0.3～1.8 kWh/kg，是锂离子电池的2～7倍。目前，作为单兵便携式电源，主要的研制厂家有德国SFC、韩国Samsung和中国科学院大连化学物理研究所等。

据报道，国外的DMFC技术起步较早。美国陆军使用的M-25型DMFC单兵电源，可提供72 h平均20 W的电力，短时供电峰值可达200 W，能输出8 V或14 V的电压，全部能量约2 kWh，质量为2.73 kg，比传统电池约减轻了80%。它能作为陆军指挥系统如无线电卫星通讯、远程监控装置等的移动电源[8]。该项目得到美国陆军采办挑战项目总计约3亿美元的资助。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的可移动式DMFC电源，拟代替BA5590锂-二氧化硫电池，总质量1.025 kg、电压12 V、容量14.4 Ah，应用于美国军方通讯系统。该电源的结构基于压滤机式的5对电池组设计，电极面积为45 cm2。电池组在14 V的工作电压下可获得80 W峰值功率，功率密度约为300 W/L，比能量为200 Wh/kg，优点是每只单电池厚度仅2 mm，具有空气流场结构。美国MTI Micro燃料电池公司的Mobion-30M电池部件加上两罐甲醇燃料，可满足一名单兵72 h作战所需的电量，相当于9只BA5590电池，质量可减少一半。Protonex公司和Millennium Cell公司推出了能为单兵提供超长工作时间的30 W便携式单兵电力系统(P2)，P2系统质量约为5 kg，可在72 h内提供相当于质量为14 kg的常规电池的电量。

德国SFC公司研制的Jenny燃料电池系统已经交付德国、英国、挪威、比利时和荷兰等国家军方使用[9]，系统的质量不到传统电源的20%。该系统有两个型号，分别为600S和1200，分别可提供25 W和50 W的连续电力输出。JENNY 600S燃料电池系统，0.72 kg燃料(2瓶)可提供的电量相当于11 kg的BB2590电池(8只)；JENNY 1200燃料电池系统，产生的能量约5 kWh，相当于30.8 kg的BB2590电池(22只)。上述系统可与标准的军用锂离子电池相连接，便于将锂离子电池的高比功率特性与燃料电池的高比能量特性、连续输出特性结合，应用于单兵综合系统和无人值守的装备。2016年11月，SFC公司开始向比利时特种部队供应便携式燃料电池系统，该笔订单额高达20万欧元。系统包括JENNY 600S燃料电池、PM3G型能量管理器及其他附属配件，用于军队在苛刻环境中执行军事任务。若按执行96 h任务需要的能量来计算，该系统比传统电池减轻了80%的质量。SFC公司2017年1月给印度提供了80套燃料电池设备(含EMILY 3000和JENNY 600S)，2017年5月与德国联邦军队签订了16万欧元的相关订单[9]。虽然JENNY 1200的输出功率是JENNY 600S的两倍，但仍保持了该系列产品方便携行的小尺寸和结构(尺寸只比JENNY 600S增加60%)，使用寿命长达2 500 h，并且完全免维护。该产品充电快且能量密度高，配备该系统，可使部队的执行任务时间更长，而且在任何时候和任何地方，都能获得电力供应，得到了美国空军的高度赞誉。Interginll Energy、FCH等公司也发布了类似的产品。将该产品进行轻小型化与适当的结构改进，即可作为单兵便携式电源。

韩国Samsung公司开发的单兵用25 W主动型DMFC系统，一次产生的电量达1.8 kWh，相当于士兵执行72 h任务所需的电能，可在任意区域使用。该电池已通过CERDEC 72 h任务的性能检测，并于2010年开始在军事应用中推广。

以色列Medis Technologies也推出了“电力骑士”的便携式DMFC电池。“电力骑士”呈小型平板状，可穿戴、背负，能以20 W的输出功率持续供电72 h。

在原总装备部某项目的支持下，大连化学物理研究所研制了输出功率分别为25 W、50 W和200 W的DMFC系统，比能量达500 Wh/kg，约为锂离子电池的3倍和铅酸电池的10余倍，产品的寿命可达2 000 h以上。该系列DMFC系统可在-20～40 ℃稳定工作，25 W和50 W型DMFC系统的质量约为2～5 kg，可以保持14～30 V的直流(DC)输出。清华大学核研院也自主研制了50 W的小型DMFC系统。

DMFC电池系统技术较成熟，性价较高，但甲醇燃料对人体有一定的毒性，电池运行过程中，甲醇电催化反应会产生少量类CO中间物种，导致催化剂中毒，缩短电池使用寿命。应着重研发更加高效、稳定及低成本的催化剂，以延长电池使用寿命，并采用更加一体化系统集成和先进的电源管理系统，从而减小体积、减轻质量，并提高环境适应性。

