电磁发射用氢燃料电池初级能源的应用前景

王遂，黄凯，苏子舟，王毅，李菊香

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

电磁发射技术利用电流与磁场之间的相互作用产生电磁力来推进物体,能够突破传统发射方式的速度和能量极限,具有发射初速高、发射质量范围大、连续可控性好、声光特征低等优势,已经在电磁轨道炮、电磁线圈炮、舰载机电磁弹射等军事领域展现出巨大的应用潜力[1-3]。

电源系统是电磁发射的能量来源,其性能很大程度上决定了电磁发射技术的工程化应用前景[4-5]。目前,用于电磁发射的电源系统一般由初级能源和脉冲电源两部分组成。其中,初级能源主要用于存储多次电磁发射所需要的能量,并在电磁发射之前为脉冲电源充电;脉冲电源主要用于存储单次电磁发射所需的能量,并在几毫秒的瞬间释放电能,为发射装置输出符合需求的大功率脉冲电流[3]。

现阶段应用最广泛的初级能源形式主要为柴油发电机和锂离子蓄电池。然而,柴油发电机的功率密度较低,难以满足电磁发射系统的高频发射需求,且存在运行噪声大、环境污染高、热辐射高等缺点。锂电池虽然可以实现很高的功率密度,但其储能密度较低[6],且需要较长的能量补给时间,严重影响电磁发射系统的持续工作能力。显然,当前初级能源形式的综合性能与电磁发射武器装备的实战化应用需求还有较大差距。因此,研究探索具备高储能密度和高功率密度,同时更加清洁高效、环境适应能力更强的初级能源形式,已经成为电磁发射技术领域的一个重要发展方向。

氢燃料电池是一种通过电化学反应的方式直接将氢气的化学能转化为电能的能源转换装置,具有储能密度高、功率密度高、能量转化效率高、零污染、噪声小等诸多优势,被认为是一种潜力巨大的能源利用方式[7]。

笔者将氢燃料电池引入电磁发射系统。首先分别总结了常见初级能源形式和氢燃料电池的发展现状,接着对比分析了氢燃料电池作为电磁发射用初级能源的技术优势,之后探讨了氢燃料电池初级能源的工作模式和其对电磁发射武器系统带来的变革,最后展望了氢燃料电池初级能源的发展前景。

1 电磁发射用初级能源现状

1.1 电磁发射对初级能源的技术要求

电磁发射系统主要由电源系统、发射装置、发射组件以及监测控制系统组成[3],如图1所示。电磁发射武器系统对初级能源的各项关键技术指标提出了严苛的要求。首先,初级能源需要在一定的体积和质量限制下,存储多次电磁发射所需的能量,因此初级能源必须具备非常高的储能密度[4]。其次,高射频的电磁发射武器要求脉冲电源实现较高的充放电频率[5],而初级能源的输出功率决定了脉冲电源的充电速度,因此初级能源必须具备较高的功率密度。以美国海军20 MJ炮口动能的电磁轨道炮样机为例,该样机目前已经实现了10 发/min的射速[3]。发射装置考虑33%的效率和20次发射,则初级能源需要有效输出1 200 MJ的能量,且平均输出功率至少达到10 MW。

此外,为提高电磁发射武器的持续作战能力,保障系统安全,初级能源还需要具备很高的安全可靠性、较快的能量补给能力和较长的循环工作寿命。最后,初级能源还必须实现宽温域工作,从而适应不同的战场环境温度。

1.2 常见初级能源现状

目前,应用最为广泛的初级能源形式主要包括柴油发电机和锂离子蓄电池。

1.2.1 柴油发电机

柴油的热值一般为42.6 MJ/kg,柴油发电机的储能密度很高。以额定功率300 kW的YC6MJ480L-D20型柴油发电机为例[8],配备容量800 L的油箱,该柴油发电机的能量密度达到约10 MJ/kg。然而,应用于电磁发射系统的柴油发电机的功率密度较低,通常低于0.3 kW/L。虽然多台大功率柴油发电机同时运行可以为电磁发射系统提供几兆瓦的输出功率,但是多台高功率柴油发电机的体积规模非常巨大,严重限制电磁发射武器的灵活机动性。此外,柴油发电机在运行过程中还会产生巨大的噪声和油烟,隐蔽性差,且会带来比较严重的环境污染。