1.2 RMFC

RMFC是重整甲醇的PEMFC，同样只使用甲醇作为主要原料，不同的是，采用外部的微型甲醇重组器通过蒸气重整的方法现场制取氢，再供给PEMFC发电[4]。RMFC中的甲醇不直接进入PEMFC电堆进行电化学反应，避免了DMFC中催化剂中毒的缺陷，也可弥补DMFC输出功率不足的问题。Casio和Hitachi等公司将RMFC的输出功率密度提高到200 mW/cm2，以作为便携式驱动设备。

Ultra Cell公司推出的XX25和XX55型便携式电源，已在美国军方进行了现场测试。2009年，该公司中标美国空军部发起的“50 W士兵便携燃料电池系统”计划。该计划的目标是支持可靠、高效便携的军用燃料电池的设计和开发。2013年，该公司为美陆军研制的便携式RMFC系统，经受了电磁干扰、冰冻、雨淋、撞击和沙尘等一系列严格测试，储能由原来480 Wh提高到12 500 Wh，电池使用寿命达2 500 h，增强了野外电力保障能力。美陆军PRC-117战术电台采用传统的BA-5590电池，满足72 h作战使用至少要准备13只，总质量达15 kg；而使用XX25型RMFC，质量可减少7 kg，费用降低一半。丹麦泰纳已采用XX25型RMFC作为探险家-700的驱动电源。XX55型RMFC是25 W产品的改进型号，额定功率55 W，峰值功率可达85 W。该公司还开发了专为军用电子设备现场充电而设计的3-Up再充电系统。此外，ABSL和QinetiQ公司在合伙承担的PPS计划中开发了基于甲醇重整+燃料电池单元的混合电池和以氨-硼烷-氢为燃料的PEMFC电池系统。

RMFC和DMFC是当前推广到军用领域比较成熟的燃料电池系统。若能进一步提高甲醇重整器的重整效率、降低工作温度并延长重整器的启停寿命，借鉴DMFC系统优化催化剂和电池结构，模块峰值功率密度有望突破2 kW/L(比功率约1 kW/kg)，能量密度可达到2 000 Wh/L(比能量约1 000 Wh/kg)。这样的电源，可以满足未来单兵系统预定的96 h任务执行周期的需要。

1.3 SOFC

SOFC工作温度通常在600 ℃以上，反应动力学过程快，可直接使用碳氢化合物燃料，因此燃料具有广泛的适用性[10]。美国Nano Dynamics公司开发的Revolution 50型便携式SOFC，燃料为丙烷，每填充一次燃料，大约可连续24 h输出50 W的功率，比能量为3 000 Wh/kg。SPIROCELL电堆具有较高的功率密度(接近1 kW/L)和比功率(接近1 kW/kg)，使用丙烷燃料，结构简单，在相对低的温度(600～700 ℃)下工作。该发电系统安装在类似桶子的包装中，总质量不足10 kg，用于给便携式电源提供能量。AMI公司、CERDEC和DARPA也联合开发了以丙烷为燃料的SOFC(AMie60)。该电池额定功率为60 W，峰值功率达100 W；系统干态的质量为2.8 kg，效率为18.0%；若以60 W输出功率的工况工作，工作24 h对应的比能量为400 Wh/kg，工作72 h对应的比能量为760 Wh/kg。AMI公司还推出了300 W的AMI300丙烷燃料电池系统。Protonex公司也推出P200i型丙烷燃料电池系统，输出功率为20～200 W，可循环使用250次，循环寿命合计约2 500 h，每0.45 kg的丙烷可使电池系统以200 W的功率输出工作5 h。Protonex公司还曾向美陆军提供了30套M250-CX电源系统，交易金额为149万美元。该系统包含燃料电池和其他附属设备，可代替传统的军用充电电池和辅助动力装置，不仅轻便、噪音低和热信号弱，而且输出功率可达250 W(电压为28 V)。Protonex公司还将推出船用P200m燃料电池系统。Ultra-USSI公司推出了采用丙烷为燃料、适用于士兵远征作战的D350型SOFC，功率为350 W。电池与丙烷(5.9 kg)加起来的质量是15.8 kg，可产生13 kWh的能量；而15.8 kg的锂离子电池(约11只)却只能产生2.2 kWh的能量。该SOFC系统轻便易携行，工作时的声音仅与电脑风扇相当。该公司还生产了更轻便的D245XR型SOFC，输出功率和电压分别为245 W和28 V，质量只有2.6 kg，可满足无人机和无人战车的使用需求。

丙烷具有高能量密度(25 ℃，6.3 kWh/L)和易转换为液态保存的特性，适合用于小型化的单兵便携式电源[11]。Protonex、Ultra-USSI等公司已推出多款产品。若能进一步降低工作温度、精简电池结构、缩短启动时间、优化电堆结构与系统的集成控制，将是高比能单兵便携式电源的重要选择。

1.4 PEMFC

PEMFC以氢气为燃料时的工作性能最佳，转换效率可达50%。氢气并非随处可得，因此氢气的制备与存储成为PEMFC发展的一个关键问题。氢气可通过压缩气体、低温液态和储氢材料等方式存储，也可采用硼氢化物和金属粉体等原料现场水解制-供氢。目前开发的PEMFC系统，多数是以现场制氢为主，如法国NEXTER公司的TEYA型PEMFC发电机，主要包括燃料电池部分和化学制氢装置。浙江高成绿能科技公司开发了包含制氢模块、控制管理模块和发电模块的MINEK 100便携式PEMFC发电系统，具有发电、储电及供电等多种功能，可提供多种交直流电压输出。该系统体积为36.9 L，质量约15 kg，额定功率70 W，峰值功率150 W，每罐燃料产生的能量大于200 Wh，具有燃油发电机的长续航能力，无高温和噪声、易操作，可作为电子装备供电电源及电池的充电电源。上海攀业氢能源科技有限公司推出了200 W型PEMFC系统，采用硼氢化钠作为氢源，可在20～200 W的功率区间内供电。北京氢璞创能科技有限公司推出了输出功率为20 W、质量仅1 kg的NowoGen S20型便携式PEMFC系统。北京首贝尔科技发展有限公司在军民融合展上展出了SFC6600系列便携式氢燃料电池，可产生6 kWh的电量。氢燃料电池箱体质量为15 kg，一人可背负，内部安装有12 L的氢气瓶，最大输出功率为600 W，可选择输出AC220 V、DC12 V/5 V等多种模式，功率密度和比功率是传统锂离子电池的4倍。Toshiba公司的PEMFC系统，消耗21 ml H2所提供的能量与10只LR6电池相当。

基于能量密度、安全可靠性、发电效率和成本等因素综合考虑，氢燃料电池在便携式电源领域并非主流，技术先进性不明显且价格较贵[12]。在完善氢的制备、运输与存储、系统温控等问题后，PEMFC凭借较高的能量密度、轻小型化、快速启动的优势，在单兵综合系统中仍有一定的应用前景。

2 单兵便携式燃料电池的发展前景

随着单兵信息化装备的大量使用，系统对电能源的需求越来越高，但目前野外电能补充装备极少，只能依靠营区市电进行充电保障，不符合未来战争的需求。利用燃料电池作为便携式电源，可兼顾高密度储能的需要和柴/汽油发电机的持续性，可为武器装备提供优质高效的电能保障。目前，SFC、Ultra Cell、Protonex及Ultra-USSI等公司的便携式燃料电池都已装备到部队。2017年，全球燃料电池市场份额预计将达到17亿多美元，其中SOFC占到12亿美元，PEMFC的份额为3.39亿美元，其他燃料电池体系占1.76亿美元。当前，20 W～1 kW的燃料电池可作为小规模快速机动部队的便携式电源，具有燃料补给灵活和持续工作时间长等优点；1～100 kW的可作为车/舰载电源，也可与储能电池(锂离子电池、铅酸电池等)集成，作为野战电力保障系统；而100～1 000 kW的则适用于各类军事基地、哨所等相对固定场所的不间断电源；燃料电池加料方便、无需后备电源并可连续工作，作为战场指挥中心计算机网络及通讯系统的电源，可避免因更换电池导致整个网络服务中断的现象，对现代军事指挥系统至关重要[13]。

燃料电池若能解决目前存在的电堆成本较高、系统启动时间较长和系统可靠性较差等问题，巨大的商业应用前景带来的经济效益将不可估量，有望成为下一个推动能源发展的领军者。燃料电池凭借高比能、环境友好等优势，在3C产品、电动交通工具、航天工业等领域都会有很好的应用。

3 结论

综上所述，发展具有携带方便(质量≤1.5 kg)、轻小型化(体积≤3 L)、宽工作温度范围(-55-70 ℃)、长寿命(>5 000 h)和高可靠性特点的便携式燃料电池，可以显著提升武器装备水平，并优化后勤补给，为未来的信息化战争提供有效保障。燃料电池模块技术也可作为车/舰载驱动电源、通信基站备用电源和营房/指挥所的不间断电源，军事应用前景广阔，具有重要的战略意义。相较于国外Ultra Cell、SFC、Protonex和Ultra-USSI等公司的技术，国内的燃料电池技术尽管在燃料转换效率、功率输出密度控制等关键技术方面相差不多，但在系统集成与轻小型化等方面尚有一定差距，而且国外此类产品及相关技术均对中国有所保留。我国应加速便携式燃料电池系统的研发，重点解决DMFC的催化剂、RMFC的重整效率/温度、SOFC的工作温度/转换效率和PEMFC的储氢等问题。

致谢：感谢上海攀业、浙江高成、北京氢璞、大连化学物理研究所等单位提供的宝贵信息。

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