1.2.2 锂离子蓄电池

锂离子电池组的功率密度远高于柴油发电机,能够达到2 kW/L左右,因此,锂电池初级能源能够以较小的体积实现几兆瓦甚至几十兆瓦的输出功率,比较适合电磁发射武器系统的高射频需求。然而,锂电池初级能源依然存在一些不容忽视的缺点。首先,目前锂电池组的储能密度只能达到0.27～0.72 MJ/kg[9],且为了实现高功率放电,其化学储能不能完全释放,一般需要考虑50%的释能深度[3]。因此锂电池初级能源的持续工作能力较差,一般在完成约20次能量输出之后,就必须充电。其次,锂电池的充电倍率非常低[10],其能量补给时间往往需要几十分钟。再次,锂电池的环境温度适应能力较差,环境温度过高或过低时,其放电倍率和使用寿命都会大幅降低。最后,锂电池初级能源还存在一定的火灾风险,其安全可靠性还需要得到进一步的提升。

2 氢燃料电池初级能源

2.1 氢燃料电池简介

氢气的热值约为140 MJ/kg,高达煤炭、柴油等传统燃料的2～4倍。氢燃料电池是一种直接将氢气(燃料)的化学能转化为电能的发电装置,其工作过程不涉及燃烧,不受卡诺循环的限制,能量转化效率高达60%以上。氢燃料电池的化学反应生成物仅为水,不产生空气污染物和温室气体,是一种高效清洁的能源利用形式[11]。

氢燃料电池工作过程中,电子由阳极通过外电路流向阴极时,会产生直流电。一节单体燃料电池的发电电压理论上限为1.23 V,接有负载时的输出电压通常在0.5～1.0 V之间。为了满足一定的功率需求,通常由数百个单电池串并联组成氢燃料电池堆,同时配置相应的辅助系统,包括氢气供给系统、空气供给系统、水管理系统、热管理系统以及电子控制系统等[12],共同实现氢燃料电池的正常工作。

2.2 氢燃料电池的研究现状

1839年,WilliamGrove提出了燃料电池的原型[13]。进入20世纪70年代,随着能源危机、环境污染的加剧,氢燃料电池作为一种清洁高效的能源转化装置进入了突飞猛进的发展阶段[14]。目前,氢能燃料电池已经取得了一系列关键技术突破,尤其在轿车、客车、船舶等运输领域已经基本完成了性能研发,成熟度已非常接近产业化阶段。

2.2.1 电堆技术

电堆是燃料电池动力系统的核心部分,其性能直接决定着整个燃料电池系统的性能上限。评价氢燃料电池电堆性能的指标主要包括寿命、启动温度以及功率密度。2014年,日本丰田汽车公司推出了Mirai氢燃料电池汽车,该汽车搭载电堆的功率密度达到3.1 kW/L[15],启动温度-30 ℃,寿命5 000 h以上。近年来,国内电堆企业迅速崛起,多项关键技术指标都取得了长足的进步。以新源动力公司为例,该公司生产的HYSTK-70型氢燃料电池电堆的功率密度达到3.4 kW/L[16],实现了-30 ℃冷启动[17],寿命达到5 000 h。

2.2.2 储氢技术

氢是最轻的元素,常温常压情况下的密度只有水的万分之一,因此高密度储氢的难度非常高。氢气也是最小的分子,容易穿透很多金属容器造成材料的氢脆和氢气泄露。目前,氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机液体储氢[12]。其中,后三种储氢方式的成本都非常高,且固态储氢和有机液体储氢目前还存在一些关键技术瓶颈。与之对比,高压气态储氢的技术最为成熟,成本较低,是目前应用最广泛的储氢技术。

经过多年的发展,目前产业化的高压气态储氢容器已经发展到了IV型铝合金内胆纤维缠绕瓶。该型储氢瓶可以实现70 MPa高压储氢,储氢密度达到39 g/L,且几乎无氢脆问题,结构可以在烈火环境和受到猛烈撞击下不爆炸[18]。近年来,日本使用的车载储氢瓶单次充气压力的安全上限值已经从70 MPa提高到88 MPa,实现了技术的进一步升级[12]。

2.2.3 系统集成技术

氢燃料电池系统包括电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水管理系统、热管理系统以及电子控制系统等多个组成部件。燃料电池动力系统集成设计的过程中,涉及到各部件的选型及参数匹配。各部件性能各异,参数众多,相互耦合,共同影响着燃料电池的工作性能、能量转换效率、体积质量规模以及制造成本。目前,国外先进氢燃料电池系统已经实现了比较高的系统集成水平,如丰田Mirai氢燃料电池的功率密度达到约1 kW/L[13,19],储存5 kg的氢气[20],能量密度约为4 MJ/kg。

2.2.4 输出功率

以日本丰田Mirai、本田Clarity和韩国现代Nexo的产品为代表,车用燃料电池的输出功率级别一般在100 kW左右。由于船舶的载重量较高,应用于船舶的氢燃料电池输出功率一般高于200 kW。2009年,“Fellow Ship”燃料电池船用系统示范项目推出了“Viking Lady”号海洋工程供应船,该船舶装备了功率为320 kW的燃料电池系统[21]。2020年9月,加拿大Ballard公司基于质子交换膜技术推出了功率为200 kW的船用氢燃料电池模块FCwave。该燃料电池模块将电堆和辅助系统集成封装在箱体内,多个模块可以串联扩展至几兆瓦的功率水平[22-23]。

2.2.5 电池寿命

目前,国内外先进氢燃料电池的寿命已经满足商用要求。应用于轿车的燃料电池寿命超过5 000 h,应用于客车的燃料电池寿命已经达到了15 000 h以上[24]。

2.2.6 温度环境适应性

质子交换膜氢燃料电池的高温适应性非常好,能够在60～80 ℃正常工作,且启动时间只需要几秒钟[25-26]。在低温性能方面,目前国内外处于先进水平的氢燃料电池的电堆均实现了-30 ℃冷启动,且低温启动时间仅需1 min左右[17]。

2.2.7 安全性

氢气是密度最小的气体,极易挥发扩散,因此只要不是密闭空间,就不会发生氢气的积聚[27]。2001年,美国迈阿密大学Swain博士对氢燃料电池汽车和汽油车进行了燃料泄漏模拟研究,通过对比实验,表明氢燃料电池在燃料泄露起火后的安全性高于传统内燃机[28]。近年来,随着高压储氢材料的革新和监测控制技术的发展,氢燃料电池可能发生的氢脆问题和氢气泄露得到了有效的控制[12],氢燃料电池的安全性进一步提升。

3 氢燃料电池在电磁发射领域的应用前景

随着氢燃料电池技术的蓬勃发展,其多项关键性能已经非常接近电磁发射系统对初级能源的技术要求。

3.1 氢燃料电池初级能源的技术优势

如1.1节所述,电磁发射武器系统对初级能源的技术要求主要涉及储能密度、功率密度、能量补给速度、环境温度适应能力等方面。表1对比了氢燃料电池与两种最常见的初级能源形式——柴油发电机和锂离子蓄电池的关键性能。

表1 3种初级能源形式的关键性能比较

从表1中可以看出,虽然单独考虑能量密度或单独考虑功率密度,氢燃料电池不是最优的初级能源形式,但是氢燃料电池的性能与最优能源形式的差距较小且更加均衡,具有明显的综合优势。同时,氢燃料电池的燃料加注时间只需几分钟[12],能量补给非常迅速。在温度适应能力方面,氢燃料电池的工作环境温度范围较宽,且低温启动速度快,可以适应几乎所有的战场环境温度。在环境保护方面,虽然锂电池运行过程中污染很小,但是锂电池的报废过程容易造成严重的环境污染。与之相比,氢燃料电池的燃料为氢气,反应生成物仅为水,是真正实现零污染的清洁能源。此外,氢燃料电池具有比锂电池更高的安全性[27],同时还具有运行噪声低、隐蔽性好等优势。

目前常见的初级能源形式均存在不可忽视的性能短板,难以满足电磁发射技术的武器化应用需求。与之相比,氢燃料电池是一种关键性能优良且综合表现均衡的初级能源形式。将氢燃料电池应用于电磁发射领域,有望同时满足武器系统的战略机动性需求和持续作战能力需求,发挥巨大的应用潜力。

3.2 氢燃料电池初级能源的工作模式

氢燃料电池直接输出直流电。电堆是氢燃料电池的放电核心,由数百个单电池串并联组成。合理设计电堆中各个单电池的串并联方式,氢燃料电池模块能够输出符合需求的电压和电流。

目前,受到大功率电堆流场设计、组堆工艺以及大回流比氢循环泵等关键技术的限制[29],单个氢燃料电池模块的输出功率一般不高于200 kW。另一方面,过高的输出功率也会造成氢燃料电池的电堆和辅助系统体积过大,不利于氢燃料电池的分布式布置。基于此,需要采用多个氢燃料电池模块串联扩展,实现输出功率和输出电压的提升,从而满足电磁发射系统的应用需求。

图2展示了一种可以应用于氢燃料电池初级能源的时序串联电路拓扑[30-31]。图2中,FC1～FCn为各个氢燃料电池模块,r1～rn为各个氢燃料电池模块的内阻,K1～Kn为开关,R0为线路阻抗,D0为续流二极管,L为限流电感,C为脉冲电源的电容器。氢燃料电池初级能源配备电池组控制系统,该系统根据各个氢燃料电池模块的放电状态,控制各个氢燃料电池模块的放电时间,共同为电磁发射系统中的脉冲电源输出大功率直流电能。

目前,氢燃料电池的功率输出能力仍然低于锂电池,因此,在高功率输出的应用场合,有必要采用锂离子动力电池进行功率补偿。另一方面,氢燃料电池在低电流区和高电流区的能量转换效率均相对较低[32],采用“氢-电混合”系统,能够带来更高的能量转换效率。国内外比较成熟的车用氢燃料电池系统,如现代NEXO、日产Xtrial、奔驰F-cell、上海大通V80型氢燃料电池客车等,均配备了小容量的锂离子电池[12,33]。“氢-电混合”供能也是我国未来较长一段时间发展氢燃料电池的主要技术路线[34-35]。

3.3 氢燃料电池为电磁发射武器带来的变革

氢燃料电池作为一种新型的初级能源形式,应用于电磁发射领域,必然会对电磁发射武器系统带来深刻的变革。

3.3.1 超长时间高隐蔽作战

首先,氢燃料电池在运行过程中,噪声小,热效应低,且零排放,极大程度地提升了电源系统的隐蔽性。其次,氢燃料电池具有较高的能量密度,能够取代柴油发电机或内燃机,直接为作战平台以及雷达系统、随动系统、瞄准系统、供弹系统等分系统提供电能,全方位降低电磁发射武器系统所产生的声光效应。

在实现高隐蔽性的同时,氢燃料电池的能量密度高,燃料补给时间快,能够有效保证电磁发射武器系统的持续作战能力。

3.3.2 战场饮用水供应

饮用水一直是战场后勤补给的重要部分。而氢燃料电池初级能源能够在运行过程中产生大量的水。以20 MJ炮口动能的电磁炮样机为例,发射器考虑33%的效率,氢燃料电池初级能源考虑50%的效率,则一次发射需要氢气释放热能120 MJ,即需要0.86 kg的氢气。由于每消耗1 kg氢气,可以生成9 kg水,因此单次电磁发射可以产生约7.7 kg的水。通过收集氢燃料电池系统生成的水,并做适当处理,可以提供一种便捷的战场饮用水供应方式。

3.3.3 能量输出对象的智能选择

在现有的电磁发射武器系统样机中,由于锂电池的储能密度较低,因此初级能源只负责为脉冲电源供能。而氢燃料电池应用于电磁发射武器系统,非常有希望成为脉冲电源、作战平台以及雷达系统、随动系统、瞄准系统等分系统的统一电能来源。在实际应用中,氢燃料电池初级能源系统可以根据具体需求,灵活调整能量输出对象,实现更加智能化的能量输出能力和更高的能源利用效率。

3.4 氢燃料电池初级能源的发展前景

近年来,全球能源危机和环境污染问题日趋严重。氢能作为一种零排放的清洁能源,被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。氢燃料电池作为氢能的主要应用方式,受到了世界范围的高度关注[12,17]。各主要发达国家以及中国在战略、产业结构、科技等方面相继发布了一系列政策,投入大量人力、物力、资金支持,引导并鼓励氢能产业发展,大力推动氢燃料电池技术的研发、示范和商业化应用[25,29]。在这一背景下,氢燃料电池已经成为能源领域的战略性新兴产业。

目前,氢燃料电池系统依然存在电堆成本高、基础设施建设成本高、配套不完善、制氢能耗高等问题,极大地制约了其产业化推广与应用[33]。同时,由于现阶段储氢技术、电堆技术、系统集成技术等关键技术尚未达到理想水平,目前氢燃料电池系统的能量密度依然低于柴油发电机,功率输出能力也低于锂离子蓄电池。但是,氢燃料电池发展潜力巨大,各项关键技术正在不断取得突破。目前,已经出现了较为成熟的大功率氢燃料电池模块,且在船舶运输领域中,多个氢燃料电池串联供能已经实现了成功应用[22-23]。随着氢燃料电池技术的飞速发展、成本的逐渐降低以及配套基础设施的逐年完善,氢燃料电池的应用规模必将大幅提升,氢燃料电池初级能源也将具备更加良好的发展前景。

4 结束语

和现阶段常见的初级能源形式相比,氢燃料电池在能量密度、功率密度、能量补给速度、环境保护、噪声抑制、环境温度适应性等方面具有显著的综合优势。氢燃料电池作为一种初级能源形式应用于电磁发射领域,有望同时满足武器系统的战略机动性需求和持续作战能力需求,大幅提高初级能源的温度适应能力和武器系统的隐蔽性,革新战场饮用水的供应方式和作战平台的动力来源,带来武器系统作战效能的深刻变革。

虽然目前氢燃料电池系统的功率输出能力低于锂电池,且存在电堆成本高、配套不完善等问题。但是,作为能源领域的战略性新兴产业,氢燃料电池得到了世界范围的高度关注,发展潜力巨大。同时,“氢-电混合”也为氢燃料电池提供了一种现阶段综合效果更好的技术发展模式。随着氢燃料电池技术的成熟与完善,以及各国政府的大力支持与资金投入,氢燃料电池初级能源将具备更加突出的应用优势,在电磁发射等领域发挥出优异的价值。